DE102019216812A1

DE102019216812A1 - Receiver unit, LiDAR system and working device

Info

Publication number: DE102019216812A1
Application number: DE102019216812.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Mauch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Empfängereinheit (30), insbesondere für ein LiDAR-System (1), zum Empfangen und Nachweisen von Sekundärlicht (58) aus einem Sichtfeld (50) zur Umfeldüberwachung, welche eine Detektoranordnung (20) zum Nachweisen des Sekundärlichts (58) und eine Primäroptik (34) zum primären Empfangen des Sekundärlichts (58) aus dem Sichtfeld (50) und zum optischen Abbilden des Sekundärlichts (58) auf die Detektoranordnung (20) aufweist und bei welcher eine plenoptische Einheit (36) zum unmittelbaren optischen Abbilden des Sekundärlichts (58) auf die Detektoranordnung (20) ausgebildet ist.The present invention relates to a receiver unit (30), in particular for a LiDAR system (1), for receiving and detecting secondary light (58) from a field of view (50) for monitoring the surroundings, which has a detector arrangement (20) for detecting the secondary light (58). and a primary optics (34) for the primary reception of the secondary light (58) from the field of view (50) and for the optical imaging of the secondary light (58) onto the detector arrangement (20) and in which a plenoptical unit (36) for the direct optical imaging of the Secondary light (58) is formed on the detector arrangement (20).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Empfängereinheit, insbesondere für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.The present invention relates to a receiver unit, in particular for a LiDAR system, a LiDAR system as such, and a working device and in particular a vehicle.

Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme (LiDAR: Light Detection and Ranging) eingesetzt, welche ausgebildet sind, ein Sichtfeld mit Licht oder Infrarotstrahlung zu beaufschlagen und von dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten.So-called LiDAR systems (LiDAR: Light Detection and Ranging), which are designed to apply light or infrared radiation to a field of vision, and radiation reflected back from the field of vision for analysis of the field of vision and for detection, are increasingly being used to recognize the surroundings of work devices and, in particular, vehicles to record and evaluate objects contained therein.

Es wäre wünschenswert, bei LiDAR-Systemen mit einfachen Mitteln und ohne hohen apparativen oder betriebsmäßigen Aufwand eine lichtstarke und hochauflösende Empfängereinheit oder Empfängeroptik für eine verbesserte und flexiblere Erfassung eines zu überwachenden Sichtfeldes zu schaffen.It would be desirable in LiDAR systems to create a bright and high-resolution receiver unit or receiver optics for improved and more flexible detection of a field of view to be monitored with simple means and without high equipment or operational expenditure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Empfängereinheit weist den Vorteil auf, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein hinsichtlich Lichtstärke und Auflösung verbessertes Erfassen eines Sichtfeldes möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Empfängereinheit oder Empfängeroptik geschaffen wird, insbesondere für ein LiDAR-System, (i) welche zum Empfangen und Nachweisen von Sekundärlicht aus einem Sichtfeld zur Umfeldüberwachung ausgebildet und eingerichtet ist, (ii) welche eine Detektoranordnung zum Nachweisen des Sekundärlichts und eine Primäroptik zum primären Empfangen des Sekundärlichts aus dem Sichtfeld und zum optischen Abbilden des Sekundärlichts auf die Detektoranordnung aufweist und (iii) bei welcher eine plenoptische Einheit zum mittelbaren oder unmittelbaren optischen Abbilden des Sekundärlichts auf die Detektoranordnung ausgebildet ist.The receiver unit according to the invention has the advantage that, with comparatively simple means, it is possible to detect a field of view that is improved in terms of light intensity and resolution. This is achieved according to the invention in that a receiver unit or receiver optics is created, in particular for a LiDAR system, (i) which is designed and set up for receiving and detecting secondary light from a field of view for monitoring the surroundings, (ii) which has a detector arrangement for detecting the Secondary light and a primary optics for the primary reception of the secondary light from the field of view and for the optical imaging of the secondary light on the detector arrangement and (iii) in which a plenoptical unit is designed for the direct or indirect optical imaging of the secondary light on the detector arrangement.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.

Für eine besonders zuverlässige Erfassung des zu überwachenden Umfeldes ist es jedoch gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Empfängereinheit besonders vorteilhaft, wenn die Detektoranordnung oder ein Teil der Detektoranordnung in einer Brennebene der plenoptischen Einheit oder eines Teils der plenoptischen Einheit angeordnet ist.For a particularly reliable detection of the environment to be monitored, however, according to a preferred embodiment of the receiver unit according to the invention, it is particularly advantageous if the detector arrangement or a part of the detector arrangement is arranged in a focal plane of the plenoptical unit or a part of the plenoptical unit.

Gemäß einer alternativen Sichtweise des erfindungsgemäßen Vorgehens kann oder können die plenoptische Einheit oder ein Teil der plenoptischen Einheit auf die Detektoranordnung oder auf einen Teil der Detektoranordnung fokussiert oder fokussierbar ausgebildet sein oder werden.According to an alternative view of the procedure according to the invention, the plen-optical unit or a part of the plen-optical unit can be designed to be focused or focusable on the detector arrangement or on a part of the detector arrangement.

Die plenoptische Einheit kann hinsichtlich ihrer einzelnen optischen Komponenten und ihrer Abbildungseigenschaften verschieden ausgestaltet sein.The plenoptical unit can be designed differently with regard to its individual optical components and its imaging properties.

So ist es gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Empfängereinheit denkbar, dass die plenoptische Einheit oder ein Teil der plenoptischen Einheit als die Primäroptik und/oder als Objektiv oder als Teil der Primäroptik und/oder des Objektivs ausgebildet ist oder wird. Das bedeutet insbesondere, dass ein herkömmliches Objektiv bei einem LiDAR-System als solches durch eine Plenoptik ersetzt oder eben ergänzt werden kann.According to an exemplary embodiment of the receiver unit according to the invention, it is conceivable that the plenoptic unit or part of the plenoptic unit is or will be designed as the primary optics and / or as an objective or as part of the primary optics and / or the objective. This means in particular that a conventional lens in a LiDAR system as such can be replaced or even supplemented by a plenic lens.

Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Plenoptik, aufgefasst als plenoptische Einheit, separat zu einem vorhandenen oder modifizierten Objektiv oder separat zu einer vorhandenen oder modifizierten Primäroptik ausgebildet ist oder wird.As an alternative to this, it is conceivable that the plenoptic, conceived as a plenoptic unit, is or will be designed separately from an existing or modified objective or separately from an existing or modified primary optic.

So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die plenoptische Einheit oder ein Teil der plenoptischen Einheit als eine im Strahlengang der Primäroptik und insbesondere einem Objektiv nachgeschaltete Sekundäroptik oder als Teil einer nachgeschalteten Sekundäroptik ausgebildet ist oder wird.Thus, according to another preferred embodiment of the present invention, it is conceivable that the plenoptic unit or part of the plenoptic unit is or will be designed as a secondary optics downstream in the beam path of the primary optics and in particular an objective or as part of a downstream secondary optics.

Insbesondere kann die Primäroptik zum Parallelisieren einfallenden Sekundärlichts ausgebildet sein oder werden, insbesondere als ein oder nach Art eines Galileifernrohrs.In particular, the primary optics can be or will be designed for parallelizing incident secondary light, in particular as a or in the manner of a Galileo telescope.

In vorteilhafter Weise kann die plenoptische Einheit als eine oder mit einer Multilinsenanordnung und/oder als eine oder mit einer Mikrolinsenanordnung jeweils mit einer Mehrzahl von Einzellinsen ausgebildet sein oder werden.In an advantageous manner, the plenoptic unit can be designed as one or with a multi-lens arrangement and / or as one or with a microlens arrangement, each with a plurality of individual lenses.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Anordnung mit plenoptischer Einheit, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Empfängereinheit die Detektoranordnung eine Mehrzahl von Detektorelementen aufweist, welche insbesondere als SPAD-Elemente ausgebildet sind.The arrangement with a plenoptic unit proves to be particularly advantageous if, according to another exemplary embodiment of the receiver unit according to the invention, the detector arrangement has a plurality of detector elements which are in particular designed as SPAD elements.

Besondere Vorteile entfalten sich bei der erfindungsgemäßen Empfängereinheit dann, wenn diese mit einer 1-zu-1-Zuordnung zwischen Einzellinsen der plenoptischen Einheit einerseits und einzelnen Detektorelementen der Detektoranordnung als Mikropixel andererseits ausgebildet ist.The receiver unit according to the invention has particular advantages when it has a 1-to-1 assignment between individual lenses of the plenoptic unit on the one hand and individual detector elements of the detector arrangement is formed as micropixels on the other hand.

Eine derartige 1-zu-1-Zuordnung kann durch verschiedene technische Maßnahmen realisiert sein oder werden, insbesondere jedoch durch eine entsprechend gestaltete optische Abbildung durch die Einzellinsen der plenoptischen Einheit auf die einzelnen Detektorelemente der Detektoranordnung und/oder durch eine entsprechende Positionierung, Ausrichtung und/oder Orientierung der Einzellinsen der plenoptischen Einheit und/oder der Detektorelemente der Detektoranordnung im Verhältnis zueinander.Such a 1-to-1 assignment can be or will be implemented by various technical measures, but in particular by appropriately designed optical imaging by the individual lenses of the plenoptic unit onto the individual detector elements of the detector arrangement and / or by appropriate positioning, alignment and / or orientation of the individual lenses of the plenoptic unit and / or of the detector elements of the detector arrangement in relation to one another.

Weiterhin ist von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer anderen Fortbildung der erfindungsgemäßen Empfängereinheit Detektorelemente und insbesondere sämtliche Detektorelemente der Detektoranordnung als Mikropixel fungieren und/oder Gruppen von Detektorelementen der Detektoranordnung zu Makropixeln organisiert und/oder verschaltet sind.Furthermore, it is particularly advantageous if, according to another development of the receiver unit according to the invention, detector elements and in particular all detector elements of the detector arrangement function as micropixels and / or groups of detector elements of the detector arrangement are organized and / or interconnected to form macropixels.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein LiDAR-System als solches, welches mit einer Senderoptik zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung und mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Empfängereinheit zum Empfangen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld ausgebildet ist.Furthermore, the present invention also relates to a LiDAR system as such, which is designed with transmitter optics for generating and emitting primary light into a field of view for illuminating it and with a receiver unit designed according to the invention for receiving secondary light from the field of view.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch einer Arbeitsvorrichtung, welche mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten ausgebildet ist und welche selbst als Fahrzeug ausgebildet sein kann.Furthermore, the present invention also relates to a working device which is designed with a device designed according to the invention and which can itself be designed as a vehicle.

FigurenlisteFigure list

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

1 zeigt nach Art einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-Systems unter Verwendung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Empfängereinheit.
2 und 3 zeigen nach Art teilweise geschnittener Seitenansichten Aspekte eines herkömmlichen LiDAR-Systems und einer herkömmlichen Empfängereinheit.

Embodiments of the invention are described in detail with reference to the accompanying figures.

1 shows, in the manner of a partially sectioned side view, an embodiment of a LiDAR system designed according to the invention using a receiver unit designed according to the invention.
2 and 3 show, in the manner of partially sectioned side views, aspects of a conventional LiDAR system and a conventional receiver unit.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.With reference to the 1 to 3 Embodiments of the invention and the technical background described in detail. Identical and equivalent as well as identically or equivalent-acting elements and components are denoted by the same reference symbols. The detailed description of the designated elements and components is not given in every case of their occurrence.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The features and further properties shown can be isolated from one another in any desired form and combined with one another as desired without departing from the essence of the invention.

Für autonom fahrende Fahrzeuge und dergleichen werden bei der Anwendung von LiDAR-Systemen 1 LiDAR-Sensoren gefordert, die über ein begrenztes Sehfeld 50 eine hohe Winkelauflösung besitzen.For autonomously driving vehicles and the like, the use of LiDAR systems 1 requires LiDAR sensors that cover a limited field of view 50 have a high angular resolution.

Für LiDAR-Systeme 1 und LiDAR-Sensoren vorgeschlagene Detektoren oder Detektoranordnungen 20 auf Basis von SPAD-Arrays oder Siliziumphotoelektronenvervielfachern sind darauf angewiesen, mehrere und von einzelnen Detektorelementen 22 in Form von SPAD-Elementen gebildete Einzelpixel, aufgefasst als Mikropixel 21, zu - insbesondere vergleichsweise großen - Makropixeln 23 zu verschalten, um insbesondere trotz der Einzelphotonsättigung der einzelnen SPAD-Elemente der Mikropixel 21 ein Erfassen des Umfelds 50 zum Beispiel auch beim Vorhandensein von Streulicht zu ermöglichen.Detectors or detector arrangements proposed for LiDAR systems 1 and LiDAR sensors 20th based on SPAD arrays or silicon photoelectron multipliers are dependent on several and from individual detector elements 22nd Individual pixels formed in the form of SPAD elements, understood as micropixels 21st , to - especially comparatively large - macro pixels 23 to interconnect, in particular despite the single photon saturation of the individual SPAD elements of the micropixels 21st an understanding of the environment 50 for example, to enable it even in the presence of scattered light.

Durch den im Vergleich zu Standardpixeln komplexeren Aufbau von SPAD-Pixeln sind schon die einzelnen SPAD-Pixel - aufgefasst als Mikropixel 21 - vergleichsweise groß. Die aus mehreren Mikropixeln 21 zusammengesetzten Makropixel 23 erreichen je nach Anzahl der Mikropixel 21 Größen im Bereich mehrerer 10 µm bis 100 µm Kantenlänge. Diese Größe bedingt jedoch bei herkömmlichen Objektiven oder herkömmlichen Primäroptiken 34' die für eine gegebene Winkelauflösung nötige Brennweite.Due to the more complex structure of SPAD pixels compared to standard pixels, the individual SPAD pixels are already understood as micropixels 21st - comparatively large. The one made up of several micropixels 21st composite macropixels 23 reach depending on the number of micropixels 21st Sizes in the range of several 10 µm to 100 µm edge length. However, this size is required for conventional lenses or conventional primary optics 34 ' the focal length required for a given angular resolution.

1 zeigt in diesem Zusammenhang und nach Art einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Empfängereinheit 30 oder Empfängeroptik. 1 In this context, and in the manner of a partially sectioned side view, shows an embodiment of a LiDAR system 1 configured according to the invention using a receiver unit configured according to the invention 30th or receiver optics.

Dabei erstreckt sich der optische Pfad des LiDAR-Systems 1 entlang der x-Richtung, die Ansicht in 1 ist also eine Draufsicht entgegen der z-Richtung und also auf die xy-Ebene.The optical path of the LiDAR system 1 extends along the x direction, the view in FIG 1 is therefore a plan view against the z-direction and thus on the xy-plane.

Das erfindungsgemäße LiDAR-System 1 besteht grundsätzlich aus einer Sendereinheit oder Senderoptik, die in 1 nicht dargestellt ist, die jedoch eingerichtet ist, Primärlicht 57 in ein Sichtfeld 50 mit einem in einer Szene 53 enthaltenen Objekt 52 auszusenden.The LiDAR system 1 according to the invention basically consists of a transmitter unit or transmitter optics, which in 1 is not shown, but which is set up to use primary light 57 in a field of view 50 with one in a scene 53 contained object 52 to send out.

Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 eine Empfängereinheit 30 mit einer Detektoreinheit 20 auf. Eine Primäroptik 34 der Empfängereinheit 30 mit einem Objektiv 34-1 ist dazu eingerichtet, aus dem Sichtfeld 50 stammendes Sekundärlicht 58 aufzunehmen und optisch auf Detektorelemente 22, welche als Mikropixel 21 fungieren und zum Beispiel als SPAD-Elemente ausgebildet sein können, abzubilden. Im Zusammenwirken mit einer nachgeschalteten Auswerteeinheit, die in 1 nicht dargestellt ist, erfolgt dann eine Bewertung des empfangenen Sekundärlichts 58 und somit die Erfassung der Szene 53 im Sichtfeld 50.Furthermore, the LiDAR system 1 has a receiver unit 30th with a detector unit 20th on. A primary optic 34 the receiving unit 30th with a lens 34-1 is set up to be out of sight 50 originating secondary light 58 record and optically on detector elements 22nd which as micropixels 21st function and can be designed as SPAD elements, for example. In cooperation with a downstream evaluation unit, which is included in 1 is not shown, the received secondary light is then evaluated 58 and thus the capture of the scene 53 in the field of vision 50 .

Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 ist der Primäroptik 34, welche von einem als Objektiv 34-1 fungierenden Galileifernrohr gebildet wird, erfindungsgemäß eine plenoptische Einheit 36, die auch als Plenoptik bezeichnet werden kann, als Sekundäroptik 35 nachgeschaltet. Die Plenoptik 36 nimmt das vom Objektiv 34-1 parallelisierte Sekundärlicht 58 auf und bildet es optisch auf die Detektoranordnung 20 mit der Mehrzahl von Mikropixeln 21 in Form von SPAD-Elementen 22 ab. Dabei sind die Mikropixel 21 und mithin die SPAD-Elemente 22 in vorteilhafter Weise zu Makropixeln 23 verschaltet.At the in 1 The illustrated embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention is the primary optics 34 which of one as a lens 34-1 functioning Galilei telescope is formed, according to the invention a plenoptic unit 36 , which can also be referred to as plen optics, as secondary optics 35 downstream. The plenary optics 36 takes that off the lens 34-1 parallelized secondary light 58 and forms it optically on the detector arrangement 20th with the majority of micropixels 21st in the form of SPAD elements 22nd from. Here are the micropixels 21st and therefore the SPAD elements 22nd advantageously to macropixels 23 interconnected.

Für eine geeignete optische Abbildung ist die Detektoranordnung 20 mit der Mehrzahl von Mikropixeln 21 im Abstand der einfachen Brennweite f₃ der Plenoptik 36 von der Plenoptik 36 angeordnet.The detector arrangement is necessary for a suitable optical imaging 20th with the majority of micropixels 21st at a distance of the single focal length f _{3 of} the plenic optics 36 from the plenary optics 36 arranged.

Die Plenoptik 36 selbst besteht dabei aus einer Mehrzahl von Einzellinsen 38, zum Beispiel nach Art einer Multilinsenanordnung oder Mikrolinsenanordnung, wobei durch Ausgestaltung der Mikrolinsenanordnung oder Multilinsenanordnung 37 mit den Einzellinsen 38 einerseits, durch Ausgestaltung der Detektoranordnung 20 mit den einzelnen Detektorelementen 22, als Mikropixel 21 andererseits und deren gegenseitige Anordnung und Orientierung insbesondere in vorteilhafter Weise eine 1-zu-1-Zuordnung zwischen Einzellinsen 38 und einzelnen SPAD-Elementen 22 oder Detektorelementen oder Mikropixeln 21 allgemein durch optisches Abbilden erfolgt.The plenary optics 36 itself consists of a plurality of individual lenses 38 , for example in the manner of a multi-lens arrangement or microlens arrangement, whereby by design of the microlens arrangement or multi-lens arrangement 37 with the single lenses 38 on the one hand, by designing the detector arrangement 20th with the individual detector elements 22nd , as micropixels 21st on the other hand, and their mutual arrangement and orientation, particularly advantageously a 1-to-1 assignment between individual lenses 38 and individual SPAD elements 22nd or detector elements or micropixels 21st generally done by optical imaging.

Insbesondere wird erfindungsgemäß mit der Plenoptik durch eine jeweilige Mikrolinse ein komplettes Bild der Szene 53 erzeugt und abgebildet.In particular, according to the invention, a complete image of the scene is created with the plenic optics through a respective microlens 53 generated and mapped.

Dabei ist ein Mikropixel jeweils einem Beobachtungswinkel zugeordnet.One micropixel is assigned to an observation angle.

Durch Parallelisierung mit mehreren Mikrolinsen im Fall einer Plenoptik und insbesondere eines plenoptischen Objektivs werden dann unter Verwendung eines SPAD-Lidar-Detektors mehrere Mikropixel einem Beobachtungswinkel zugeordnet.By parallelization with several microlenses in the case of a plenoptic and in particular a plenoptic objective, several micropixels are then assigned to an observation angle using a SPAD lidar detector.

Im Vergleich dazu zeigen die 2 und 3 nach Art teilweise geschnittener Seitenansichten Aspekte eines herkömmlichen LiDAR-Systems 1' und einer herkömmlichen Empfängereinheit 30'.In comparison, the 2 and 3 in the manner of partially sectioned side views, aspects of a conventional LiDAR system 1 'and a conventional receiver unit 30 ' .

Im Unterschied zum erfindungsgemäßen LiDAR-System 1, zu Beispiel gemäß 1, erfolgt das optische Abbilden auf die Detektoranordnung 20 ohne Verwendung einer Plenoptik 36, sondern insbesondere in direkter Art und Weise, wie dies in 2 dargestellt ist.In contrast to the LiDAR system 1 according to the invention, for example according to 1 , the optical imaging takes place on the detector arrangement 20th without using a plenic lens 36 , but especially in a direct way, as shown in 2 is shown.

Aus der Anordnung für ein herkömmliches LiDAR-System 1' gemäß 2 ist folgender Zusammenhang zwischen Winkelauflösung α, Brennweite f und Makropixelkantenlänge x ableitbar: $f = x/tan (α) .$

From the arrangement for a conventional LiDAR system 1 'according to FIG 2 the following relationship between angular resolution α, focal length f and macropixel edge length x can be derived:

f = x / tan (α) .

Eine zweite Anforderung an Abbildungsobjektive für LiDAR-Systeme und Sensoren besteht darin, über eine möglichst große Apertur möglichst viele zurückgestreute Photonen einzusammeln.A second requirement for imaging lenses for LiDAR systems and sensors is to collect as many backscattered photons as possible over the largest possible aperture.

Das Verhältnis von Brennweite f zu Aperturdurchmesser D wird in der abbildenden Optik oft als Blendenzahl bezeichnet. Dabei bedingen kleine Blendenzahlen im Allgemeinen einen größeren Aufwand, um eine gegebene Abbildungsqualität zu erreichen.The ratio of focal length f to aperture diameter D is often referred to as the f-number in imaging optics. Small f-stops generally require greater effort in order to achieve a given image quality.

3 veranschaulicht den Umstand, dass herkömmlicherweise letztlich der Effekt der Totalreflektion an den Linsenoberflächen die realisierbare Aperturgröße bei gegebener Brennweite auf eine Blendenzahl von etwa 1 begrenzt ist, wie dies im Zusammenhang mit den total reflektierten Strahlen 58' des Sekundärlichts 58 in 3 veranschaulicht ist. 3 illustrates the fact that conventionally ultimately the effect of total reflection on the lens surfaces, the realizable aperture size for a given focal length is limited to a f-number of approximately 1, as is the case with the totally reflected rays 58 ' of secondary light 58 in 3 is illustrated.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, kompakte und gleichzeitig lichtstarke und hochauflösende abbildende Anordnung für eine Optik, Primäroptik 34 oder für ein Objektiv 34-1 für ein LiDAR-System 1 und für LiDAR-Sensoren zu schaffen, insbesondere bei oder mit unterteilten Detektorpixeln, also Makropixeln 23, die aus mehreren Mikropixeln 21 mit oder aus SPAD-Elementen 22 bestehen.It is an object of the present invention to provide a simple, compact and at the same time bright and high-resolution imaging arrangement for an optical system, primary optical system 34 or for a lens 34-1 for a LiDAR system 1 and for LiDAR sensors, in particular with or with subdivided detector pixels, that is to say macro pixels 23 made up of several micropixels 21st with or from SPAD elements 22nd consist.

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, nicht ein großes Bild mit großen Pixeln, sondern stattdessen viele kleine parallele Abbildungen auf die kleineren Mikropixel 21 zu erzeugen.A core idea of the present invention is not one large image with large pixels, but instead many small parallel images on the smaller micropixels 21st to create.

Sogenannte plenoptische Kameras - insbesondere die fokussierten plenoptischen Kameras - arbeiten und wirken nach diesem Prinzip und bringen verschiedene Vorteile im Hinblick auf Abbildungsqualität und optisches Design von Abbildungsobjektiven mit sich.So-called plenoptic cameras - in particular the focused plenoptic cameras - work and act according to this principle and bring various advantages with regard to image quality and the optical design of imaging lenses.

Diese Art der Abbildungsoptik fußt unter anderem darauf, dass mehrere Pixel oder Sensorelemente für einen Bildpunkt verwendet werden.This type of imaging optics is based, among other things, on the fact that several pixels or sensor elements are used for one image point.

Bei SPAD-basierten LiDAR-Systemen 1 und LiDAR-Sensoren ist es jedoch wegen des Sättigungsverhaltens von SPAD-Elementen 22 als Detektorelemente von Vorteil, wenn mehrere Mikropixel 21 für einen Bildpunkt, zum Beispiel aufgefasst als Makropixel 23, zusammengefasst werden, so dass sich die Eigenschaften plenoptischer Abbildungssysteme 36 gut in das erfindungsgemäße Konzept integrieren und sich nicht nachteilig bei der vorliegenden Erfindung auswirken.In the case of SPAD-based LiDAR systems 1 and LiDAR sensors, however, it is because of the saturation behavior of SPAD elements 22nd as detector elements advantageous if several micropixels 21st for a pixel, for example understood as a macropixel 23 , so that the properties of plenoptic imaging systems 36 integrate well into the inventive concept and do not have a detrimental effect on the present invention.

Wie oben bereits dargelegt wurde, zeigt 1 dazu schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine mögliche Implementierung als Teleobjektiv mit plenoptischer Abbildung.As stated above, shows 1 in addition, schematically in a sectional side view, a possible implementation as a telephoto lens with plenoptic imaging.

Zunächst wird bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein galileisches Teleskop 34-1 als Teil der Primäroptik 34 und insbesondere als Objektiv eingesetzt, um gleichzeitig die Feldwinkel zu verstärken und die Apertur auf die Größe des SPAD-Chips, aufgefasst als Detektoranordnung 20, zu verkleinern.First, in this embodiment of the present invention, a Galilean telescope is used 34-1 as part of the primary optics 34 and in particular used as an objective in order to simultaneously amplify the field angle and the aperture to the size of the SPAD chip, understood as a detector arrangement 20th to zoom out.

Durch eine fokussierte oder fokussierende plenoptische Einheit 36 als Sekundäroptik 35 werden dann mehrere kleine Bilder auf Mikropixeln 21 eines SPAD-Chips einer zu Grunde liegenden Detektoreinheit oder Detektoranordnung 20 erzeugt.Through a focused or focussing plenoptic unit 36 as secondary optics 35 are then several small images on micropixels 21st of a SPAD chip of an underlying detector unit or detector arrangement 20th generated.

Jeweils ein Mikropixel 21 eines solchen Mikrobildes trägt dann zu einem Makropixel 23 des Gesamtbilds bei.One micropixel each 21st such a microimage then contributes to a macropixel 23 of the overall picture.

Auf diese Weise wird die gesamte Baulänge des Objektivs 34-1 im Vergleich zu einem Standardobjektiv 34-1' - wie es in 2 gezeigt ist - reduziert.In this way, the entire length of the lens 34-1 compared to a standard lens 34-1 '- as it is in 2 is shown - reduced.

Die Winkelauflösung des Objektivs 34-1 wird durch die Kantenlänge x der Mikropixel 21 definiert und erlaubt nach Gleichung (1) kleinere Brennweiten.The angular resolution of the lens 34-1 is determined by the edge length x of the micropixels 21st defines and allows smaller focal lengths according to equation (1).

Gleichzeitig wird die Gesamtapertur mit Durchmesser D des Objektivs 34-1 im plenoptischen Abbildungsschritt auf viele parallele Abbildungskanäle aufgeteilt, die dadurch - jeder für sich betrachtet - deutlich kleinere Blendezahlen aufweisen. Dadurch kann im Vergleich zur herkömmlichen Anordnung gemäß 2 eine größere Gesamtapertur realisiert werden.At the same time, the total aperture becomes the diameter D of the objective 34-1 In the plenoptical imaging step, it is divided into many parallel imaging channels, which - viewed individually - therefore have significantly smaller f-numbers. As a result, compared to the conventional arrangement according to 2 a larger overall aperture can be realized.

Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung für alle abbildenden optischen Sensoren und insbesondere bei SPAD-basierten LiDAR-Systemen 1 eingesetzt werden.In principle, the present invention can be used for all imaging optical sensors and in particular for SPAD-based LiDAR systems 1.

Claims

Receiver unit (30), in particular for a LiDAR system (1), for receiving and detecting secondary light (58) from a field of view (50) for monitoring the surroundings, - which has a detector arrangement (20) for detecting the secondary light (58) and primary optics (34) for primarily receiving the secondary light (58) from the field of view (50) and for optically imaging the secondary light (58) onto the detector arrangement (20) and - In which a plenoptical unit (36) is designed for the optical imaging of the secondary light (58) onto the detector arrangement (20).

Receiver unit (30) according to Claim 1 in which: - the detector arrangement (20) or a part of the detector arrangement (20) is arranged in a focal plane of the plenoptical unit (36) or a part of the plenoptical unit (36) and / or - the plenoptical unit (36) or a Part of the plenoptic is designed to be focused or focusable on the detector arrangement (20) or on a part of the detector arrangement (20).

Receiver unit (30) according to one of the preceding claims, in which the plenoptical unit (36) or a part of the plenoptical unit (36) as the primary optics (34) and / or as an objective (34-1) or as part of the primary optics (34 ) and / or an objective (34-1) is formed.

Receiver unit (30) according to one of the preceding claims, in which: - The plenoptic unit (36) or a part of the plenoptic unit (36) is designed as a secondary optics (35) connected downstream in the beam path of the primary optics (34) and in particular an objective (34-1) or as part of a secondary optics (35) and /or - The primary optics (34) are designed for parallelizing incident secondary light (58), in particular as a or in the manner of a Galileo telescope.

Receiver unit (30) according to one of the preceding claims, in which the plenoptic unit (36) is designed as one or with a multi-lens arrangement (37) and / or as one or with a microlens arrangement and in particular each with a plurality of individual lenses (38).

Receiver unit (30) according to one of the preceding claims, in which the detector arrangement (20) has a plurality of detector elements (22) which are in particular designed as SPAD elements.

Receiver unit (30) according to Claim 5 and 6th , which with a 1-to-1 mapping between Individual lenses (38) of the plenoptic unit (36) on the one hand and individual detector elements (22) of the detector arrangement (20) are designed as micropixels on the other hand, in particular by optical imaging by the individual lenses (38) on the detector elements (22) and / or by positioning and / or orientation of the individual lenses (38) and / or the detector elements (20).

Receiver unit (30) according to one of the preceding claims, in which: - Detector elements (22) of the detector arrangement (20) function as micropixels (21) and / or - Detector elements (22) and / or groups of detector elements (20) of the detector arrangement are organized and / or interconnected to form macropixels (23).

LiDAR system (1), with: - a transmitter optics for generating and emitting primary light (57) in a field of view (50) for its illumination and - A receiver unit (30) for receiving secondary light (58) from the field of view (50), the receiver unit (30) being designed according to one of the preceding claims.

Working device, which with a LiDAR system (1) according to Claim 9 and is designed in particular as a vehicle.