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Die Erfindung betrifft eine Lidar-Abtasteinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Lidar-Abtasteinrichtung zum Einsatz an einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Eine Lidar-Abtasteinrichtung umfasst eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor. Die Lichtquelle sendet Licht innerhalb eines vorbestimmten Beobachtungsbereichs aus und der Lichtdetektor empfängt ausgesandtes Licht, das an einem Objekt im Beobachtungsbereich reflektiert wurde. Auf der Basis des detektierten reflektierten Lichts können beispielsweise eine Ausdehnung und/oder eine Entfernung des Objekts bestimmt werden.
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Für unterschiedliche Zwecke sind unterschiedliche Beobachtungsbereiche von Vorteil. Fährt das Kraftfahrzeug beispielsweise auf einer Autobahn, so kann ein vorausfahrendes Kraftfahrzeug in einem Beobachtungsbereich erfasst werden, der einen kleinen Öffnungswinkel und eine große Reichweite aufweist. Fährt das Kraftfahrzeug hingegen langsam, so kann ein Nahbereich verbessert mit einem großen Öffnungswinkel und einer kleinen Reichweite abgetastet werden.
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Üblicherweise ist im Strahlengang zwischen dem Objekt und dem Lichtdetektor ein optisches Abbildungselement vorgesehen, das den Beobachtungsbereich bestimmt. Dabei ist das optische Abbildungselement fest gewählt, sodass eine Lidar-Abtasteinrichtung üblicherweise einem Zweck oder einer Gruppe von ähnlichen Verwendungen fest zugeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lidar-Abtasteinrichtung und ein Lidar-Abtasteinrichtungssystem bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Lidar-Abtasteinrichtung zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht auf ein Objekt; einen Lichtdetektor zum Empfangen von Licht, das vom Objekt reflektiert wurde; und mehrere optische Abbildungselemente im Strahlengang zwischen dem Objekt und dem Lichtdetektor.
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Durch die Verwendung nicht nur eines, sondern mehrerer Abbildungselemente kann dieselbe Lidar-Abtasteinrichtung für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Beispielsweise können unterschiedliche Fahrerassistenzsysteme an Bord des Kraftfahrzeugs auf die Lidar-Abtasteinrichtung zugreifen.
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Ein optisches Abbildungselement kann eine Taper-Optik, ein refraktives Element oder ein diffraktives Element umfassten. Eine Taper-Optik ist üblicherweise aus einer großen Anzahl von lichtleitenden Fasern gebildet, die Licht von einer Eintrittsfläche auf einer Austrittsfläche abbilden. Die Fasern sind bevorzugterweise Monomode und können derart dicht gebündelt sein, dass sich effektiv ein solider Block ergibt. Ein refraktives Element basiert auf Lichtbrechung und kann beispielsweise eine Linse oder ein Prisma umfassen. Ein diffraktives Element basiert auf Lichtbeugung und kann beispielsweise mittels einer Mikrostruktur arbeiten. Die Erfindung erlaubt es, gleichartige oder unterschiedliche optische Abbildungselemente miteinander zu kombinieren.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die optischen Abbildungselemente unterschiedliche Beobachtungsbereiche aufweisen. Dadurch kann die Lidar-Abtasteinrichtung verbessert unterschiedlichen Zwecken dienen.
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In einer Variante unterscheiden sich die Beobachtungsbereiche in einem Öffnungswinkel oder einer Reichweite. In einer anderen Variante unterscheiden sich die Beobachtungsbereiche in einer Ausrichtung ihrer Begrenzungen. Anders ausgedrückt können sich die Beobachtungsbereiche bezüglich ihres Öffnungswinkels bzw. ihrer Reichweite und/oder bezüglich ihrer Richtung, bezogen auf eine Orientierung des Kraftfahrzeugs, unterscheiden. Die Variationen können miteinander kombiniert werden, sodass beispielsweise ein erster Beobachtungsbereich in Fahrtrichtung vorne gerichtet ist und einen schmalen Öffnungswinkel aufweist, während ein zweiter Beobachtungsbereich lateral (seitlich) orientiert ist und einen großen Öffnungswinkel aufweist. So können beispielsweise ein Anti-Kollisions-Assistent und eine Einparkhilfe die Lidar-Abtasteinrichtung mit einem jeweils zugeordneten Beobachtungsbereich verwenden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Abbildungselemente auf unterschiedliche Bereiche des Lichtdetektors ab. Dadurch können die Beobachtungsbereiche auch konkurrierend, also gleichzeitig, ausgenutzt werden.
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In einer anderen Ausführungsform überlappen sich die Bereiche des Lichtdetektors, auf die die Abbildungselemente abbilden, und bevorzugterweise ist eine steuerbare Blende zur Abschattung eines der Beobachtungsbereiche vorgesehen. Die Blende kann insbesondere angesteuert werden, alle bis auf einen der Beobachtungsbereiche abzuschatten. Dazu können zwei einzeln steuerbare Blenden oder eine gemeinsame Blende vorgesehen sein. Die gemeinsame Blende kann insbesondere eine einfache Lochblende umfassen, die so verschoben werden kann, dass ihr Loch in demjenigen Strahlengang liegt, dessen zugeordneter Beobachtungsbereich ausgenutzt werden soll. Dadurch können zeitlich nacheinander unterschiedliche Beobachtungsbereiche verwendet werden, die jeweils den gesamten Lichtdetektor ausnutzen können.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist in den Strahlengängen der Abbildungselemente jeweils ein optischer Bandpass vorgesehen, wobei Bandbreiten und/oder Mittelwellenlängen der Bandpässe unterschiedlich sind. Bevorzugterweise ist die Bandbreite und/oder die Mittelwellenlänge eines Bandpasses an einen zugeordneten Beobachtungsbereich angepasst. Insbesondere kann eine Anpassung bezüglich eines Öffnungswinkels oder einer Reichweite erfolgen. Je geringer der Öffnungswinkel ist, desto kleiner kann die Bandbreite des Bandpasses sein, sodass sich ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) ergeben kann.
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Ein Lidar-Abtastungssystem umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht auf ein Objekt; einen Lichtdetektor zum Empfangen von Licht, das vom Objekt reflektiert wurde; und mehrere optische Abbildungselemente, von denen eines im Strahlengang zwischen dem Objekt und dem Lichtdetektor angeordnet werden kann.
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Das optische Abbildungselement kann in Abhängigkeit einer geplanten Verwendung der Lidar-Abtasteinrichtung gewählt werden, die durch das Einsetzen des Abbildungselements entsteht. Es ist besonders bevorzugt, dass gleichzeitig mehrere optische Abbildungselemente im Strahlengang angeordnet werden können, wie oben genauer beschrieben ist.
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Vorteilhafterweise können eine Reichweite und/oder ein Öffnungswinkel eines Beobachtungsbereichs der Lidar-Abtasteinrichtung durch entsprechende Wahl eines passenden optischen Abbildungselements diskret variiert werden. Insbesondere kann die Reichweite innerhalb eines vorbestimmten Öffnungswinkels diskret angepasst werden. Ein Sensorgehäuse kann verbessert auf ein eingesetztes optisches Abbildungselement angepasst werden. Ein Beobachtungsbereich kann durch Hinzufügen eines weiteren optischen Abbildungselements, insbesondere einer Taper-Optik, eines refraktiven Elements oder eines diffraktiven Elements, erweitert werden. Ein Lichtdetektor-Array, das eine Vielzahl diskreter Lichtdetektoren umfasst, kann durch diskrete Einzeldetektoren ersetzt werden. Jedem Einzeldetektor kann ein optisches Abbildungselement zugeordnet sein. Die diskreten Einzeldetektoren können kostengünstiger und/oder robuster sein. Die optischen Abbildungselemente können derart gewählt werden, dass die Beobachtungsbereiche einander überlappen, sodass eine Abtastung robuster beispielsweise gegenüber Schmutz oder anderen Störungen sein kann. Außerdem kann ein Bereich festgelegt werden, indem mehrere Beobachtungsbereiche einander überlappen, sodass in diesem besonders interessierenden Bereich (Region of Interest, ROI) eine redundante Abtastung möglich ist. Die ASIL-Fähigkeit der Lidar-Abtasteinrichtung kann dadurch erhöht werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine Darstellung einer Lidar-Abtasteinrichtung zum Einsatz an einem Kraftfahrzeug;
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2 unterschiedliche Beobachtungsbereiche einer Lidar-Abtasteinrichtung nach 1; und
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3 Diagramme unterschiedlicher Bandpässe zur Verwendung an der Lidar-Abtasteinrichtung von 1
darstellt.
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1 zeigt eine Darstellung einer Lidar-Abtasteinrichtung 100, insbesondere zum Einsatz an einem Kraftfahrzeug. Die Abtasteinrichtung 100 umfasst eine Lichtquelle 105 und einen Lichtdetektor 110, sowie bevorzugterweise mehrere optische Abbildungselemente 115. Die Abtasteinrichtung 100 ist dazu eingerichtet, ein Objekt 120 optisch abzutasten. Dazu sendet die Lichtquelle 105 Licht aus, das am Objekt 120 reflektiert werden und auf den Lichtdetektor 110 geworfen werden kann. In einer Ausführungsform sind die Lichtquelle 105 und der Lichtdetektor 110 miteinander integriert ausgeführt, sodass sie weitgehend den gleichen Strahlengang miteinander teilen. Die Lichtquelle 105 umfasst bevorzugterweise einen Laser, dessen Licht in einer Ausführungsform zeilenförmig oder zeilen- und spaltenförmig über einen vorbestimmten Bereich geführt werden kann. Der Lichtdetektor 110 umfasst entweder ein diskretes Element oder eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von diskreten Sensorelementen. Das optische Abbildungselement 115 ist im Strahlengang zwischen dem Objekt 120 und dem Lichtdetektor 110 angeordnet und dazu eingerichtet, das durch sie fallende Licht in einer vorbestimmten Weise zu fokussieren oder aufzuweiten. Das optische Abbildungselement 115 kann insbesondere eine Taper-Optik, ein refraktives Element, ein diffraktives Element oder eine Kombination davon umfassen.
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Ein Beobachtungsbereich 125, aus dem Licht durch das Abbildungselement 115 auf den Lichtdetektor 110 fallen kann, wird üblicherweise hauptsächlich durch die optischen Eigenschaften des Abbildungselements 115 bestimmt. Insbesondere können ein Öffnungswinkel 130 oder eine Ausrichtung einer Begrenzung 135 des Öffnungswinkels 130 durch das Abbildungselement 115 definiert sein.
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Es wird vorgeschlagen, wenigstens zwei optische Abbildungselemente 115 gleichzeitig in den Strahlengang zwischen dem Objekt 120 und dem Lichtdetektor 110 vorzusehen. Wie aus der Darstellung von 1 ersichtlich ist, kann jedem Abbildungselement 115 ein Beobachtungsbereich 125 zugeordnet sein, wobei sich der gesamte Beobachtungsbereich 125 der Lidar-Abtasteinrichtung 100 aus der Kombination beider Beobachtungsbereiche 125 ergeben kann.
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Optional sind eine Blende 140 und/oder ein Bandpass 145 im Strahlengang zwischen dem Objekt 120 und dem Lichtdetektor 110 vorgesehen. Bevorzugterweise ist jedem Abbildungselement 115 ein eigener Bandpass 145 zugeordnet. Es können auch zugeordnete Blenden 140 oder eine gemeinsame Blende für beide Abbildungselemente 115 verwendet werden. In einer Ausführungsform umfasst die Blende 140 eine einfache Lochblende, die dazu eingerichtet ist, den Strahlengang zwischen nur einem der optischen Abbildungselemente 115 und dem Lichtdetektor 110 zu erlauben und den anderen Strahlengang abzuschatten. In noch einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere Irisblenden zusammen mit der Lochblende die Blende 140 darstellen.
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Bevorzugterweise unterscheiden sich die Beobachtungsbereiche 125 bezüglich ihrer Ausrichtung, ihres Öffnungswinkels 130 und/oder ihrer Reichweite. Dabei können sich die Beobachtungsbereiche 125 überlappen oder voneinander disjunkt sein. Die Ausrichtung eines Beobachtungsbereichs kann durch eine Winkelhalbierende des Öffnungswinkels 130 gegeben sein, der sich zwischen Begrenzungen 135 erstreckt. In unterschiedlichen Ausführungsformen können die Beobachtungsbereiche 125 voneinander verschieden sein oder sich überlappen. In weiteren Ausführungsformen können die Beobachtungsbereiche 125 auch miteinander identisch sein oder einer der Beobachtungsbereiche 125 kann ein Teil des anderen Beobachtungsbereichs 125 sein.
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Jedes optische Abbildungselement 115 ist dazu eingerichtet, Licht auf einen vorbestimmten, zugeordneten Detektionsbereich 150 des Lichtdetektors 110 abzubilden. Unabhängig von der relativen Lage der Beobachtungsbereiche 125 können die Detektionsbereiche 150 einander überlappen, miteinander identisch sein, disjunkt sein oder ein Detektionsbereich 150 kann einen Teil des anderen Detektionsbereichs 150 bilden. In einer Ausführungsform liegen beide Detektionsbereiche 150 auf dem gleichen Lichtdetektor 110, in einer anderen Ausführungsform sind zwei diskrete Lichtdetektoren 110 vorgesehen, von denen jeder einen eigenen Detektionsbereich 150 aufweist.
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Durch die verschiedenen Möglichkeiten, die Beobachtungsbereiche 125 und die Detektionsbereiche 150 aufeinander abzustimmen, können durch Wahl jeweils geeigneter optischer Abbildungselemente 115 eine große Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen mit ansonsten gleichen Komponenten herbeigeführt werden.
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Ein Lidar-Abtasteinrichtungssystem 160 umfasst mehrere optische Abbildungselemente 115, von denen wenigstens eine, bevorzugt aber wenigstens zwei, verwendet wird, um die oben beschriebene Lidar-Abtasteinrichtung 100 zu bilden. Mithilfe des Systems 160 kann nach Art eines Baukastens eine Lidar-Abtasteinrichtung 100 aufgebaut werden, die gezielt an mehrere unterschiedliche Zwecke angepasst sein kann. In einer weiteren Ausführungsform sind drei oder mehr optische Abbildungselemente 115 in der Lidar-Abtasteinrichtung 100 vorgesehen, wobei die obigen Erklärungen in entsprechender Weise gelten.
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2 zeigt unterschiedliche exemplarische Beobachtungsbereiche 125 einer Lidar-Abtasteinrichtung 100 nach 1. In einem oberen Bereich ist eine Draufsicht und in einem unteren Bereich eine Seitenansicht der Beobachtungsbereiche 125 dargestellt.
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Ein erster Beobachtungsbereich 125.1, der einem ersten optischen Abbildungselement 115.1 zugeordnet ist, weist einen geringen ersten Öffnungswinkel 130.1 auf. Die Reichweite ist relativ groß und der erste Beobachtungsbereich 125.1 ist horizontal und vertikal symmetrisch zu einer Fahrtrichtung 205 ausgerichtet.
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Ein zweiter Beobachtungsbereich 125.2 ist einem zweiten optischen Abbildungselement 115.2 zugeordnet. Ein zweiter Öffnungswinkel 130.2 ist kleiner als der erste Öffnungswinkel 130.1 und die Ausrichtung des zweiten Beobachtungsbereichs 125.2 schließt in horizontaler Richtung einen Winkel mit der Fahrtrichtung 205 ein, während der zweite Beobachtungsbereich 125.2 in vertikaler Richtung parallel zur Fahrtrichtung 205 verläuft.
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Ein dritter Beobachtungsbereich 125.3 ist einem dritten optischen Abbildungselement 115.3 zugeordnet. Ein zugeordneter dritter Öffnungswinkel 130.3 ist größer als der zweite Öffnungswinkel 130.2 und eine horizontale Ausrichtung des dritten Beobachtungsbereichs 125.3 schließt in horizontaler Richtung einen größeren Winkel mit der Fahrtrichtung 205 ein als der zweite Beobachtungsbereich 125.2. In vertikaler Richtung ist der dritte Beobachtungsbereich 125.3 parallel zur Fahrtrichtung 205 ausgerichtet.
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Die Abbildungselemente 115.1, 115.2 und 115.3 können gleichzeitig oder nacheinander verwendet werden, um die Beobachtungsbereiche 125.1, 125.2 oder 125.3 abzutasten. Bevorzugterweise sind alle Abbildungselemente 115 jeweils Teil der gleichen Lidar-Abtasteinrichtung 100, sodass mittels derselben Abtasteinrichtung 100 unterschiedliche Abtastungen vorgenommen werden können.
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3 zeigt Diagramme unterschiedlicher Bandpass 145, zur Verwendung an der Lidar-Abtasteinrichtung 100 von 1. Im oberen Bereich ist ein erstes Diagramm 305 und im unteren Bereich ein zweites Diagramm 310 dargestellt. Das erste Diagramm 305 ist einem ersten Bandpass 145 zugeordnet, der einem ersten Beobachtungsbereich 125 zugeordnet ist, und das zweite Diagramm 310 ist einem zweiten Bandpass 145 zugeordnet, das einem zweiten Beobachtungsbereich 125 zugeordnet ist (vgl. 1). Die Bandpass 145 können in einer Ausführungsform mit den jeweils zugeordneten optischen Abbildungselementen 115 integriert ausgeführt sein.
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In beiden Diagrammen 305, 310 sind in horizontaler Richtung eine Wellenlänge und in vertikaler Richtung eine Transmission, also eine Durchlässigkeit des jeweiligen Bandpasss 145, angegeben.
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In jedem Diagramm 305, 310 sind mit durchgezogener Linie eine erste Durchlasskurve 315 und mit unterbrochener Linie eine zweite Durchlasskurve 320 sowie jeweils eine Hüllkurve 325 eingetragen. Es wird davon ausgegangen, dass der Bandpass 145 des ersten Diagramms 305 einem Beobachtungsbereich 125 mit einem kleinen Öffnungswinkel 130 und das zweite Diagramm 310 einem Beobachtungsbereich 125 mit größerem Öffnungswinkel 130 zugeordnet ist. Die erste Durchlasskurve 315 bezeichnet jeweils das durch den Bandpass 145 tretende Licht, wenn es aus der Richtung der Winkelhalbierenden des Öffnungswinkels 130 einfällt. Die zweite Durchlasskurve 320 bezeichnet analog dazu das durch den Bandpass 145 tretende Licht aus einer Richtung nahe einer der Begrenzungen 135. Die Hüllkurve 325 bezeichnet den jeweiligen Durchlassbereich der beiden Bandpass 145. Es ist zu sehen, dass im ersten Diagramm 305 eine schmalere Hüllkurve 325 als im zweiten Diagramm 310 verwendet werden kann.
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Anders ausgedrückt kann die Hüllkurve 325 des Bandpasss 145 in Abhängigkeit des Öffnungswinkels 130 des jeweils zugeordneten Beobachtungsbereichs 125 gewählt werden. So kann die Bandbreite, die in der Darstellung der Breite der Hüllkurve 125 auf halber Höhe entspricht (Halbwertsbreite = Full Width at Maximum Half, FWHM), angepasst schmal gehalten sein. Dadurch kann ein verbesserter Schutz gegenüber Störlicht, das beispielsweise von der Sonne oder einer anderen Lichtquelle herrühren kann, erreicht werden.
