DE102017209294A1 - lidar - Google Patents
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Abstract
Ein Lidarsensor umfasst eine mehrstrahlige Lichtquelle zum Aussenden von Lichtstrahlen; eine Empfangsoptik zum Sammeln einfallender Lichtstrahlen; einen Richtungsfilter; und einen Lichtdetektor mit wenigstens einem Sensor, der einer der Lichtquellen zugeordnet ist.A lidar sensor comprises a multi-beam light source for emitting light rays; a receiving optics for collecting incident light rays; a directional filter; and a light detector having at least one sensor associated with one of the light sources.
Description
Die Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen mehrstrahligen LiDAR-Sensor.The invention relates to a LiDAR sensor. In particular, the invention relates to a multi-beam LiDAR sensor.
Stand der TechnikState of the art
Ein LiDAR-Sensor umfasst eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und eine Verarbeitungseinrichtung. Die Lichtquelle sendet Licht in einen vorbestimmten räumlichen Bereich aus, wo ein Objekt das Licht in Richtung des Detektors reflektieren kann. Die Verarbeitungseinrichtung bestimmt einen Abstand zwischen dem LiDAR-Sensor und dem Objekt auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) oder auf der Basis eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Signals (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW). Ein einstrahliges System verwendet einen Laser als Lichtquelle, ein mehrstrahliges System umfasst eine Lichtquelle, die mehrere Laserstrahlen gleichzeitig aussendet.A LiDAR sensor includes a light source, a light detector, and a processing device. The light source emits light in a predetermined spatial area where an object can reflect the light toward the detector. The processing device determines a distance between the LiDAR sensor and the object on the basis of a signal propagation time (Time of Flight, TOF) or on the basis of a Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) signal. A single-beam system uses a laser as the light source, a multi-beam system includes a light source that emits multiple laser beams simultaneously.
Zur Abdeckung großer horizontaler Erfassungswinkel zwischen 150° und 360° wird im Allgemeinen ein mechanischer Laserscanner verwendet, bei dem die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen mittels eines beweglichen Spiegels verändert wird. Bei einem Drehspiegel-Laserscanner, dessen maximaler Erfassungswinkel auf etwa 150° beschränkt ist, dreht sich nur ein motorbetriebener Ablenkspiegel. Für größere Erfassungsbereiche bis zu 360° befinden sich alle elektrooptischen Komponenten des LiDAR-Sensors auf einem motorbetriebenen Drehteller oder Rotor.To cover large horizontal detection angles between 150 ° and 360 °, a mechanical laser scanner is generally used in which the propagation direction of the laser beams is changed by means of a movable mirror. In a rotating mirror laser scanner whose maximum detection angle is limited to about 150 °, only a motor-driven deflection mirror rotates. For larger detection ranges up to 360 °, all electro-optical components of the LiDAR sensor are mounted on a motor-driven turntable or rotor.
Zum Abbilden eines einfallenden Laserstrahls auf den Lichtdetektor werden typischerweise einfache Optiken mit wenigen Linsen verwendet, welche typischerweise eine ungenügende Abbildungseigenschaft besitzen, um auf der Detektorseite eine ausreichende Abbildung zu generieren. Außerdem ist die Apertur eines solchen Systems technisch und abbildungsbedingt begrenzt, weshalb eine Apertur von mehr als ca. 800 mm2 kaum erreichbar ist.For imaging an incident laser beam onto the light detector, simple optics with few lenses are typically used, which typically have insufficient imaging property to generate sufficient imaging on the detector side. In addition, the aperture of such a system is limited technically and due to the image, which is why an aperture of more than about 800 mm 2 is hardly achievable.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten LiDAR-Sensor anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.An object underlying the present invention is to provide an improved LiDAR sensor. The invention achieves this object by means of the subject matter of the independent claim. Subclaims give preferred embodiments again.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Ein LiDAR-Sensor umfasst eine mehrstrahlige Lichtquelle zum Aussenden von Lichtstrahlen; eine Empfangsoptik zum Sammeln einfallender Lichtstrahlen; einen Richtungsfilter; und einen Lichtdetektor mit wenigstens einem Sensor, der einer der Lichtquellen zugeordnet ist.A LiDAR sensor comprises a multi-beam light source for emitting light rays; a receiving optics for collecting incident light rays; a directional filter; and a light detector having at least one sensor associated with one of the light sources.
Üblicherweise umfasst der Lichtdetektor mehrere Sensoren, wobei jeder Sensor einer der Lichtquellen zugeordnet ist. Bevorzugt sind so viele Sensoren wie Lichtquellen vorgesehen. Die Zuordnung zwischen Sensoren und Lichtquellen kann bijektiv sein.Usually, the light detector comprises a plurality of sensors, each sensor being associated with one of the light sources. Preferably, as many sensors as light sources are provided. The association between sensors and light sources can be bijective.
Die Empfangsoptik kann insbesondere eine große Apertur aufweisen, um auch eine schwache Reflexion eines ausgesandten Lichtstrahls an einem Objekt zu empfangen und gebündelt auf den Lichtdetektor zu richten. Die Apertur kann in einem großen Bereich frei gewählt werden und insbesondere mehr als ca. 800 mm2 betragen. Dadurch kann die Empfangsoptik lichtstark ausgeführt sein, um auch eine schwache oder weit entfernte Reflektion eines Lichtstrahls noch sicher zu detektieren. Ein Erfassungsbereich kann dadurch vergrößert sein. Eine Genauigkeit des LiDAR-Sensors, insbesondere bezüglich seiner Abbildungsschärfe oder Auflösung, kann verbessert sein.In particular, the receiving optics may have a large aperture in order to also receive a weak reflection of an emitted light beam on an object and to focus it in a focused manner onto the light detector. The aperture can be chosen freely over a wide range and in particular more than about 800 mm 2 . As a result, the receiving optics can be designed to be bright, in order to reliably detect even a faint or distant reflection of a light beam. A detection range can thereby be increased. An accuracy of the LiDAR sensor, in particular with regard to its image sharpness or resolution, can be improved.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Empfangsoptik ein reflektives Element umfasst. Das reflektive Element kann insbesondere ein Spiegelsystem mit einem oder mehreren Spiegeln, ein Prisma oder ein anderes Element umfassen, bei dem eine Totalreflexion von Licht erfolgt. Insbesondere kann die Empfangsoptik eine gefaltete Optik (folded optics) umfassen, bei der ein Lichtstrahl derart abgelenkt wird, dass ein optischer Pfad durch die Empfangsoptik deutlich länger als ihre Größe ist.It is particularly preferred that the receiving optics comprise a reflective element. The reflective element may in particular comprise a mirror system with one or more mirrors, a prism or another element in which a total reflection of light takes place. In particular, the receiving optics may comprise folded optics in which a light beam is deflected in such a way that an optical path through the receiving optics is significantly longer than its size.
Eine reflektive Empfangsoptik ist üblicherweise winkelbeschränkt, sodass sie für einen mehrstrahligen LiDAR-Sensor nur schlecht geeignet sein kann, insbesondere wenn dieser zur Abdeckung eines relativ großen vertikalen Winkelbereichs von bis zu ca. 8° oder noch mehr verwendbar sein soll. In Verbindung mit dem Richtungsfilter kann jedoch trotz der Abbildungsfehler des reflektiven Elements dafür gesorgt werden, dass ein Lichtstrahl, der einem ersten Sensor des Lichtdetektors zugeordnet ist, nicht oder nur vermindert auf einen zweiten Sensor fällt, der zum ersten Sensor benachbart ist. Verluste in der durch den Richtungsfilter tretenden Lichtmenge können insbesondere durch eine große Apertur der Empfangsoptik ausgeglichen werden. So kann eine verbesserte Abbildungsschärfe oder Auflösung realisiert werden. Durch ein entsprechendes optisches Design der Empfangsoptik kann die Signaldynamik eingeschränkt werden. Die Empfangsoptik kann kompakt und mit nur wenigen Elementen realisiert werden. Das reflektive Element kann eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweisen, sodass die Empfangsoptik verbessert temperaturstabil sein kann.A reflective receiving optics is usually limited in angle, so it may be poorly suited for a multi-beam LiDAR sensor, especially if this is to be used to cover a relatively large vertical angle range of up to about 8 ° or even more. However, in conjunction with the directional filter, despite the aberrations of the reflective element, it can be ensured that a light beam associated with a first sensor of the light detector does not fall, or only diminishes, to a second sensor which is adjacent to the first sensor. Losses in the light passing through the directional light amount can be compensated in particular by a large aperture of the receiving optics. Thus, an improved image sharpness or resolution can be realized. By a corresponding optical design of the receiving optics, the signal dynamics can be limited. The receiving optics can be realized compactly and with only a few elements. The reflective element can have a low temperature dependence, so that the receiving optics can be improved in terms of temperature stability.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Richtungsfilter integriert mit dem reflektiven Element ausgeführt. Dadurch kann eine robuste Empfangsoptik, beispielsweise zum Einsatz des LiDAR-Sensors an einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt sein. Der Richtungsfilter kann beispielsweise an oder in einem Prisma oder einem Hohlspiegelelement ausgebildet sein. In a particularly preferred embodiment, the directional filter is integrated with the reflective element. As a result, a robust receiving optics, for example for use of the LiDAR sensor on a motor vehicle, can be provided. The directional filter may be formed, for example, on or in a prism or a concave mirror element.
Im Allgemeinen kann der Richtungsfilter eine Lochblende oder eine Beschichtung eines transparenten Elements umfassen. Beide Varianten können leicht mit dem reflektiven Element integriert ausgeführt werden. Dazu kann der Richtungsfilter insbesondere beim Austreten eines Lichtstrahls aus einem optisch dichteren Medium als Luft angeordnet sein. Die Lochblende kann beispielsweise ein Kunststoff- oder Metallteil umfassen, das so viele Aussparungen trägt, wie Lichtstrahlen und Sensoren vorgesehen sind. Die Aussparungen können beispielsweise mittels Stanzen eingebracht sein. Die Position jeder Aussparung definiert dabei die Richtung eines einfallenden Lichtstrahls. Licht, das nicht aus der vorbestimmten Richtung durch die Aussparung fällt, trifft nicht den Sensor des zugeordneten Lichtdetektors.In general, the directional filter may comprise a pinhole or a coating of a transparent element. Both variants can be easily integrated with the reflective element. For this purpose, the directional filter can be arranged in particular when a light beam emerges from an optically denser medium than air. The pinhole may, for example, comprise a plastic or metal part which carries as many recesses as light beams and sensors are provided. The recesses may be introduced, for example by means of punching. The position of each recess defines the direction of an incident light beam. Light that does not fall from the predetermined direction through the recess does not hit the sensor of the associated light detector.
Der LiDAR-Sensor kann ferner eine Abbildungsoptik umfassen, die zum Abbilden der Ebene des Richtungsfilters auf den Lichtdetektor eingerichtet ist. Dabei kann eine Apertur der Abbildungsoptik klein sein, insbesondere wesentliche kleiner als die Apertur der Empfangsoptik, wodurch die Abbildungsoptik kostengünstig realisierbar sein und raumsparend angeordnet werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abbildungsoptik einen Abbildungsfaktor ungleich eins auf. Anders ausgedrückt kann die Abbildungsoptik mit geringem Aufwand dazu eingerichtet sein, eine optische Vergrößerung oder Verkleinerung zu realisieren. Die Optik kann so verbessert an einen vorbestimmten Lichtdetektor angepasst werden, dessen Anzahl und Anordnung von Lichtsensoren üblicherweise nicht verändert werden kann. Dadurch kann eine große Vielfalt bestehender Lichtsensoren mit der beschriebenen Optik verwendet werden, um einen verbesserten Lidarsensor bereitzustellen.The LiDAR sensor may further include imaging optics arranged to image the plane of the directional filter onto the light detector. In this case, an aperture of the imaging optics may be small, in particular substantially smaller than the aperture of the receiving optics, as a result of which the imaging optics can be realized inexpensively and arranged in a space-saving manner. In a preferred embodiment, the imaging optics have an imaging factor not equal to one. In other words, the imaging optics can be set up with little effort to realize an optical enlargement or reduction. The optics can be improved so adapted to a predetermined light detector, the number and arrangement of light sensors usually can not be changed. Thereby, a wide variety of existing light sensors with the described optics can be used to provide an improved lidar sensor.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Abbildungsoptik ein erstes und ein zweites Element umfasst, zwischen denen sich Lichtstrahlen ausbreiten können. Die Zweiteilung erlaubt es, Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik verbessert zu kontrollieren. Insbesondere können die Elemente so gestaltet und angeordnet sein, dass sich die Lichtstrahlen zwischen ihnen im Wesentlichen parallel zueinander ausbreiten. Im Bereich zwischen den beiden Elementen der Abbildungsoptik kann dann leicht ein optischer Filter angeordnet werden, der beispielsweise unerwünschtes Fremdlicht vom Lichtdetektor fernhält. Der optische Filter kann insbesondere ein schmalbandiger Frequenzfilter sein. Die Störsicherheit des LiDAR-Sensors kann dadurch verbessert sein.It is particularly preferred that the imaging optics comprise a first and a second element, between which light beams can propagate. The division into two parts makes it possible to better control imaging properties of the imaging optics. In particular, the elements may be designed and arranged such that the light beams propagate between them substantially parallel to one another. In the area between the two elements of the imaging optics, an optical filter can then easily be arranged which, for example, keeps unwanted extraneous light away from the light detector. The optical filter may in particular be a narrow-band frequency filter. The interference immunity of the LiDAR sensor can thereby be improved.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 einen mehrstrahligen Lidarsensor in einer ersten Ausführungsform; -
2 einen mehrstrahligen Lidarsensor in einer zweiten Ausführungsform; -
3 eine schematische Darstellung eines Lidarsensors mit einer Abbildungsoptik; und -
4 beispielhafte Richtungsfilter für einen mehrstrahligen Lidarsensor darstellt.
-
1 a multi-beam lidar sensor in a first embodiment; -
2 a multi-beam lidar sensor in a second embodiment; -
3 a schematic representation of a Lidarsensors with an imaging optics; and -
4 represents exemplary directional filter for a multi-beam Lidarsensor.
Die dargestellte Empfangsoptik
Im Strahlengang nach der Empfangsoptik
Der Richtungsfilter
Bevor das empfangene Licht aus dem Richtungsfilter
In einer weiteren Variante kann der Richtungsfilter
Es ist weiter bevorzugt, dass im Raum zwischen den refraktiven Elementen
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