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Die Erfindung betrifft einen 3D-LIDAR-Sensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Laserstrahlquelle, einem optischen Empfänger, und einem Abtastsystem zum Ablenken eines von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahls in zwei zueinander senkrechten Abtastrichtungen.
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Stand der Technik
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In LIDAR-Sensoren wird als Laserstrahlquelle zumeist ein Impulslaser mit einer Impulsdauer in der Größenordnung von einigen Nanosekunden und mit einer Wellenlänge zwischen 850 und 1500 nm oder mehr verwendet. Durch Ablenkung des Laserstrahls in zwei zueinander senkrechten Richtungen wird ein zweidimensionales Bild gewonnen. Durch zusätzliche Auswertung der Laufzeit zwischen der Aussendung eines Laserimpulses und dem Empfang des von einem Objekt zurückgestreuten Lichtes erhält man Information über die Entfernung des Objektes, so dass sich ein dreidimensionales Bild der Umgebung konstruieren lässt.
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In Kraftfahrzeugen ermöglicht es ein solcher 3D-LIDAR-Sensor, Daten über das Verkehrsumfeld zu liefern, die dann in einem oder mehreren Fahrerassistenz-systemen weiter ausgewertet werden, beispielsweise in Abstandsregelsystemen, Tote-Winkel-Warnsystemen, Einparkhilfen und dergleichen.
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Einige herkömmliche 3D-LIDAR-Sensoren weisen als Abtastsystem einen in zwei Achsen oszillierenden Ablenkspiegel auf, der beispielsweise durch ein MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) gebildet wird. Eine andere bekannte Bauform von 3D-LIDAR-Sensoren sind sogenannte Flash-LIDARs, die ähnlich wie eine digitale Kamera mit einem zweidimensionalen optischen Detektorfeld und einem relativ weit aufgefächerten Laserstrahl arbeiten, so dass keine Ablenkung des Laserstrahls erforderlich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen und robusten 3D-LIDAR-Sensor zu schaffen, der insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Abtastsystem einen oszillierenden Spiegel zum Ablenken des Laserstrahls in einer der Abtastrichtungen und einen Drehantrieb zum Drehen des Ablenkspiegels und des Empfängers um eine zu dieser Abtastrichtung parallele Achse aufweist.
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Die Abtastung in der zweiten Abtastrichtung wird somit dadurch erreicht, dass der gesamte Sensor um die zu der ersten Abtastrichtung parallele Achse rotiert, so dass der Laserstrahl in der zu dieser Achse senkrechten Ebene den kompletten Winkelbereich von 360° überstreicht. Das hat den Vorteil, dass in der zweiten Abtastrichtung keine Umkehr der Bewegungsrichtung der mechanischen Komponenten erforderlich ist, sondern das gesamte System kontinuierlich in einer einzigen Drehrichtung rotieren kann. Das erlaubt eine hohe Drehzahl und eine entsprechend hohe Abtastgeschwindigkeit in dieser Richtung und hat den zusätzlichen Vorteil, dass im Prinzip eine Rundumsicht ermöglicht wird, beispielsweise wenn der Sensor auf dem Dach eines Kraftfahrzeugs montiert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der hohen (und konstanten) Abtastgeschwindigkeit eine höhere Augensicherheit bei unveränderter Intensität des Laserstrahls erreicht wird oder umgekehrt bei gegebenen Mindestanforderungen an die Augensicherheit eine höhere Laserleistung und damit eine höhere Reichweite möglich wird. Für die erste Abtastrichtung (parallel zur Rotationsachse) kann ein kostengünstiger einachsiger MEMS-Scanner verwendet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform bilden der Ablenkspiegel, der Empfänger und die Laserstrahlquelle eine starre Einheit, die mit Hilfe des Drehantriebs in Rotation versetzt wird. In dem Fall kann die Laserstrahlquelle auch in einer gegenüber der Rotationsachse versetzten Position angeordnet sein.
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Der optische Empfänger weist vorzugsweise eine Detektorzeile auf, die eine Vielzahl von optischen Detektorelementen enthält und sich in der Richtung parallel zur Drehachse erstreckt. Jedes Detektorelement ist dann für rückgestreutes Laserlicht empfindlich, das aus einer bestimmten Richtung (in Elevation, wenn die Drehachse vertikal orientiert ist) auf eine Empfangsoptik des Empfängers fällt und dann durch diese Optik auf das betreffende Sensorelement fokussiert wird. Dadurch wird eine einfache und schnelle Signalauswertung in einer Vielzahl von parallelen Empfangskanälen ermöglicht.
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In einer anderen Ausführungsform kann als Laserstrahlquelle anstelle eines Impulslasers auch ein frequenzmodulierter Dauerstrichlaser verwendet werden. Wie an sich bekannt ist, erhält man dann durch Mischen des emittierten Lichts mit dem reflektierten Licht ein Schwebungssignal, dessen Frequenzlage von der Geschwindigkeit der Frequenzmodulation sowie von der Signallaufzeit und damit vom Abstand des Objekts und bei bewegten Objekten auch von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängig ist. Gegebenenfalls kann auch eine Laserstrahlquelle verwendet werden, die zwischen Impulsbetrieb und Dauerstrichbetrieb umschaltbar ist.
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Eine besonders hohe Abstandsauflösung im Nahbereich lässt sich durch eine Anordnung der Laserstrahlquelle und des Empfängers erreichen, die nach dem Prinzip der sogenannten "self-mixing interference" arbeitet. Dabei wird mit Hilfe eines Strahlteilers ein Teil des vom Objekt reflektierten oder zurückgestreuten Lichts in die Laserstrahlquelle zurückgelenkt, so dass es unmittelbar in der Laserkavität zu einer Mischung der emittierten und reflektierten Strahlen kommt.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Frontansicht eines LIDAR-Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 den LIDAR-Sensor nach 1 in einer Ansicht von oben;
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3 eine Seitenansicht des LIDAR-Sensors aus Richtung der Pfeile III-III in 1;
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4 eine Seitenansicht aus Richtung der Pfeile IV-IV in 3;
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5 eine Frontansicht eines LIDAR-Sensors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
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6 eine Seitenansicht des LIDAR-Sensors nach 5 aus Richtung der Pfeile VI-VI in 5;
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7 eine Seitenansicht eines LIDAR-Sensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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8 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 7 in der Draufsicht.
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Der in 1 gezeigte 3D-LIDAR-Sensor weist eine Laserstrahlquelle 10, einen oszillierenden Spiegel 12, der beispielsweise durch einen einachsigen MEMS-Scanner gebildet wird, und einen optischen Empfänger 14 auf. Die Laserstrahlquelle 10 ist im gezeigten Beispiel an der Unterseite einer drehantreibbaren Scheibe 16 montiert und erzeugt einen scharf gebündelten Laserstrahl 18, der durch ein Loch 20 in der Scheibe 16 senkrecht nach oben auf den Spiegel 12 fällt. Der Spiegel 12 ist schräg angestellt, so dass der Laserstrahl 18 in 1 in der Richtung auf den Betrachter zu reflektiert wird.
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Der Spiegel 12 ist auf einem Spiegelträger 22 montiert. Der optische Empfänger 14 weist eine Detektorzeile 24 auf, die sich vertikal in der Bildebene einer optischen Linse 26 erstreckt. Die Detektorzeile 24 und der Spiegelträger 22 sind nebeneinander auf einer gemeinsamen Tragplatte 28 montiert, die senkrecht von der Scheibe 16 aufragt.
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Unterhalb der Scheibe 16 ist eine stationäre Grundplatte 30 angeordnet, auf der ein Drehantrieb 32 für die Scheibe 16 montiert ist. Die Scheibe 16 sitzt drehfest auf dem freien Ende einer Ausgangswelle 34 und wird mit hoher Drehzahl, beispielsweise mit 600 bis 1200 min–1, um eine vertikale Achse A gedreht.
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Der durch den Spiegel 12 in eine im wesentlichen waagerechte Richtung abgelenkte Laserstrahl 18 (2) tastet somit bei jeder Umdrehung der Scheibe 16 im Azimut die gesamte Umgebung des Sensors auf einem Vollkreis von 360° ab. Da die Linse 26 und die Detektorzeile 24 ebenso wie der Spiegel 12 und die Laserstrahlquelle 10 starr an der Scheibe 16 befestigt sind, wird in jeder Winkelstellung der Scheibe 16 das Licht des Laserstrahls 18, das an einem in der aktuellen Richtung des Laserstrahls liegenden Objekt reflektiert oder zurückgestreut wird (Strahl 18' in 2), von der Linse 26 auf die Detektorzeile 24 fokussiert und detektiert. Bei jeder Umdrehung der Scheibe 16 wird somit eine horizontale Bildzeile eines 360°-Panoramabildes mit einer Zeilenabtastfrequenz von 10 bis 20 Hz abgetastet.
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Gleichzeitig wird der Spiegel 12 mit Hilfe des MEMS oszillierend um eine horizontale Achse bewegt, so dass der Laserstrahl 18 auch in einer vertikalen Abtastrichtung oszilliert, wie in 3 durch einen Doppelpfeil B angedeutet wird. Der vertikale Abtastwinkelbereich kann dabei 60° (±30°) betragen und lässt sich wahlweise durch Verwendung einer nicht gezeigten Zusatzoptik noch vergrößern, beispielsweise auf 120°.
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Der vom Objekt reflektierte oder zurückgestreute Strahl 18' wird durch die Linse 26 auf die Detektorzeile 24 fokussiert. Die vertikale Position des Fokus auf der Detektorzeile 24 ist dabei, wie in 4 angedeutet ist, vom Einfallswinkel des Strahls 18' abhängig, der seinerseits von der aktuellen Neigung des Spiegels 12 abhängig ist.
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Die Oszillationsfrequenz des Spiegels 12 kann deutlich höher sein als die durch die Rotation der Scheibe 16 bestimmte Zeilenabtastfrequenz. In dem Fall bildet die vertikale Abtastrichtung die Hauptabtastrichtung. Je nach Anwendungsfall ist jedoch auch eine Betriebsweise möglich, bei der die vertikale Abtastrichtung die (langsame) Unterabtastrichtung bildet.
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Die Detektorzeile 24 weist eine Vielzahl optischer Detektoren, beispielsweise PIN-Detektoren oder APD-Detektoren aus Silizium oder Indium/Galliumarsenid auf. Jeder einzelne Detektor bildet dabei einen Empfangskanal, dem eine bestimmte vertikale Position der Reflexionsquelle zugeordnet ist, von der der Strahl 18' empfangen wird. Die Detektoren der Detektorzeile 24 zusammen liefern somit zu jedem Zeitpunkt einen Satz von elektronischen Signalen, die den Bildinhalt einer Pixelspalte in einem zweidimensionalen Bild repräsentieren. Aufgrund der Rotation der Scheibe 16 bilden die zu verschiedenen Zeiten von demselben Detektorelement empfangenen Signale eine Pixelzeile dieses Bildes.
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Der von der Laserstrahlquelle 10 erzeugte Laserstrahl 18 hat beispielsweise eine Wellenlänge zwischen 850 und 1500 mm und ist gepulst, mit Impulsdauern in der Größenordnung von einigen Nanosekunden. Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit bildet die Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Impulses und dem Empfang dieses Impulses durch die Detektorzeile 24 ein Maß für die Entfernung des Objekts. Da diese Information für jedes Pixel des zweidimensionalen Bildes verfügbar ist, erhält man insgesamt ein dreidimensionales Bild der Umgebung des Sensors, und zwar auf einem Vollkreis (360°) im Azimut und in einem Winkelbereich von 60 bis 120° in Elevation.
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In der Praxis hat die Linse 26 beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 20 bis 30 mm, und die Brennweite dieser Linse liegt in der gleichen Größenordnung. Der Spiegel 12 kann ein Rechteckspiegel mit einer Kantenlänge im Bereich von 1 bis 3 mm sein. Die Brillanz der Laserstrahlquelle 10 liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 1000 kW/mm–2sr. Das erlaubt eine Reichweite des LIDAR-Sensors von mehr als 100 m bis über 180 m.
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5 und 6 zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel. Die Bezugszeichen in 5 und 6 haben die gleiche Bedeutung wie in 1 bis 4, sind jedoch jeweils durch einen Apostroph ergänzt. Der Spiegelträger 22' und der optische Empfänger 14' sind hier übereinander angeordnet, so dass die Scheibe 16' einen kleineren Durchmesser haben kann.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die als eine Einheit drehbaren Teile des Sensors ein kleineres Trägheitsmoment haben, wodurch größere Drehzahlen ermöglicht werden.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf einer drehantreibbaren Scheibe 36 ein Träger 38 angeordnet ist, an dem eine Laserstrahlquelle 40, ein mit Hilfe eines MEMS oszillierend angetriebener Spiegel 42 und ein Empfänger 44 angeordnet sind. Der von der Laserstrahlquelle 40 emittierte Laserstrahl verläuft parallel zur Drehachse A oder fällt mit dieser zusammen und wird dann durch den Spiegel 42 in eine etwa horizontale Richtung abgelenkt. Durch die Oszillation des Spiegels 42 erfolgt eine Ablenkung in der Vertikalen.
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Im Strahlengang zwischen der Laserstrahlquelle 40 und dem Spiegel 42 ist ein Strahlteiler 46 in der Form eines halbdurchlässigen Spiegels angeordnet. Der von der Laserstrahlquelle emittierte Strahl durchquert den Strahlteiler und wird dann durch den Spiegel 42 auf die zu ortenden Objekte abgelenkt. Das an diesen Objekten reflektierte oder gestreute Licht läuft auf demselben Weg zurück zum Spiegel 42 und wird durch diesen wieder in Richtung auf die Laserstrahlquelle 40 abgelenkt. Der Strahlteiler 46 lässt jedoch nur einen Teil dieses Lichts, beispielsweise 50%, wieder zur Laserstrahlquelle 40 passieren, während der andere Teil auf den Empfänger 44 gelenkt wird. Die Frequenz des von der Laserstrahlquelle 40 emittierten Laserstrahls ist moduliert, beispielsweise in der Form steigender und/oder fallender Rampen. In der Kavität der Laserstrahlquelle kommt es zu einer Interferenz zwischen dem emittierten Licht und dem zurückgestreuten Licht (self-mixing interference) und damit zu einer Schwebung in dem vom Empfänger 44 empfangenen Signal, die von dem Frequenzunterschied zwischen gesendetem und empfangenem Licht und damit vom Abstand des Objekts abhängig ist. Die Auswertung dieses Signals erlaubt insbesondere im Nahbereich eine sehrhoch auflösende Abstandsmessung.
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Die Reflektivität des Strahlteilers 46 kann je nach Anwendungsfall variieren. Wenn vorherrschend Objekte im Nahbereich (z.B. < 1 m) geortet werden sollen, ist es zweckmäßig, den Stahlteiler so auszugestalten oder einzustellen, dass die Reflektivität kleiner als 50 % ist, damit die Interferenz in der Laserstrahlquelle verstärkt wird. Wenn dagegen vorherrschend Objekte im mittleren Abstandsbereich geortet werden sollen, kann bei der hier gezeigten Anordnung durch Erhöhung der Reflektivität die Intensität am Empfänger 44 und damit die Reichweite gesteigert werden. Das Umgekehrte gilt bei einer (nicht gezeigten) Anordnung, bei der der Strahlteiler das von der Laserstrahlquelle kommende und zu dieser zurücklaufende Licht reflektiert und den zum Empfänger laufenden Strahl in Transmission passieren lässt.
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Während bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel auch der Strahlteiler 46, der Empfänger 44 und die Laserstrahlquelle 40 zusammen mit dem Spiegel 42 und der Scheibe 36 rotieren, ist auch eine Anordnung denkbar, bei der die Laserstrahlquelle 40, der Strahlteiler 46 und der Empfänger 44 stationär sind und nur der Spiegel 42 rotiert.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Laserstrahlquelle 40', ein Strahlteiler 46', ein Empfänger 44' und ein Spiegel 42' liegend auf der rotierenden Scheibe 36 angeordnet sind. Die oszillierende Bewegung des Spiegels 42' und damit die Ablenkung des Laserstrahl erfolgt in diesem Fall in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene.
