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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Lidar-System sowie eine Verwendung des Fahrzeug-Lidar-Systems.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 004 609 A1 ist ein Laser- und Optiksystem zur Verwendung in fahrzeugbasierten Lidar-Systemen bekannt. Das System umfasst ein Halbleiterlaser-Array und ein geeignetes Linsen- oder ein anderes Optiksystem. Das System wird in einer Weise betrieben, dass es Lidar-Lasersysteme ersetzen soll, die mechanisch gedrehte oder verschobene reflektierende Optiken einsetzen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 115 717 A1 zeigt ein handgehaltenes Fernglas mit Spektrometer. Das Spektrometer kann beispielsweise Siliziumsensoren aufweisen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 207 610 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und Verarbeitung elektrischer und optischer Signale.
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Heutige Kamerasysteme für Automotive-Anwendungen arbeiten in der Regel mit preiswerten CMOS-Silizium-Detektoren im sichtbaren Wellenlängenbereich oder nahen Infrarot oder mit preisintensiveren Indium-Gallium-Arsenid-(InGaAs)-Detektoren im Wellenlängenbereich größer 900 nm bis 1700 nm. LIDAR-Systeme arbeiten in der Regel bei 905 nm mit Silizium-Detektoren oder bei 1,5 µm ebenfalls mit preisintensiveren InGaAs-Detektoren oder Germanium-Detektoren. Beide Sensoren sind in der Regel eigenständige Systeme.
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Gegebenenfalls werden durch Sensorfusion die Messdaten miteinander verknüpft.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Fahrzeug-Lidar-System bereitzustellen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, eine Verwendung des Fahrzeug-Lidar-Systems anzugeben.
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Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein Fahrzeug-Lidar-System bereitgestellt, umfassend:
- – einen Impulslaser zum Emittieren von Laserimpulsen,
- – zumindest einen auslenkbar angeordneten Spiegel zum Ablenken der Laserimpulse in Richtung zu detektierender Objekte,
- – einen Empfänger zum Detektieren der von den Objekten reflektierten Laserimpulse, wobei
- – der Empfänger einen CMOS-kompatiblen-Bildsensor zum Erfassen der reflektierten Laserimpulse und zum Aufnehmen eines Bildes eines mittels der abgelenkten Laserimpulse ausleuchtbaren Bereichs umfasst.
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Nach einem weiteren Aspekt wird das Fahrzeug-Lidar-System zum Erfassen von Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs verwendet. Das heißt, dass mittels des Fahrzeug-Lidar-Systems Objekte im Umfeld eines Fahrzeugs erfasst werden. Insbesondere wird mittels des Fahrzeug-Lidar-Systems eine Laufzeitmessung der Laserimpulse durchgeführt, so dass in vorteilhafter Weise eine Entfernungsmessung zu detektierten Objekten durchgeführt werden kann.
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Nach einem anderen Aspekt wird ein Fahrzeug umfassend das Fahrzeug-Lidar-System bereitgestellt.
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Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, einen Empfänger (, der auch als Detektor bezeichnet werden kann) zum Detektieren der von den Objekten reflektierten Laserimpulse vorzusehen, wobei der Empfänger einen CMOS-kompatiblen-Bildsensor (,der auch ohne die Bindestriche geschrieben werden kann: also „CMOS kompatibler Bildsensor“), umfasst, der sowohl die reflektierten Laserimpulse erfassen als auch ein Bild eines mittels der abgelenkten Laserimpulse ausleuchtbaren Bereichs aufnehmen kann. Der erfindungsgemäße CMOS-kompatible-Bildsensor weist somit eine Doppelfunktion auf: Erfassen der reflektierten Laserimpulse und Aufnehmen eines Bildes. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik ist somit nur ein einziger Sensor notwendig, um sowohl eine Lidar-Funktion (insbesondere für eine Entfernungsmessung) als auch eine Bilderfassungsfunktion bereitzustellen. Im Gegensatz dazu sind im bekannten Stand der Technik zwei Sensoren notwendig, damit die vorstehend genannten Funktionen bewirkt oder bereitgestellt werden können. Das erfindungsgemäße Fahrzeug-Lidar-System ist somit im Vergleich zu den bekannten Systemen kleiner und kompakter und kann deswegen in einem kleineren Einbauraum eingebaut werden.
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Nach einer Ausführungsform ist der CMOS-kompatible-Bildsensor ein CMOS-Bildsensor.
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Bei einem CMOS Bildsensor kann der CMOS Prozess ohne Abwandlung und/ oder Modifikation verwendet werden. Bei einem CMOS kompatiblen Bildsensor ist der CMOS Grundprozess anzuwenden, aber Änderungen im Prozess (Modifikation, neuer Prozessschritt ...) sind möglich. Das heißt, dass der CMOS-Bildsensor im CMOS-Prozess gefertigt ist. Der CMOS kompatible Bildsensor wurde zumindest teilweise im CMOS-Prozess gefertigt, basiert also auf dem CMOS-Fertigungsprozess, wobei gegenüber dem CMOS-Fertigungsprozess Änderungen und/oder Neuerungen in der Fertigung des CMOS kompatiblen Bildsensors durchgeführt wurden.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der CMOS kompatible Bildsensor mehrere Pixel umfasst und wobei eine Auswerteelektronik vorgesehen ist, die ausgebildet ist, Signale der Pixel des CMOS kompatiblen Bildsensors auszulesen und basierend auf den ausgelesenen Signalen eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass für jeden Pixel eine entsprechende Laufzeitmessung der Laserimpulse durchgeführt werden kann. Das heißt, dass jedes Pixelsignal an sich verwendet werden kann, um die Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Gruppe von Pixeln ausgelesen wird, wobei die ausgelesenen Signale der Gruppe dieser Pixel verwendet wird, um eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln. Es wird somit in vorteilhafter Weise eine sogenannte "Time of Flight (TOF)"-Messung durchgeführt, auf Deutsch eine Laufzeitmessung.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein optisches Element zum Abbilden des ausleuchtbaren Bereichs auf den CMOS kompatiblen Bildsensor vorgesehen ist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass der ausleuchtbare Bereich optimal auf den CMOS kompatiblen Bildsensor abgebildet werden kann, sodass der CMOS kompatible Bildsensor den gesamten ausleuchtbaren Bereich erfassen und insofern Objekte, die sich in diesem ausleuchtbaren Bereich befinden, auch detektieren kann. Das optische Element ist beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, beispielsweise ein Parabolspiegel. Vorzugsweise sind mehrere optische Elemente vorgesehen, die insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sind.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das optische Element eine Transmission von mindestens 95%, beispielsweise > 99%, für einen Wellenlängenbereich aufweist, der der Laserwellenlänge plus minus ≤ 20 nm, vorzugsweise plus minus ≤ 10 nm, entspricht, wobei die Transmission für Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbereichs kleiner als 50%, vorzugsweise kleiner 20%, ist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis gesteigert werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der CMOS kompatible Bildsensor ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise von mindestens 1000 nm, zu detektieren. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass der CMOS kompatible Bildsensor auch Laserimpulse erfassen kann, die eine Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise von mindestens 1000 nm, aufweisen. In diesem Wellenlängenbereich größer als 900 nm, vorzugsweise von größer als 1000 nm, ist üblicherweise die Empfindlichkeit gegenüber Beschädigung des Auges für diese elektromagnetische Strahlung verringert, sodass bei der Verwendung des Fahrzeug-Lidar-Systems in der Regel keine Gefahr für Verkehrsteilnehmer im Umfeld des Fahrzeugs ausgeht.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der CMOS kompatible Bildsensor als Sensormaterial dotiertes und/oder oberflächenmodifiziertes Silizium aufweist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass ein solches Silizium für Wellenlängen größer als 900 nm, insbesondere größer als 1000 nm, empfindlicher ist im Vergleich zu undotiertem oder nicht oberflächenmodifiziertem Silizium. Solches Silizium ist beispielsweise als schwarzes Silizium (black silicon) oder als rosa Silizium (pink silicon) bekannt. Als Dotand kann beispielsweise Schwefel vorgesehen sein.
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Bei einer Oberflächenmodifikation wird eine Reflektivität durch einen Brechzahlsprung von Luft zu Silizium stark reduziert, sodass mehr eintreffende Photonen in den Bildsensor eindringen und dann entsprechend detektiert werden können. Die Oberflächenmodifikation wird beispielsweise mittels einer Strukturierung mittels kurzer Laserimpulse durchgeführt. Diese Laserimpulse weisen beispielsweise eine Impulsdauer von ≤ 10 ns, beispielsweise von ≤ 1 ns, auf. Beispielsweise kann eine Oberflächenmodifikation mittels einer Beschichtung durchgeführt werden. Das heißt, dass das Silizium beschichtet ist.
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Durch eine Dotierung des Siliziums wird insbesondere der technische Effekt bewirkt, dass dadurch eine Absorptionswahrscheinlichkeit für Photonen erhöht wird, sodass eine Empfindlichkeit des Detektors auch bei längeren Wellenlängen gesteigert wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Impulslaser ein Festkörperlaser mit einer Brillanz von mindestens 100 kW/(mm2 sr) ist, der ausgebildet ist, Laserimpulse mit einer Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise von mindestens 1000 nm, und einer maximalen Leistung pro Laserimpuls von mindestens 50 W zu emittieren.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Festkörperlaser eine Brillanz von mindestens 1 MW/(mm2 sr) aufweist. Vorzugsweise liegt die Brillanz des Festkörperlasers zwischen 100 kW/(mm2 sr) und 1 MW/(mm2 sr). In der Regel bedeutet eine höhere Brillanz in vorteilhafter Weise eine höhere Detektionsreichweite des Fahrzeug-Lidar-Systems. Das heißt, dass in vorteilhafter Weise auch Objekte in Abständen vom Festkörperlaser von bis zu 200 m und mehr detektiert oder erfasst werden können. Die Brillanz kann insbesondere als eine Strahlqualität bezeichnet werden. Die Brillanz beschreibt in der Optik und in der Lasertechnik üblicherweise die Bündelung eines Strahls von elektromagnetischer Strahlung, hier des Laserstrahls.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine maximale Leistung pro Laserimpuls zwischen 50 W und 100 W beträgt. Auch hier bedeutet eine höhere maximale Leistung eine höhere Reichweite. Eine maximale Leistung pro Laserimpuls bedeutet, dass auch Laserimpulse mit einer geringeren Leistung emittiert werden können. Die maximal mögliche Leistung pro Laserimpuls beträgt entsprechend 50 W, 100 W oder ein Wert zwischen 50 W oder 100 W.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Laserimpulse eine Dauer von ≤ 100 ns, vorzugsweise von ≤ 50 ns, insbesondere von ≤ 10 ns, beispielsweise von ≤ 1 ns aufweisen, insbesondere zwischen 2 ns und 20 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 4 ns, beispielsweise 2,2 ns. In der Regel bewirken kleinere Impulsdauern eine verbesserte Genauigkeit oder Auflösung hinsichtlich einer Entfernungsmessung.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Impulslaser elektrisch und/oder optisch pumpbar oder anregbar ist. Das heißt, dass der Festkörperlaser elektrisch und/oder optisch gepumpt oder angeregt wird respektive werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Festkörperlaser als ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser ausgebildet ist. Ein solcher Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser wird im Englischen üblicherweise als "vertical cavity surface emitting laser" bezeichnet. Die entsprechende Abkürzung ist: VCSEL. Durch das Vorsehen eines solchen Vertikalemitters kann in vorteilhafter Weise im Vergleich zu bekannten Kantenemittern die vorstehend genannte Strahlqualität oder Brillanz besonders einfach bewirkt werden. Dies insbesondere auch bei Reichweiten des Fahrzeug-Lidar-Systems von > 50 m, insbesondere bis zu 200 m bei einer Auflösung von beispielsweise 1 × 1 m2 bei 200 m. Vorteilig ist weiterhin, dass ein solcher Vertikalemitter im Gegensatz zum bekannten Kantenemitter robuster ist. Beispielsweise kann ein VCSEL nicht durch eine Überstromung und somit zu hoher Impulsleistung an einer Auskoppelfacette zerstört werden. Vielmehr zeigt ein VCSEL allenfalls ein thermisches Roll-over. Ein solcher thermischer Roll-over führt nicht zu einer Zerstörung und ist in vorteilhafter Weise reversibel. Ferner ist ein VCSEL auf Wafer-level-Scale herstellbar und testbar, so dass Herstellungskosten skalierbar sind, insbesondere ähnlich zu Hochleistungs-LEDs skalierbar sind. Bei einem thermischen Roll-over wird das Lasermaterial heißer, dadurch verringert sich der Wirkungsgrad, was zur Folge hat, dass es noch heißer wird. Ab einer bestimmte Verringerung des Wirkungsgrades geht der Laser aus. LED und Vertikalemitter strahlen die Leistung nach oben ab. Bei der Herstellung kann man die Strahlungseigenschaften auch dann testen, wenn der gesamte Wafer noch nicht vereinzelt ist. Im Gegensatz dazu strahlt ein Kantenemitter zur Seite ab und ein Testen ist somit nicht möglich. Man muss den Wafer daher erst vereinzeln (zerschneiden), um den Laser zu testen. Daher kann ein Vertikalemitter getestet werden, wenn er noch auf dem Wafer angeordnet ist, also vor dem Vereinzeln. Denn er strahlt nach oben ab.
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Des Weiteren ist es in vorteilhafter Weise besonders einfach, mit solchen Vertikalemittern kurze Impulse von < 1 ns Impulsanstiegzeit zu generieren oder zu erzeugen. Dies insbesondere bei einem höheren Tastverhältnis im Vergleich zu bekannten Kantenemittern. Unter Tastverhältnis (im Englischen duty cycle) versteht man das Verhältnis zwischen „in Betrieb, also an“ und „nicht in Betrieb, also aus“. In einer Ausführungsform beträgt ein Tastverhältnis des Festkörperlasers zwischen 1 % bis 2 %. Kantenemitter schaffen heute teilweise nur kleiner 1% oder weniger.
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Ein Festkörperlaser im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere ein laseraktives Material, welches in einem Kristallgitter oder einem anderen Wirtsmaterial eingebaut ist. Beispiele für solche Festkörperlaser sind: Neodym- oder Ytterbium-dotiertes Yttrium-Aluminiumgranat (Nd:YAG, Yb:YAG). Des Weiteren kann nach anderen Ausführungsformen der Festkörperlaser auch ein Halbleiterlaser sein. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser ein Aluminium-Galliumarsenid-Laser sein. Dieser emittiert Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von bis zu 1100 nm. Beispielsweise kann ein Halbleiterlaser ein Indium- oder ein Phosphat-dotiertes laseraktives Material umfassen. Ein solcher Halbleiterlaser emittiert Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von > 1000 nm.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, basierend auf dem aufgenommenen Bild zumindest einen bestimmten Bereich im ausleuchtbaren Bereich zu ermittelten, wobei der Impulslaser abhängig von dem ermittelten Bereich betreibbar ist und/oder wobei der Spiegel abhängig von dem ermittelten Bereich auslenkbar ist, um den bestimmten Bereich entsprechend ausleuchten zu können. Dieser bestimmte Bereich wird im Englischen auch als „Region of Interest (ROI)“ bezeichnet. In diesem bestimmten Bereich wird bevorzugt nach zu detektierenden Objekten gesucht. Das heißt, dass nicht mehr der maximal mögliche Bereich ausgeleuchtet wird, sondern gezielt nur der bestimmte Bereich. Dies spart in vorteilhafter Weise eine Messzeit und eine Signalverarbeitungszeit ein. Das heißt, dass hier sozusagen die Kamera (Bildsensor) der Master und das LIDAR (Impulslaser) der Slave ist.
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Nach einer Ausführungsform vorgesehen, dass zur Objekterkennung und Objektklassifikation nur ein bestimmter Bereich im mittels des CMOS kompatiblen Bildsensors aufgenommenen Bilds analysiert und ausgewertet wird. Dieser bestimmte Bereich wird basierend auf einer Auswertung des ausgeleuchteten Bereichs ermittelt. Das heißt, dass mittels des LIDAR (Master) ermittelt wird, wo (also welcher Bereich oder welche Bereiche) sich gegebenenfalls Objekte im ausleuchtbaren Bereich befinden. Nur dieser Bereich oder nur diese Bereiche werden dann im aufgenommenen Bild analysiert. Der Rest des Bildes bleibt analysefrei, wird also nicht analysiert. Somit können in vorteilhafter Weise eine Rechenzeit und Ressourcen eingespart werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Auswerteeinrichtung gebildet ist, die ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Laserimpulsen eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu bestimmen. Dies insbesondere mittels einer Laufzeitmessung der Laserimpulse.
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Nach einer Ausführungsform wird das Fahrzeug-Lidar-System verwendet, um Objekte im Umfeld des Fahrzeugs zu erfassen oder zu detektieren. Insbesondere wird eine Laufzeitmessung der Laserimpulse durchgeführt. Das heißt, dass der Impulslaser Laserimpulse emittiert. Sofern diese Laserimpulse auf Objekte treffen, werden sie von diesen reflektiert. Dies zumindest teilweise in Richtung des Empfängers, der auch als ein Detektor bezeichnet werden kann. Basierend auf Laufzeitmessungen der Laserimpulse kann dann in an sich bekannter Weise eine Distanz zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug-Lidar-System bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform ist der CMOS kompatible Bildsensor monolithisch aus Silizium zusammengesetzt oder gebildet, sodass kein Hybrid verwendet werden muss, wie zum Beispiel bei InGaAs TOF-Systemen. Als Sensormaterial ist also vorzugsweise ausschließlich Silizium vorgesehen, insbesondere oberflächenmodifiziertes und/oder beschichtetes Silizium.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 ein Fahrzeug-Lidar-System und
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2 ein weiteres Fahrzeug-Lidar-System.
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Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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1 zeigt ein Fahrzeug-Lidar-System 101.
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Das Fahrzeug-Lidar-System 101 umfasst einen Impulslaser 103 zum Emittieren von Laserimpulsen. Zur Darstellung des Impulslasers 103 ist ein symbolisches Schaltzeichen verwendet. Der Impulslaser 103 ist beispielsweise ein Festkörperlaser mit einer Brillanz von mindestens 100 kW/(mm2 sr), wobei der Festkörperlaser ausgebildet ist, Laserimpulse mit einer Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise von mindestens 1000 nm, und einer maximalen Leistung pro Laserimpuls von mindestens 50 W zu emittieren. In einer weiteren Ausführungsform ist der Festkörperlaser als ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser ausgebildet. Beispielsweise emittiert der Impulslaser 103 Laserimpulse mit einer Wellenlänge zwischen 1000 nm und 1100 nm. Insbesondere beträgt eine Wellenlänge der Laserimpulse 1060 nm ± 4 nm. Eine maximale Leistung pro Laserimpuls beträgt insbesondere 100 W. Eine Impulsdauer eines Laserimpulses beträgt beispielsweise 2,2 ns.
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Das Fahrzeug-Lidar-System 101 umfasst ferner einen auslenkbar angeordneten Spiegel 105 zum Ablenken der Laserimpulse in Richtung zu detektierender Objekte. Der Spiegel 105 ist beispielsweise als ein mikromechanischer Spiegel ausgebildet. Aufgrund der Auslenkbarkeit des Spiegels 105 kann mittels der abgelenkten Laserimpulse ein ausleuchtbarer Bereich 107 ausgebildet werden. Im Englischen wird ein solcher ausleuchtbarer Bereich 107 auch als ein "field of view" bezeichnet. Wenn sich Objekte innerhalb des ausleuchtbaren Bereichs 107 befinden, so können diese mittels des Fahrzeug-Lidar-Systems erfasst werden. Als Beispiel ist hier ein Objekt mit dem Bezugszeichen 109 gezeigt. Dieses befindet sich im ausleuchtbaren Bereich 107.
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Die abgelenkten Laserimpulse treffen auf das Objekt 109 und werden von diesem in Richtung eines Empfängers oder Detektors 111 reflektiert. Dieser Empfänger oder Detektor 111 ist ausgebildet, Laserimpulse zu detektieren, die von Objekten reflektiert wurden, die sich im ausleuchtbaren Bereich 107 befinden. Der Empfänger oder Detektor 111 umfasst einen CMOS kompatiblen Bildsensor 113. Dieser CMOS kompatible Bildsensor 113 ist ausgebildet, die reflektierten Laserimpulse zu erfassen und ein Bild des ausleuchtbaren Bereichs 107 aufzunehmen. Als Sensormaterial des CMOS kompatiblen Bildsensors 111 ist schwarzes Silizium 113 vorgesehen. Schwarzes Silizium wird im Englischen als black silicon bezeichnet und steht für ein oberflächenstrukturiertes kristallines Silizium. Anstelle oder zusätzlich kann als Sensormaterial auch dotiertes kristallines Silizium verwendet werden. Insbesondere kann als Sensormaterial sogenanntes pink silicon, also rosa Silizium, verwendet werden.
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Der CMOS kompatible Bildsensor 113 umfasst mehrere Pixel 115. Das Objekt 109 wird also pixelweise abgebildet. Die erfassten Laserimpulse werden also pixelweise erfasst.
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Ferner umfasst der Detektor 111 eine Auswerteelektronik 117, die ausgebildet ist, Signale der Pixel 115 des CMOS kompatiblen Bildsensors 113 auszulesen und basierend auf den ausgelesenen Signalen eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln, hier zu dem Objekt 109. Das Ermitteln basiert insbesondere auf einer Laufzeitmessung der Laserimpulse.
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Ferner ist ein ASIC 119 vorgesehen. Die Abkürzung ASIC steht für anwendungsspezifische integrierte Schaltung, auf Englisch "application specific integrated circuit". Diese anwendungsspezifische integrierte Schaltung 119 wird verwendet, um die Laufzeitmessung des CMOS kompatiblen Bildsensors 113 pixelselektiv durchzuführen.
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Es ist eine Linse 121 als optisches Element vorgesehen, die den ausleuchtbaren Bereich 107 auf die Pixel 115 des CMOS kompatiblen Bildsensors 113 abbildet. Die Linse 121 ist mit einer Antireflexbeschichtung bei einer Wellenlänge versehen, die der Laserwellenlänge ±20 nm, insbesondere ±10 nm entspricht. Das heißt, dass Wellenlängen innerhalb dieses Bereichs durchgelassen werden. Wellenlängen außerhalb dieses Bereichs werden blockiert. Entsprechend weist die Linse 121 für diese Wellenlänge eine hochreflektierende Beschichtung auf.
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Der CMOS kompatible Bildsensor 113 kann ferner ein Bild des ausleuchtbaren Bereichs 107 aufnehmen. Somit kann in vorteilhafter Weise Bild des Objekts 109 aufgenommen als auch eine Entfernung zum Objekt 109 ermittelt werden. Dies mittels eines einzigen Sensors, hier dem CMOS kompatiblen Bildsensor 113.
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Das Fahrzeug-Lidar-System 101 ist nach einer weiteren Ausführungsform wie folgt aufgebaut:
Das System 101 umfasst eine Lichtquelle zum Emittieren von Laserimpulsen, zum Beispiel den VCSEL 103 mit einer Laserwellenlänge zwischen 900 nm und 1300 nm, vorzugsweise bei 1060 nm ± 4 nm. Der VCSEL 103 emittiert Laserimpulse, die vorzugsweise eine Spitzenleistung von 100 W besitzen bei einer Impulslänge zwischen 2 ns und 20 ns, vorzugsweise 2 ns bis 4 ns. Die Laserstrahlung des VCSEL 103 mit einer Brillanz von größer 100 kW/(mm2 sr) wird mit einer Impulswiederholrate von vorzugsweise 100 kHz auf einen optischen MEMS-Spiegel 105 propagiert. Dieser MEMS(Mikroelektromechanisches System)-Spiegel 105 hat einen Durchmesser zwischen 1 mm und 8 mm, vorzugsweise zwischen 3 mm und 5 mm, und ist mit einer hochreflektierenden Schicht für die Laserwellenlänge versehen. Durch die Bewegung des MEMS-Spiegel 105 wird das Field of View (FOV) (ausleuchtbarer Bereich 107) aufgespannt mit vorzugsweise 40° × 80°. Wird die Laserstrahlung (also die Laserimpulse) von einem Objekt, hier dem Objekt 109, reflektiert, wird diese reflektierte Laserstrahlung durch die Linse 121 auf den Detektor 111 umfassend den CMOS kompatiblen Bildsensor 113 aufweisend ein Sensormaterial aus Black Silicon abgebildet. Die Linse 121 ist vorzugsweise mit einer Antireflexbeschichtung bei der Laserwellenlänge ±10nm bis ±20 nm versehen. Die Linse 121 ist für den restlichen Wellenlängenbereich hochreflektierend beschichtet. Der Detektor 111 aus Black Silicon besitzt zusätzlich die Möglichkeit, für jedes Pixel 115 und Gruppen von Pixeln 115 eine Time of Flight(TOF)-Messung (Laufzeitmessung) durchzuführen, um den Abstand vom Objekt 109 zu messen. Zusätzlich zu der TOF-Messung kann der Detektor 111 auch vom gesamten FOV 107 ein Bild aufnehmen (Kamerafunktion), mit dem zum Beispiel eine Winkelauflösung berechnet und eine Objekterkennung durchgeführt werden kann. Vorzugsweise ist der Detektor 111 monolithisch aus Silizium zusammengesetzt, sodass kein Hybrid verwendet werden muss (wie zum Beispiel bei InGaAs TOF-Systemen).
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2 zeigt ein weiteres Fahrzeug-Lidar-System 201.
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Das Fahrzeug-Lidar-System 201 ist im Wesentlichen analog zu dem Fahrzeug-Lidar-System 101 gemäß 1 aufgebaut. Auf die entsprechenden Ausführungen wird daher verwiesen. Als ein Unterschied ist die Linse, welche den ausleuchtbaren Bereich 107 auf die Pixel 115 abbildet, nicht beschichtet wie die Linse 121, sondern breitbandig anti-reflektiv. Diese Linse 121 ist mit dem Bezugszeichen 203 gekennzeichnet. 2 zeigt zum Vergleich noch zusätzlich das Fahrzeug-Lidar-System 101 mit der beschichteten Linse 121. Einmal wird also der FOV 107 mittels der Linse 121 auf den CMOS kompatiblen Bildsensor 113 abgebildet und einmal wird der FOV 107 mittels der Linse 201 auf den CMOS kompatiblen Bildsensor 113 abgebildet.
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Als ein weiterer Unterschied ist ein Empfänger oder Detektor 205 zum Detektieren der von den Objekten reflektierten Laserimpulsen vorgesehen, wobei als Unterschied zu dem Empfänger oder Detektor 111 des Fahrzeug-Lidar-Systems 101 der Empfänger oder Detektor 205 keine Auswerteelektronik 117 umfasst. Das heißt, dass mittels des Empfängers 205 keine Entfernungsmessung zu dem detektierten Objekt 109 durchgeführt werden kann. Ansonsten umfasst der Empfänger 205 analog zu dem Empfänger oder Detektor 111 das ASIC 119 und den CMOS kompatiblen Bildsensor 113, wobei dies in 2 der Übersicht halber nicht im Detail gezeigt ist.
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Dadurch, dass die Linse 203 anti-reflektiv für den sichtbaren Wellenlängenbereich (also 380 nm bis 780 nm) beschichtet ist, werden nicht nur die Wellenlängen rund um die Laserwellenlänge durchgelassen, sondern vielmehr auch Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts (also 380 nm bis 780 nm). Somit können beispielsweise in vorteilhafter Weise auch die unterschiedlichen Farben einer Lichtsignalanlage erkannt werden. Insbesondere kann so in vorteilhafter Weise eine Bilderkennung einfacher und zuverlässiger durchgeführt werden. Denn nun stehen auch Farbinformationen zur Verfügung, um basierend auf diesen Farbinformationen beispielsweise Objekte in den aufgenommenen Bildern zu erkennen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise Verkehrszeichen in aufgenommenen Bildern erkannt werden sollen.
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Da aber der Detektor oder Empfänger 205 aufgrund des gewählten Sensormaterials auch bis 1100 nm sensitiv ist, ist in vorteilhafter Weise eine aktive Beleuchtung durch den Impulslaser 103 bewirkt. Somit können auch Bilder bei Nacht aufgenommen werden.
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Neben dem oben beschriebenen VCSEL werden in weiteren Ausführungsformen auch alternative Laserquellen verwendet: zum Beispiel bei einer anderen Wellenlänge kleiner 1 µm oder größer 1 µm bis 1,5 µm. Neben den Halbleiterlasern können preiswerte passiv gütegeschaltete Festkörperlaser (zum Beispiel Er/Yb:YAG oder Glas mit einem Co-Spinel Güteschalter). Durch die Wahl eines Festkörperlasers kann der MEMS-Spiegeldurchmesser aufgrund der besseren Brillanz im Vergleich zu Halbleiterlasern verringert werden auf vorzugsweise 1 mm.
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Funktional sind Master-Slave-Konfigurationen möglich: zum Beispiel LIDAR-Funktion = Master: mit dem LIDAR wird ermittelt, wo Objekte im FOV sind, um für die Kamera-Funktion, also für den CMOS kompatiblen Bildsensor Regions of Interest zu definieren. Dadurch spart man einen Rechenaufwand, ohne Bereiche im FOV zu vernachlässigen. Zum Beispiel Kamerafunktion = Master: Bei im aufgenommenen Bild erkannten Objekten wird der Impulslaser so betrieben und/oder der Spiegel so ausgelenkt, dass die interessanten Bereiche (ROI) durch eine Winkel- und Abstandserkennung des LIDAR ergänzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004609 A1 [0002]
- DE 102011115717 A1 [0003]
- DE 10207610 A1 [0004]
