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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, das eine in einer Ebene angeordnete Laseremitteranordnung aufweist, die zwei oder mehr Laseremittergruppen umfasst, wobei das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, mittels der Laseremitteranordnung eine Lichtlinie auszusenden, die aus Lichtemissionen der Laseremittergruppen zusammengesetzt ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen LiDAR-System, wobei das LiDAR-System betriebsfähig mit dem Kraftfahrzeug verbunden ist.
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Stand der Technik
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Bei einem scannenden LiDAR-System wird ein Laserstrahl in unterschiedliche Emissionswinkel emittiert und wieder empfangen. Aus diesen winkelabhängigen Einzelmessungen kann wiederum ein Umgebungsbild abgeleitet werden. Die benötigte Strahlablenkung kann dabei durch eine geeignete Optik (zum Beispiel beweglicher Spiegel) oder ein rotierendes System aller Komponenten realisiert werden.
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Alternativ kann eine Ortsauflösung durch die gleichzeitige oder sequentielle Beleuchtung eines größeren Bereiches (zum Beispiel eine Linie) und einer empfangsseitigen Unterscheidung anhand einer abbildenden Optik und eines Detektorarrays oder einer Detektorzeile realisiert werden.
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Als Laseremitter, auch Laserquelle genannt, können üblicherweise Kantenemitter oder Oberflächenemitter (VCSEL) verwendet werden. Oberflächenemitter haben allerdings Vorteile in ihrer Herstellung und besitzen darüber hinaus eine geringe spektrale Temperaturabhängigkeit sowie eine geringe spektrale Breite, was diese für LiDAR-Systeme interessant macht.
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Oberflächenemitter emittieren Laserstrahlung über nahezu die komplette Chipfläche, wobei die Emissionsflächen in der Regel als Array ausgebildet sind. Im Vergleich zu Kantenemittern besitzen Oberflächenemitter allerdings aufgrund der flächigen Abstrahlung eine vergleichsweise geringe optische Leistungsdichte. Dies erschwert insbesondere bei einer Linienausleuchtung die Realisierung von Laserlinien mit hoher optischer Leistungsdichte.
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Bei der Kollimation (beispielsweise durch eine Zylinderlinse) eines Oberflächenemitters durch eine Kollimationslinse steigt die horizontale Divergenz der emittierten Laserlinie, wenn mehrere Spalten, oder auch Reihen, von Oberflächenemittern verwendet werden.
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Bei einem LiDAR-System ist die horizontale Auflösung, welche durch die horizontale Divergenz der Laserlinie bestimmt ist, allerdings ein entscheidender Parameter (typisch im Bereich 0,1°), womit die Anzahl der verwendbaren Array-Reihen begrenzt ist. Die Leistung könnte also lediglich in vertikaler Raumrichtung skaliert werden, wodurch die vertikale Bauhöhe steigt und die Oberflächenemitter fertigungstechnisch ungünstige Geometrien annehmen müssten. Empfangsseitig wird bei diesem Linienausleuchtungssystem typischerweise eine abbildende Optik und ein Liniendetektor verwendet, um die vertikale Auflösung zu realisieren.
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Die WO 2018 / 226390 A1 offenbart ein LiDAR-System und -Verfahren.
Lichtquellen, die Oberflächenemitter (VCSEL) sein können, sind in Ausführungsformen in Emitterspalten angeordnet, beispielsweise in vier Spalten mit je 16 Lichtquellen entlang einer gekrümmten Oberfläche, jedoch nicht einer Ebene. So strahlt jede Emitterspalte Licht in eine unterschiedliche horizontale Richtung auf einen Spiegel ab, der das Licht durch eine Ausgangsapertur hindurch zu einer Linse reflektiert. Aus der Linse und somit aus dem LiDAR-System treten alle Strahlen jedoch parallel zueinander aus.
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Aus der WO 2018 / 191516 A1 ist eine eben angeordnete VCSEL-Anordnung mit einer Vielzahl von Emitterspalten bekannt, die Laserlicht in eine einzige Richtung senkrecht von der Anordnung weg abstrahlt. Durch gekrümmte Anordnung der ebenen VCSEL-Anordnung strahlt jede Emitterspalte das Laserlicht in eine unterschiedliche horizontale Richtung ab. Aus 7A lässt sich schließen, dass die Anordnung keine Linie, sondern eine Fläche abtastet.
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Die WO 2011 / 109760 A1 zeigt und beschreibt ein skalierbares Wellenlängenstrahlkombinationssystem. Es ist erwähnt, dass die Ausgaben mehrerer Laserquellen, die in der Form eines Laserarrays angeordnet sind, zu einem einzigen Ausgabestrahl zusammengesetzt werden können. Es ist ein Stapel aus drei Laserarrays gezeigt, wobei jedes Array vier Emitter umfasst, sodass sich ein zweidimensionales Array ergibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei dem mindestens eine der Laseremittergruppen eine Abstrahlungsrichtung für die Lichtemissionen aufweist, die sich von der Abstrahlungsrichtung mindestens einer weiteren der Laseremittergruppen unterscheidet.
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Vorteile der Erfindung
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Auf diese Weise kann ein LiDAR-System mit Linienausleuchtungscharakter bereitgestellt werden, dessen Laseremittergruppen in einer Ebene angeordnet sind, gleichzeitig aber unterschiedliche Abstrahlungsrichtungen bereitstellen. Dies erlaubt eine kompakte Bauform für das LiDAR-System.
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Die Ebene ist vorzugsweise bereitgestellt durch ein Trägersubstrat, das die Laseremitteranordnung trägt. Das Trägersubstrat ist vorzugsweise eine plane Platte, die insbesondere rechteckig ist. Das Trägersubstrat kann auch notwendige Schaltkreise und Steuerelektronik umfassen, um die Laseremitteranordnung zu betreiben.
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In manchen Ausführungsformen unterscheidet sich die Abstrahlungsrichtung jeder Laseremittergruppe von den Abstrahlungsrichtungen der weiteren Laseremittergruppen. So kann vorteilhafterweise pro Laseremittergruppe eine eigene Abstrahlungsrichtung festgelegt werden und bei minimaler Anzahl von Laseremittergruppen eine maximal mögliche Anzahl an Abstrahlungsrichtungen festgelegt werden. Die Abstrahlungsrichtung kann entweder durch geeignet gewählte Montage der Laseremittergruppen festgelegt werden oder aber durch im Strahlengang nachgelagerte Elemente, wie sie im Folgenden noch beschrieben werden. Dann können beispielsweise alle Laseremittergruppen in der Ebene gleich montiert sein und die jeweiligen Abstrahlungsrichtungen anschließend noch durch Optiken im Strahlengang festgelegt werden, die vorzugsweise zu den Laseremittergruppen unmittelbar benachbart angeordnet sind.
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In einer besonderen Ausführungsform ist das LiDAR-System dafür eingerichtet, die Lichtlinie auszusenden, die unterbrochen ist. Vorzugsweise ist die Lichtlinie so unterbrochen, dass eine stufenartige Lichtlinie gebildet ist. In einigen Ausführungsformen ist die Lichtlinie als gerade Linie ausgebildet, die abschnittsweise unterbrochen ist. Die Lichtlinie kann entlang ihrer Länge eine schwankende Helligkeit oder eine konstante Helligkeit aufweisen. Die Lichtemissionen einzelner Laseremittergruppen können insbesondere über eine geeignete Optik unter unterschiedlichen vertikalen Emissionswinkeln abgestrahlt werden. Empfangsseitig werden dann in Abhängigkeit der vertikalen Winkel entsprechend vorzugsweise die Pixel ausgelesen, welche beleuchtet werden. In vertikaler Richtung kann in Ausführungsformen eine Strahlformung stattfinden. Alternativ kann eine „natürliche“ Divergenz eines Laseremitters der Laseremittergruppe verwendet werden (typischerweise 20°). In horizontaler Richtung kann eine Kollimation anhand einer Zylinderlinse, die vorzugsweise in erster Näherung lediglich horizontal wirkt und auf die vertikale Achse keinen Einfluss hat, erfolgen. Auf einem Schirm, welcher im Fernbereich (zum Beispiel 100 Meter Entfernung) aufgestellt sein kann, kann dann die emittierte Lichtlinie, also vorzugsweise Laserlinie, zu sehen sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist in einem Sendepfad zwischen mindestens einer Laseremittergruppe und Kollimationseinrichtung, vorzugsweise Zylinderlinse, ein zugeordnetes Prisma angeordnet, um die Lichtemission der jeweiligen Laseremittergruppe in die vorgesehene Abstrahlungsrichtung zu lenken. Bevorzugt ist, dass die Lichtemission einer Laseremittergruppe durch das Prisma in die gewünschte Abstrahlungsrichtung abgelenkt wird in Bezug auf eine Flächennormale der Ebene, in der die Laseremitteranordnung angeordnet ist. Die Flächennormale ist ein Vektor, der senkrecht auf der Ebene steht, in der die Laseremitter angeordnet sind. Die Flächennormale kann parallel zu einer Strahlausbreitungsrichtung des LiDAR-Systems liegen. Die Prismen können in Ausführungsformen eine beidseitige Neigung aufweisen. Die Prismen können in Ausführungsformen auch eine Linsenwirkung auf der Laseremitterseite besitzen, welche beispielsweise durch eine Mikrolinsenstruktur realisiert werden kann. Anstelle von Prismen können auch bezüglich der Strahlausbreitungsachse verschobene Linsen (beispielsweise Mikrolinsen) oder auch Spiegel für die vertikale Ablenkung verwendet werden.
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Vorzugsweise findet eine Ablenkung von der Flächennormalen in der vertikalen Richtung statt, also nach oben oder nach unten. Die Ablenkung könnte auch über geeignete Linsen erfolgen, ein Prisma ist allerdings besonders vorteilhaft. Das Prisma könnte auch vertikale Segmente beinhalten (zum Beispiel könnten je 5 Laseremitter oder jeder Laseremitter der Laseremittergruppe mit einem Prismenteil abgelenkt werden). Da jede Laseremittergruppe vorzugsweise einen horizontalen Abstand zu einer benachbarten Laseremittergruppe besitzt, wird die jeweilige Lichtemission durch die Kollimationseinrichtung, beispielsweise die kollimierende Zylinderlinse, unter einem leicht unterschiedlichen horizontalen Winkel abgestrahlt (zum Beispiel 0,2°). Eine bevorzugte Laseremitteranordnung weist drei Laseremittergruppen auf. Die Laseremittergruppen benachbart zu einer mittleren Laseremittergruppe werden nach oben beziehungsweise unten durch Prismen abgelenkt, während die mittlere Laseremittergruppe parallel zur Flächennormalen der Ebene der Laseremitteranordnung ihre Lichtemissionen abgibt, also vorzugsweise direkt in die Strahlausbreitungsrichtung des LiDAR-Systems. Im Fernbereich (auf dem Schirm) sind dann ausgeleuchtete Bereiche zu sehen, welche horizontal und vertikal getrennt sind, also eine stufenartige Lichtlinie bilden.
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Einige Ausführungsformen sehen vor, dass das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, die Lichtlinie auszusenden, die durchgehend ist. Dies kann beispielsweise durch starke Prismenwinkel oder durch Laseremitter mit geringer Divergenz erreicht werden. In der vertikalen Richtung können die Laseremittergruppen in solchen Ausführungsformen wieder, wie oben beschrieben, nach oben oder unten von der Flächennormalen der Ebene abgelenkt werden. Allerdings besitzen die Laseremitter nun eine vergleichsweise geringere Divergenz und überlappen in vertikaler Richtung sehr schnell hinter den Prismen nicht mehr. Die Strahlen der Laseremittergruppen sind nun also in vertikaler Richtung getrennt. Dies ermöglicht die horizontale Kollimation der Laseremittergruppen mit voneinander getrennten Kollimations-Teillinsen. Die Kollimations-Teillinsen können jeweils um den Abstand der Laseremittergruppen in horizontaler Richtung verschoben angeordnet sein, sodass sich die Kollimations-Teillinsen jeweils exakt auf den Strahlausbreitungsachsen der Laseremittergruppen befinden. Dadurch werden die Lichtemissionen der seitlichen Laseremittergruppen nicht mehr unter einem anderen horizontalen Winkel abgelenkt und es werden parallele Strahlen in die Umgebung emittiert (mit einen um den Abstand der Laseremittergruppen verschobenen Abstand der Strahlachsen, welcher allerdings in größeren Entfernungen keine Rolle spielt). Vorzugsweise ist also eine erste Kollimations-Teillinse, in der Draufsicht entlang der vertikalen Richtung betrachtet, nach oben, eine zweite Kollimations-Teillinse nicht und eine dritte Kollimations-Teillinse nach unten verschoben. Die zweite Kollimations-Teillinse ist vorzugsweise zwischen der ersten Kollimations-Teillinse und der dritten Kollimations-Teillinse angeordnet. Jede der Kollimations-Teillinsen ist vorzugsweise einer entsprechenden Laseremittergruppe zugeordnet. Die zunächst vertikal entstehenden Lücken in der Lichtlinie können schließlich durch eine geeignet angeordnete vertikale Strahlformung wieder geschlossen werden.
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In manchen Ausführungsformen ist also vorgesehen, dass das LiDAR-System eine Kollimationseinrichtung zur Kollimation der Lichtemissionen aufweist. Vorzugsweise erfolgt die Kollimation in der horizontalen Richtung. So kann eine einheitliche Strahlausbreitungsrichtung in die Umwelt sichergestellt werden, auch wenn die Laseremittergruppen, insbesondere durch die Prismen, eigentlich jeweils unterschiedliche Abstrahlungsrichtungen aufweisen. Die Kollimationseinrichtung ist vorzugsweise die oben beschriebene Zylinderlinse und kann mehrere getrennte Kollimations-Teillinsen, insbesondere drei Kollimations-Teillinsen, aufweisen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Kollimations-Teillinsen der Anzahl der Laseremittergruppen.
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Vorzugsweise sind die Prismen zur Ablenkung der Lichtemissionen zwischen den Laseremittergruppen und der Kollimationseinrichtung angeordnet, um die Abstrahlungsrichtung einer jeweils zugeordneten Laseremittergruppe festzulegen. So können die gewünschten Abstrahlungsrichtungen bereits vor der Kollimierung der Lichtemissionen festgelegt werden. Vorzugsweise ist für jede Laseremittergruppe ein Prisma vorgesehen, das einen Winkel festlegt, um die Laseremission von der Richtung der Flächennormalen auf der Ebene der Laseremitteranordnung weg abzulenken und so die Abstrahlungsrichtung jeweils für jede zugeordnete Laseremittergruppe festzulegen.
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Für mindestens eine Laseremittergruppe, vorzugsweise jedoch jede oder aber jede außer einer, ist in einigen Ausführungsformen eine Strahlformungseinrichtung vorgesehen, um die jeweilige Lichtemission zu formen. Die Strahlformungseinrichtung ist vorzugsweise zur vertikalen Strahlformung angeordnet. Der Laserstrahl kann insbesondere in vertikaler Raumrichtung an beliebiger Stelle im Strahlengang geformt werden. Hierzu könnte sich beispielsweise zwischen den Prismen und der Kollimationseinrichtung oder aber nach der Kollimationseinrichtung eine weitere Optik befinden. Alternativ kann die Kollimationseinrichtung, insbesondere die Kollimationslinse, eine Krümmung in der vertikalen Richtung besitzen, welche Strahlformungsaufgaben übernehmen könnte.
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Manche Ausführungsformen sehen vor, dass jede Laseremittergruppe aus einer Vielzahl von Oberflächenemittern gebildet ist. In Ausführungsformen können aber anstelle von oder in Kombination mit Oberflächenemittern auch Kantenemitter als Laseremitter verwendet werden. Oberflächenemitter haben allerdings Vorteile in ihrer Herstellung und besitzen darüber hinaus in der Regel eine geringe spektrale Temperaturabhängigkeit sowie eine geringe spektrale Breite was diese für LiDAR-Systeme interessant macht, da insbesondere Hintergrundlicht über einen Bandpassfilter besser unterdrückt werden kann und so das Signal/RauschVerhältnis des LiDAR-Systems verbessert werden kann.
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Manche Ausführungsformen sehen vor, dass jede Laseremittergruppe aus einer Vielzahl von Oberflächenemittern gebildet ist, die nebeneinander aufgereiht sind. Die Laseremittergruppen sind dann also als Laseremitterreihen gestaltet beziehungsweise bilden jeweils Spalten. In Ausführungsformen sind drei Laseremitterreihen vorgesehen. Solche Reihen können besonders einfach herstellbar sein und mit einem gemeinsamen Prisma für alle Laseremitter jeder Reihe versehen sein. Die Oberflächenemitter senden nämlich üblicherweise ihre jeweiligen Lichtemissionen in eine Strahlausbreitungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Ebene, in der sie angeordnet sind. Durch die Prismen, die jeweils einer solchen Laseremitterreihe vorgelagert sind, können dann die jeweiligen Lichtemissionen in die für jede Laserreihe gewünschte Abstrahlungsrichtung auf die Kollimationseinrichtung, sofern vorgesehen, gestrahlt werden. Alternativ können aber beliebige Laseremitteranordnungen verwendet werden, beispielsweise mit unsymmetrisch angeordneten Laseremittergruppen. Auch andere Laserquellen mit einer ähnlichen Anordnung könnten verwendet werden, beispielsweise Kantenemitter-Laserbarren welche aufeinander gestapelt (stack) sind. Auch in diesen Ausführungsformen können zwischen den Laserquellen und der Kollimationseinrichtung, sofern vorgesehen, Prismen angeordnet sein, um die Lichtemissionen in die gewünschte Abstrahlungsrichtung zu lenken, also vorzugsweise um einen Winkel in Bezug auf die Flächennormale der Ebene abzulenken.
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Ausführungsformen sehen vor, dass das LiDAR-System einen Flächendetektor aufweist. Der Flächendetektor ist vorzugsweise in dem Empfangspfad des LiDAR-Systems angeordnet. Ein Flächendetektor kann auch dann aus der Umwelt reflektierte Lichtemissionen der Laseremitter empfangen, wenn es sich um stufenartige Lichtlinien handelt. Vorzugsweise werden nur jene Detektorzellen des Flächendetektors aktiviert, für die auch ein Empfang von reflektierten Lichtemissionen erwartet wird. So kann Energie gespart werden und die Lebensdauer des Flächendetektors optimiert werden.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, das das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße LiDAR-System in einer Ausführungsform umfasst, bei dem mindestens eine der Laseremittergruppen eine Abstrahlungsrichtung für die Lichtemissionen aufweist, die sich von der Abstrahlungsrichtung mindestens einer weiteren der Laseremittergruppen unterscheidet.
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Auf diese Weise kann ein Kraftfahrzeug mit einem LiDAR-System mit Linienausleuchtungscharakter bereitgestellt werden, dessen Laseremittergruppen in einer Ebene angeordnet sind, gleichzeitig aber unterschiedliche Abstrahlungsrichtungen bereitstellen. Dies erlaubt eine kompakte Bauform für das LiDAR-System und somit auch für das Kraftfahrzeug.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kraftfahrzeugs mit dem LiDAR-System ergeben sich analog aus den obigen Ausführungen zum LiDAR-System selbst, auf deren Wiederholung an dieser Stelle zur Vereinfachung verzichtet wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform aus 1,
- 3 eine durch die erste Ausführungsform erzeugte Lichtlinie,
- 4 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform aus 4,
- 6 eine durch die zweite Ausführungsform erzeugte Lichtlinie, und
- 7 eine Draufsicht auf die Ebene der Laseremitteranordnung der ersten und der zweiten Ausführungsform, aus der Strahlausbreitungsrichtung betrachtet.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein LiDAR-System 1 gezeigt. Das LiDAR-System 1 ist betriebsfähig mit einem nicht weiter gezeigten Kraftfahrzeug verbunden. Das LiDAR-System 1 ist dafür eingerichtet, durch Abtasten mit Licht, insbesondere Laserlicht, Informationen über eine Umwelt des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Die Perspektive in 1 veranschaulicht eine Seitenansicht des LiDAR-Systems 1, die nach oben eine vertikale Richtung V und nach rechts eine Strahlausbreitungsrichtung S des LiDAR-Systems 1 in die Umwelt darstellt. Das LiDAR-System 1 weist eine in einer Ebene angeordnete Laseremitteranordnung 2 auf. Die Laseremitteranordnung 2 umfasst, hier beispielhaft auf einem plattenförmigen Trägersubstrat, zwei oder mehr Laseremittergruppen, hier rein beispielhaft drei Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c, die in einer Aufsicht in 7 gezeigt sind. Bei den Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c handelt es sich um Laseremitterreihen. Daher ist jede Laseremittergruppe 3a, 3b, 3c aus einer Vielzahl von Laseremittern 4 gebildet, hier rein beispielhaft vier Laseremitter 4 in jeder Laseremittergruppe 3a, 3b, 3c, die in einer Linie aufgereiht sind. Genauer handelt es sich bei den Laseremittern 4 um Oberflächenemitter. Jede Laseremitterreihe erstreckt sich entlang der vertikalen Richtung V.
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Das LiDAR-System 1 ist dafür eingerichtet, mittels der Laseremitteranordnung 2 eine Lichtlinie L auszusenden, die aus Lichtemissionen der Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c zusammengesetzt ist, wie sie in 3 zu sehen ist. Dabei weist jede der Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c eine Abstrahlungsrichtung für die Lichtemissionen auf, die sich von der Abstrahlungsrichtung mindestens einer weiteren der Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c unterscheidet. In diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich sogar die Abstrahlungsrichtung jeder Laseremittergruppe 3a, 3b, 3c von den Abstrahlungsrichtungen der weiteren Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c. Wie gezeigt, hat nämlich eine erste Laseremittergruppe 3a bezogen auf eine Flächennormale der Ebene der Laseremitteranordnung 2 eine Abstrahlungsrichtung nach oben, während eine zweite Laseremittergruppe 3b eine Abstrahlungsrichtung parallel zu der Flächennormalen hat und eine dritte Laseremittergruppe 3c bezogen auf die Flächennormale eine Abstrahlungsrichtung nach unten hat. Die Flächennormale steht senkrecht auf der Ebene der Laseremitteranordnung und weist in die Strahlausbreitungsrichtung S. Die erste Laseremittergruppe 3a strahlt also in einem Winkel nach oben von der Flächennormalen ab, während die dritte Laseremittergruppe 3c in einem Winkel nach unten von der Flächennormalen abstrahlt. Die Abstrahlungsrichtung der zweiten Laseremittergruppe 3b schließt mit der Strahlausbreitungsrichtung S hingegen einen Winkel von 0 Grad ein.
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Dies wird erreicht, indem Prismen 5a, 5b zur Ablenkung der Lichtemissionen zwischen den ersten und dritten Laseremittergruppen 3a, 3c und einer Kollimationseinrichtung 6 angeordnet sind, um die Abstrahlungsrichtung der jeweils zugeordneten Laseremittergruppe 3a, 3c, also den Winkel, in dem die Lichtemissionen in Bezug auf die Flächennormale beziehungsweise die Strahlausbreitungsrichtung S abgelenkt werden, festzulegen. Für jede Laseremittergruppe 3a, 3b, 3c, deren Lichtemission von der Richtung der Flächennormalen abweichen soll, also die erste Laseremittergruppe 3a und die dritte Laseremittergruppe 3b, ist daher hier ein Prisma 5a, 5b vorgesehen, das den Winkel der Lichtemission der Laseremittergruppe 3a, 3c gegenüber der Flächennormalen und damit die Abstrahlungsrichtung festlegt. Die Prismen 5a, 5b sind vor der ersten Laseremittergruppe 3a und der dritten Laseremittergruppe 3b in 7 schematisch veranschaulicht. Vor der zweiten Laseremittergruppe 3b ist kein Prisma 5a, 5b angeordnet, da ihre Lichtemissionen nicht von der Strahlausbreitungsrichtung S weg abgelenkt werden sollen. In die Prismen 5a, 5b sind zudem Linsen (nicht gezeigt) als Strahlformungseinrichtung integriert, um die jeweiligen Lichtemissionen zu formen.
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Die Kollimationseinrichtung 6 dient folgend auf die Festlegung der Abstrahlungsrichtung durch die Prismen 5a, 5b dazu, die Lichtemissionen horizontal zu kollimieren. So wird horizontal ein fest definierter Bereich der Umwelt definiert, der durch die Lichtlinie L bestrahlt wird. In 2 ist zu sehen, dass die Kollimationseinrichtung 6 eine Zylinderlinse ist, hier eine Zylinderlinse, deren auf die Umwelt weisende erste Oberfläche 7a konkav ist und deren auf die Laseremitteranordnung 2 weisende zweite Oberfläche 7b plan ist. Die Ansicht in 2 ist senkrecht zur Ansicht in 1 und veranschaulicht die horizontale Richtung H und senkrecht dazu wieder die Strahlausbreitungsrichtung S. Die Perspektive in 2 ist also entlang der vertikalen Richtung V aus 1.
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3 zeigt schließlich weiter, dass das LiDAR-System 1 dafür eingerichtet ist, die Lichtlinie L auszusenden, die unterbrochen ist. Genauer gesagt ist die Lichtlinie L so unterbrochen, dass eine stufenartige Lichtlinie L gebildet ist. Hier ist die Lichtlinie L gezeigt, wie sie auf einem Schirm 8 in beispielsweise 100 m Entfernung von dem LiDAR-System zu erkennen wäre. Da drei Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c vorgesehen sind, ergeben sich entsprechend auch drei Stufen in der Lichtlinie L.
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Der Aufbau des LiDAR-Systems 1 in der zweiten Ausführungsform, die im Detail in den 4 und 5 veranschaulicht ist, entspricht in vielerlei Hinsicht dem Aufbau der ersten Ausführungsform in den 1 und 2. Deshalb wird an dieser Stelle auf Wiederholungen verzichtet. Allerdings ist das LiDAR-System 1 gemäß der veranschaulichten zweiten Ausführungsform im Gegensatz zur ersten gezeigten Ausführungsform dafür eingerichtet, die Lichtlinie L auszusenden, die durchgehend ist, wie in 6 zu sehen.
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Dies wird dadurch erreicht, dass hier die Kollimationseinrichtung 6 aus Kollimations-Teillinsen 9a, 9b, 9c gebildet ist, von denen die horizontal äußeren beiden 9a, 9c in horizontaler Richtung zueinander verschoben sind. Auf diese Weise wird der stufenartige Versatz, der in der Lichtlinie L der ersten Ausführungsform in 3 erkennbar ist, aufgehoben, weil der Versatz der drei Laseremitterreihen 3a, 3b, 3c, die in der Ebene nebeneinander angeordnet sind, durch den horizontalen Versatz der Kollimations-Teillinsen 9a, 9b, 9c kompensiert wird. Die Kollimations-Teillinse 9b, die der mittleren Laseremittergruppe 3b zugeordnet ist, bleibt in derselben Position wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die beiden äußeren Kollimations-Teillinsen 9a, 9c sind in der Draufsicht aus 5 nach oben beziehungsweise unten verschoben, wodurch gemäß 6 die durchgehende Lichtlinie L ohne stufenartigen Versatz erreicht wird.
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Wie in 6 erkennbar ist, ist eine Lichtintensität entlang der Lichtlinie L schwankend. Durch hier nicht gezeigte Strahlformungseinrichtungen im Strahlengang vor oder hinter den Kollimations-Teillinsen 9a, 9b, 9c, die jedoch hinzugedacht werden können, ist es auf einfache Weise möglich, in anderen Ausführungsformen die Lichtintensität der Lichtlinie L einheitlicher einzustellen.
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Die Erfindung ermöglicht also insbesondere ein optisches System, welches die Verwendung von Oberflächenemitter-Arrays in einem LiDAR-System 1 mit Linienausleuchtungscharakter erlaubt. Dabei werden wie oben beschrieben einzelne Spalten beziehungsweise Reihen der Laseremitteranordnung 2, die Laseremittergruppen 3a, 3b, 3c bilden, unter unterschiedlichen, insbesondere vertikalen Winkeln in Bezug auf die Flächennormale der Anordnungsebene abgestrahlt. Dies ermöglicht insbesondere eine effiziente Verwendung von Oberflächenemittern in Linienausleuchtungs-LiDAR-Systemen. Die Strahlablenkung der seitlichen Laseremittergruppen 3a, 3c kann dabei beispielsweise durch Prismen 5a, 5b erfolgen, die vorzugsweise zwischen den Laseremittergruppen 3a, 3c und der Kollimationseinrichtung 6 angeordnet sind.
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Die Erfindung erlaubt somit, insbesondere die Vorteile einer Oberflächenemitteranordnung auszunutzen und dennoch eine linienartige Ausleuchtung zu realisieren. Dadurch kann die optische Leistung in der Laserlinie L neben der vertikalen Richtung V auch über die horizontale Richtung H der Oberflächenemitteranordnung skaliert werden, was zu einer Kosten- und Raumreduktion des Sendepfades des LiDAR-Systems 1 führt.
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Einzelne horizontal getrennte Bereiche (zum Beispiel Laseremitterreihen) werden jeweils in unterschiedliche vertikale Raumrichtungen abgelenkt. Die Ablenkung wird vorzugsweise in sehr geringem Abstand zur Emissionsfläche der Laseremitter 4 realisiert, wo sich die Strahlen der Array-Spalten noch nicht horizontal überlagert haben. Horizontal werden die Strahlen vorzugsweise durch die Kollimationseinrichtung 6 kollimiert und es bilden sich Laserlinien L aus, welche im Fernbereich horizontal getrennt sein können (erstes Ausführungsbeispiel, 1-3, 7) oder aber in eine geschlossene Linie überführt (zweites Ausführungsbeispiel, 4-6, 7) sein können. Bei im Fernbereich getrennten Strahlen (erstes Ausführungsbeispiel) wird empfangsseitig vorzugsweise ein Detektorarray (nicht gezeigt) mit einer gewissen Anzahl an horizontalen Detektorreihen verwendet, welche entsprechend der Strahlausleuchtung ausgewertet beziehungsweise aktiv geschaltet werden.
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Bei den erfindungsgemäßen LiDAR-Systemen 1 der obigen Ausführungsbeispiele wird die horizontale Richtung H insbesondere mechanisch abgetastet (also zum Beispiel durch einen drehenden Spiegel oder einen Sende- und Empfangspfad, welche sich auf einem rotierenden System befinden). Die vertikale Richtung V wird vorzugsweise durch das Aussenden einer Laserlinie L mit vertikaler Orientierung und einer empfangsseitigen Auflösung über eine abbildende Optik und eine Detektorlinie beziehungsweise eine Detektoranordnung realisiert (vertical line flash, nicht gezeigt). Prinzipiell könnte die Orientierung der Anordnung allerdings beliebig sein (zum Beispiel Laserlinie L horizontal orientiert und Detektorlinie ebenfalls). Die oben in den Ausführungsformen beschriebene Anordnung mit vertikaler Laserlinie L stellt lediglich eine vorteilhafte Variante dar. Durch Drehung der gezeigten LiDAR-Systeme 1 um 90 Grad ließe sich beispielsweise eine weitere Ausführungsform erschaffen, die eine horizontale Laserlinie L erzeugen kann.
