LIDAR-Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung mit einem Emitter zur Emission eines Laserlichts in einen Emissionspfad und mit einem Detektor zur Detektion eines reflektierten Laserlichts in einem Detektionspfad.

Derartige LIDAR-Vorrichtungen (Light Detection and Ranging) sind bekannt. Sie gewinnen zunehmende Bedeutung bei der Umfelderkennung von Kraftfahrzeugen oder Robotern. Es existieren verschiedene, dem Fachmann bekannte Ausführungsformen für LIDAR-Vorrichtungen. Diesen ist jeweils gemeinsam, dass optische Strahlung - meist Laserlicht mit Wellenlängen im Infrarot-Bereich - mittels eines Emitters in einen Emissionspfad ausgesendet werden. Dieses ausgesendete Laserlicht wird von beleuchteten Objekten reflektiert und das reflektierte Laserlicht mittels eines Detektors in einem Detektionspfad detektiert. Aus dem detektierten Laserlicht lassen sich die Präsenz, die Entfernung und gegebenenfalls die Geschwindigkeit der beleuchteten Objekte bestimmen. Dabei misst die LIDAR-Vorrichtung den Abstand eines beleuchteten Objekts beispielsweise durch eine Laufzeitmessung (Time of Flight) des emittierten Laserlichts: der Emitter emittiert das Laserlicht in den Emissionspfad, der zu dem Objekt propagiert und dort reflektiert wird; das reflektierte Laserlicht propagiert in den Detektionspfad und wird mittels des Detektors detektiert und ausgewertet. Bei Nutzung der Laufzeitmessung kann die LIDAR-Vorrichtung anhand der Zeitpunkte des emittierten und detektierten Laserlichts die Laufzeit, und über die Lichtgeschwindigkeit den Abstand des Objekts zum Detektor, ermitteln. Andere Verfahren sind ebenso bekannt. Sie basieren beispielsweise auf einer indirekten Laufzeitmessung durch Modulation der Intensität des Laserlichts beziehungsweise der Frequenz des Laserlichts selbst. Dabei kann beispielsweise eine Kombination aus Frequenzmodulation und kohärenter Detektion (coherent frequency modulated continous wave (FMCW)) verwendet werden.

Nun sind für derartige LIDAR-Vorrichtungen ihre Reichweite, die Auflösung und das Sichtfeld (Field of View (FoV)) wichtige Parameter, die deren Leistungsfähigkeit beschreiben. Speziell die Reichweite hängt unter anderem auch von der Leistung des emittierten Laserlichts ab. Je höher diese Leistung, desto größer die mögliche Reichweite. Allerdings müssen LIDAR-Vorrichtungen als sichere Produkte entwickelt werden. Dafür müssen die Detektoren augensicher sein. Um die Detektoren augensicher zu machen, muss wiederum die Leistung des emittierten Laserlichts begrenzt werden. Hierdurch ist dann aber wiederum die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung beschränkt. Dabei ist die Reichweite einer LIDAR-Vorrichtung unter anderem dadurch begrenzt, dass bei zunehmender Distanz zum Objekt immer weniger Photonen des Laserlichts zum Detektor zurück gelangen. Dies ist in der Absorption oder Streuung des emittierten Laserlichts begründet. Damit ist der Nachweis von reflektiertem Laserlicht beziehungsweise eine Auswertung des hierdurch erzeugten Signals im Detektor ab einer bestimmten Entfernung zum Objekt nicht mehr möglich. Durch Erhöhen der Leistung des emittierten Laserlichts kann dann zwar die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung vergrößert werden. Dem sind allerdings durch die Notwendigkeit zur Gewährleistung der Augensicherheit insbesondere bei Wellenlängen unterhalb von 1,4 µm Grenzen gesetzt. Bei solchen Wellenlängen durchdringt das Laserlicht die Hornhaut und Linse des menschlichen Auges und kann auf die empfindliche Netzhaut gebündelt werden. Durch diese Bündelung mittels der Augenlinse kann die Leistungsdichte um bis zu einen Faktor 80.000 erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird eine LIDAR-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei in dem Emissionspfad mindestens ein erstes Axicon zur Erzeugung eines ringförmigen Laserlichtprofils aus dem emittierten Laserlicht angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße LIDAR-Vorrichtung hat den Vorteil, dass sich mithilfe des ersten Axicons im Nahfeld des ersten Axicons aufgrund von Beugungseffekten Bessel-ähnliches Laserlicht erzeugen lässt. Dieses hat die Eigenschaft, dass sein Intensitätsprofil entlang einer charakteristischen Länge konstant bleibt. In einem Fernfeld des ersten Axicons wird das emittierte Laserlicht in ein ringförmiges Laserlichtprofil transformiert. Das Nahfeld des ersten Axicons wird mittels einer charakteristischen Länge in Propagationsrichtung des Laserlichts hinter dem ersten Axicon von dem Fernfeld des ersten Axicons getrennt. Jenseits dieser charakteristischen Länge in Propagationsrichtung des Laserlichts beginnt das Fernfeld; diesseits der charakteristischen Länge befindet sich das Nahfeld. Diese charakteristische Länge des ersten Axicons kann durch Auswahl eines bestimmten Axiconwinkels eingestellt werden. Das somit durch das erste Axicon erzeugte ringförmige Laserlichtprofil wirkt sich positiv auf die Augensicherheit aus. Die Intensität des emittierten Laserlichts ist nicht auf einen Punkt fokussiert, sondern über das ringförmige Laserlichtprofil verteilt. In der Augensicherheit muss von einer maximal geöffneten menschlichen Pupille von 7 mm Durchmesser ausgegangen werden. Bei Laserlicht ergibt sich die maximale eingefangene Energie, wenn die Pupille mittig gegenüber dem Laserlicht liegt und das Laserlicht zum Beispiel ein TopHat- oder Gauß-Profil hat. Bei einem ringförmigen Laserlichtprofil hingegen wird der Anteil, der durch die Pupille eingegangenen Leistung geringer sein. Somit wirkt sich die extraokulare (Betrachtung der emittierten Leistung des gesamten Laserlichts in Relation zum Laserlicht, das ins Auge gelangt) Aufweitung des Laserlichts in Form eines ringförmigen Laserlichtprofils positiv auf die zulässige Leistung des Laserlichts aus. Aus der damit erhöhten Leistung folgt eine bessere Reichweite der LIDAR-Vorrichtung. Auch falls die erhöhte bessere Leistung nicht direkt genutzt wird, kann sie beispielsweise durch einen größeren Puffer vereinfachte Sicherheits- und Fehlererkennungsschaltungen ermöglichen.

Auch ist es möglich, dass in einem Fernfeld des ersten Axicons mindestens eines aus einer Linse, einem optischen holografischen Element oder einem zweiten Axicon zur Kollimation des ringförmigen Laserlichtprofils angeordnet ist.

Die Linse, das optische holografische Element oder das zweite Axicon dienen der Kollimation des (aufgeweiteten) ringförmigen Laserlichtprofils. Sie erzeugen aus dem (aufgeweiteten) ringförmigen Laserlichtprofil wiederum horizontal propagierendes Laserlicht. Auch können sie aber dazu dienen, eine gewünschte Divergenz einzustellen.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Linse, das optische holografische Element oder das zweite Axicon derartig im Fernfeld des ersten Axicons angeordnet, dass das ringförmige Laserlichtprofil in seiner Ausbreitungsrichtung hinter jeweils einer Austrittsapertur der Linse, des optischen holografischen Elements und des zweiten Axicons kollimiert wird.

Die Kollimation des ringförmigen Laserlichts jeweils nach einer Austrittsapertur der Linse, des optischen holografischen Elements oder des zweiten Axicons stellt einen praktisch bedeutsamen Spezialfall dar, in dem der Detektor der LIDAR-Vorrichtung auf einer kohärenten Detektion des reflektierten Laserlichts basiert. Dies ist insbesondere bei einer LIDAR-Vorrichtung vom FMCW-Typ der Fall.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass in dem Emissionspfad mindestens ein optisches Element zur Erzeugung eines bahndrehimpulsbehafteten Laserlichtprofils aus dem emittierten Laserlicht angeordnet ist.

Neben der Erzeugung eines ringförmigen Laserlichtprofils ist damit ein zweiter Aspekt angesprochen, der sich positiv auf die Augensicherheit auswirkt. Dieser besteht darin, ein bahndrehimpulsbehaftetes Laserlichtprofil zu erzeugen. Damit kann das Laserlicht, das durch die Augenlinse auf die Netzhaut abgebildet wird, auf dieser möglichst großflächig verteilt werden, damit die Leistungsdichte (W/m²) möglichst gering ist. Damit wird sich die Netzhaut weniger thermisch erhitzen beziehungsweise die geringere Leistung oder Energie pro Fläche nicht zu einer Blasenbildung führen, falls man sich bei den Parametern des Laserlichts im thermomechanischen Schädigungsbereich befindet. Diese intraokulare (Betrachtung des ins Auge fallenden Laserlichts hinsichtlich des Profils des Laserlichts, welches auf der Netzhaut erzeugt wird) Aufweitung führt dann bei der Bewertung der Augensicherheit zu einer größeren Winkelausdehnung der scheinbaren Quelle und daraus abgeleitet zu einem größeren Korrekturfaktor C6, welcher wiederum linear die Grenzwerte (GZS - Grenzwerte zugänglicher Strahlung) erhöht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das bahndrehimpulsbehaftete Laserlichtprofil Laguerre-Gauß-Laserlicht oder Hermite-Gauß-Laserlicht aufweist.

Damit das ins Auge fallende Laserlicht nicht auf einen Punkt abgebildet wird, kann beispielsweise Laguerre-Gauß-Laserlicht oder Hermite-Gauß-Laserlicht genutzt werden. Der Vorteil dabei ist, dass sich die Leistung auf eine größere Fläche auf der Netzhaut verteilen kann und somit lokal die Schädigungsschwelle des Gewebes erst bei größeren Gesamtleistungen erreicht werden kann als bei einem Gauß-Laserlicht. Besonders vorteilhaft ist dabei Laguerre-Gauß-Laserlicht (I≠0, p=0), weil sich das Intensitätsmuster als I-homogene Ringe ausprägt. Es wird in diesem Zusammenhang auch von orbital angular momentum (oam) des Lichts gesprochen. Es kann eine abschnittsweise Veränderung der Phase des Laserlichts hervorgerufen werden, wodurch ein ineinander verschachteltes Ringprofil entsteht.

Nicht zuletzt ist von Vorteil, dass das optische Element als ein diffraktives optisches Element oder ein Hologramm, vorzugsweise ein Pitchfork-Hologramm, ausgebildet ist.

Diese optischen Elemente sind preisgünstig zu fertigen. Insbesondere die Pitchfork-Hologramme sind dabei bevorzugt, da sie in der Beugungsordnung reines Laguerre-Gauß-Laserlicht erzeugen, während unvollständig konvertierte Laserlichtanteile (ebene Wellen) in nullter Ordnung transmittiert und mit einer Strahlfalle abgefangen werden können. Besonders sicher sind sie, weil sie bei Beschädigung überhaupt kein Laserlicht mehr in Beugungsrichtung erzeugen. Es ist möglich, durch Überlagerung einer Fresnel-Linse mit dem gleichen Bauelement auch zu fokussieren.

Schließlich ist von Vorteil, dass das optische Element als mindestens eine Spiral-Phase-Plate oder Vortex-Linse ausgebildet ist.

Diese optischen Elemente sind kommerziell erhältlich und bieten je nach Qualität sehr hohe Konversionseffizienz. Andere Möglichkeiten, ein optisches Element vorzusehen, sind zum Beispiel Kombinationen aus Zylinderlinsen, Spatial Light Modulators, Q-Plates oder andere speziell geformte Bauteile.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

• 1 eine schematische Darstellung eines Axicons nach dem Stand der Technik;
• 2 eine schematische Darstellung eines über eine kreisförmige Fläche verteilten Laserlichtprofils (emittiertes Laserlicht) und eines ringförmigen Laserlichtprofils mit einer menschlichen Pupille;
• 3 eine schematische Darstellung eines ersten Axicons und eines zweiten Axicons zur Kollimation des ringförmigen Laserlichtprofils; und
• 4 eine schematische Darstellung eines ringförmigen Laserlichtprofils in Kombination mit einem bahndrehimpulsbehafteten Laserlichtprofil.

1 zeigt ein erstes Axicon 1 mit einem Axiconwinkel 2. Emittiertes Laserlicht 3 fällt auf das erste Axicon 1 ein und wird in ein ringförmiges Laserlichtprofil 4 aufgeweitet. Darin bestimmt eine erste charakteristische Länge 5 das Nahfeld des ersten Axicons 1; eine zweite charakteristische Länge 6 bestimmt dessen Fernfeld. Diese charakteristischen Längen 5, 6 können durch die Wahl des Axiconwinkels 2 beeinflusst werden. Ein derartiges erstes Axicon 1 kann beispielsweise in einem Emissionspfad einer LIDAR-Vorrichtung angeordnet werden. Eine solche Maßnahme stellt eine LIDAR-Vorrichtung bereit, die mit einer höheren Leistung betrieben werden kann, da sich die Aufweitung des Laserlichts 3 in ein ringförmiges Laserlichtprofil 4 positiv auf die Augensicherheit eines Benutzers der LIDAR-Vorrichtung auswirkt.

Dies ist insbesondere in 2 dargestellt. Linkerhand ist hier die örtliche Intensitätsverteilung eines emittierten Laserlichts 3 ohne Verwendung eines ersten Axicons 1 dargestellt. Die maximale eingefangene Energie bei einem Laserlicht 3 ergibt sich, wenn die Pupille 7 mittig in dem Laserlicht 3 liegt und das Laserlicht 3 beispielsweise ein TopHat- oder Gaußprofil hat. Rechterhand ist hier die örtliche Intensitätsverteilung eines ringförmigen Laserlichtprofils 4 dargestellt, das mittels eines ersten Axicons 1 erzeugt wurde.

Es ist deutlich zu erkennen, dass der Anteil des durch eine menschliche Pupille 7 eingefangenen Laserlichts 3, 4 bei Verwendung eines ersten Axicons 1 zur Aufweitung des emittierten Laserlichts 3 deutlich reduziert ist. Die extraokulare Aufweitung des Laserlichts 3 zu einem ringförmigen Laserlichtprofil 4 wirkt sich mithin positiv auf die zulässige Leistung aus. Es ist eine erhöhte Leistung ohne erhöhte Augengefährdung möglich; es resultiert eine bessere Reichweite der LIDAR-Vorrichtung, in der das erste Axicon 1 im Emissionspfad angeordnet ist.

Es kann in einer LIDAR-Vorrichtung unter Umständen notwendig sein, das erzeugte ringförmige Laserlichtprofil 4 zu kollimieren beziehungsweise eine gewünschte Divergenz einzustellen. Dies kann insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn der Detektor einer LIDAR-Vorrichtung auf kohärenter Detektion beruht, wie dies zum Beispiel bei LIDAR-Vorrichtungen vom FMCW-Typ der Fall ist. Diese Kollimation kann durch die Verwendung eines zweiten Axicons 8 erreicht werden. Dies ist in 3 dargestellt. Es wird ein kollimiertes ringförmiges Laserlichtprofil 9 erzeugt. Durch das erste Axicon 1 wird dabei das ringförmige Laserlichtprofil 4 im Fernfeld erzeugt; durch das zweite Axicon 8 lassen sich sodann beliebige Ringdurchmesser einstellen. Dies kann durch Variation der Anordnung des zweiten Axicons 8 auf der optischen Achse erfolgen.

Schließlich ist es zur noch weiteren Erhöhung der Augensicherheit möglich, die Leistung des ringförmigen Laserlichtprofils 4 auf eine größere Fläche auf der Netzhaut der Pupille 7 zu verteilen und somit lokal die Schädigungsschwelle des Gewebes erst bei größeren Gesamtleistungen zu erreichen als bei einem Gauß-Laserlicht. Dieser Vorteil wird erreicht durch Erzeugung von Laguerre-Gauß-Laserlicht oder Hermite-Gauß-Laserlicht. Dabei ist Laguerre-Gauß-Laserlicht (I≠ 0, p = 0) besonders vorteilhaft, weil sich das Intensitätsmuster als I-homogene Ringe ausprägt. In diesem Zusammenhang wird von orbital angular momentum of light gesprochen. Die Bündelung eines derartigen Laguerre-Gauß-Laserlichts bildet auf der Netzhaut einen Ring und keinen Punkt, der bei einem Gauß-Laserlicht entstünde.

4 zeigt ein ringförmiges Laserlichtprofil 4 mit einem Laguerre-Gauß-Laserlicht erster Ordnung, dessen Phasenfronten azimutal variiert sind und bei Bündelung den Ring bilden. Es wird ein bahndrehimpulsbehaftetes Laserlichtprofil 10 erzeugt.