DE102016223669A1

DE102016223669A1 - Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, LiDAR-System und Arbeitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016223669A1
Application number: DE102016223669.5A
Authority: DE
Inventors: Mihel Seitz; Thomas Fersch; Johannes Artzner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1), bei welchem (i) eine Lichtquelle (65) zum Bestrahlen eines Sichtfeldes (50) im Wesentlichen kontinuierlich zum Aussenden von Licht betrieben wird, (ii) zum Erfassen des Sichtfeldes (50) aus dem Sichtfeld (50) kommendes Licht detektiert wird, (iii) das Bestrahlen des Sichtfeldes (50) kurzzeitig und insbesondere pulsartig unterbrochen wird und (iv) die Unterbrechung als Sendesignal verwendet wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme 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.
Bei herkömmlichen LiDAR-Systemen wird dezidiert eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Lichtquelle vorgesehen, die der Bestrahlung des Sichtfeldes dient und als zusätzliche Komponente an der zu Grunde liegenden Vorrichtung, zum Beispiel einem Fahrzeug, angebracht und betrieben werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass keine dezidierte Strahlungsquelle vorgesehen werden muss, weil eine kontinuierlich betriebene Lichtquelle zur Bestrahlung des Sichtfeldes verwendet werden kann, zum Beispiel ein ohnehin an der zu Grunde liegenden Vorrichtung vorhandener Scheinwerfer. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System geschaffen wird, bei welchem (i) eine Lichtquelle zum Bestrahlen eines Sichtfeldes im Wesentlichen kontinuierlich zum Aussenden von Licht betrieben wird, (ii) zum Erfassen des Sichtfeldes aus dem Sichtfeld kommendes Licht detektiert wird, (iii) das Bestrahlen des Sichtfeldes kurzzeitig und insbesondere pulsartig unterbrochen wird und (iv) die Unterbrechung als Sendesignal verwendet wird. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren stellt somit eine Art Inversion oder Umkehr des herkömmlichen Vorgehens dar, bei welchem pulsweise und somit kurzzeitig das Strahlungsfeld zum Erfassen des Sichtfeldes aufgebaut wird. Auf Grund des neuartigen Vorgehens sind kontinuierlich betreibbare oder betriebene Strahlungsquellen, zum Beispiel Fahrzeugscheinwerfer oder dergleichen, beim Betrieb von LiDAR-Systemen anwendbar. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, eine dezidierte Strahlungsquelle für ein LiDAR-System bereitzustellen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, das Bestrahlen des Sichtfeldes kurzzeitig und insbesondere pulsartig zu unterbrechen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erfolgt die Unterbrechung durch Unterbrechung des fortdauernden Lichtstroms bei andauerndem Betrieb der Lichtquelle, insbesondere unter Verwendung einer Blende und/oder eines optischen Choppers oder anderer mechanischer Mittel.
Alternativ oder zusätzlich kann die Unterbrechung bewirkt werden durch Unterbrechung des Betriebs der Lichtquelle und somit durch Unterbrechung der tatsächlichen Erzeugung des Lichtstroms.
Um dabei die Belastung für die weiteren elektrischen Komponenten des zu Grunde liegenden Systems möglichst gering zu halten kann die Unterbrechung der Erzeugung des Lichtstroms unter beibehaltenem kontinuierlichen Betrieb der Stromversorgung der Lichtquelle erfolgen, nämlich beispielsweise unter ersatzweiser, kommutierender Parallelschaltung eines in der elektrischen Leistung äquivalenten Verbrauchers parallel zur Lichtquelle. Dieses Vorgehen ist gegenüber mechanischen Lösungen vorteilhaft, z.B. in Bezug auf den Grad der Zuverlässigkeit und des Verschleißes.
Die Verwendung der Unterbrechung des Bestrahlens des Sichtfeldes als Sendesignal kann insbesondere dadurch erfolgen, dass aus dem Sichtfeld kommendes detektiertes Licht in zeitlicher Korrelation zum Abfall und/oder Anstieg einer Lichtintensität im Sendesignal auf Grund der Unterbrechung bewertet wird. Das kann konkret bedeuten, dass gerade die abfallenden und ansteigenden Flanken der Lichtintensität des in das Sichtfeld eingestrahlten Lichtfeldes als Signalkomponenten zur Detektion eines endenden bzw. beginnenden Reflexionssignals aufgefasst und interpretiert werden.
Besonders genaue Detektionsergebnisse lassen sich erreichen, wenn für eine Bewertung aus dem Sichtfeld kommenden detektierten Lichts ein signalangepasster Filter verwendet wird, insbesondere im Zusammenhang mit einem die Unterbrechung definierenden Steuersignal.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens als Lichtquelle oder als Teil davon ein Scheinwerfer einer zu Grunde liegenden Vorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, verwendet wird, vorzugsweise ein Kraftfahrzeugscheinwerfer.
Insbesondere in diesem Fall kann berücksichtigt werden, dass der ohnehin verwendete Scheinwerfer neben der Speisung des LiDAR-Systems zur Detektion auch die Aufgabe des Ausleuchtens der Umgebung für den Fahrer erfüllen muss.
Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens als Lichtquelle eine Lichtquelle mit additiver Farbmischung, insbesondere mit einem visuell im Wesentlichen als weiß wahrnehmbaren Spektrum, und/oder eine Laserlichtquelle, vorzugsweise mit einem blauen Spektralbereich und/oder mit im Strahlengang ausgebildeter Fluoreszenzeinheit zum Erzeugen von Licht mit einem zum Spektralbereich der Laserlichtquelle zumindest teilweise komplementären Spektralbereich, verwendet wird.
Unter diesen Umständen ist es von besonderem Vorteil, wenn in einer Empfängeroptik des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems vor einer Detektoranordnung ein auf den Spektralbereich der Laserlichtquelle abgestimmtes Bandpassfilter im Strahlengang angeordnet ist oder wird.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System, insbesondere für ein Fahrzeug, welche eingerichtet ist, ein Betriebsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen, und welche dazu entsprechende Mittel aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes geschaffen, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug. Das erfindungsgemäße LiDAR-System ist mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet.
Ferner wird erfindungsgemäß auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug geschaffen, welches mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System ausgebildet ist, um ein Sichtfeld optisch zu erfassen.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
2 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems in Bezug auf den Aufbau einer Senderoptik.
3 zeigt schematisch den Aufbau einer Lichtquelle zur Verwendung bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
4 zeigt in Form eines Graphen spektrale Aspekte einer Lichtquelle zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System.
5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems in Bezug auf den Aufbau einer Empfängeroptik.
6 bis 9 zeigen schematisch verschiedene Detektoranordnungen, die bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System verwendbar sind.
10 bis 13 zeigen in Form von Graphen verschiedene Aspekte bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems verwendeter Sende- und Empfangssignale.
14 zeigt schematisch den Aufbau einer Lichtquelle, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems Verwendung finden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 14 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.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.
Das in 1 dargestellte LiDAR-System 1 besteht neben einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelle 65, zum Beispiel in Form eines oder mehrerer Laser, einer Senderoptik 60, einer Empfängeroptik 30 und einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale erfolgt durch die Steuer- und Auswerteeinheit 40.
Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelle 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts 57 veranlasst, welches auch als Primärlicht bezeichnet wird. Das Primärlicht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66 entsprechend dem Anwendungsfall modelliert und dann mittels einer sendeseitig abtastenden Ablenkoptik 62, zum Beispiel in Form eines oder mehrerer ein- oder zweidimensional abtastender Mikrospiegel 63 mit Schwenkachse 64-1 zum Verschwenken mit einer Schwenkbewegung 64, in ein Sichtfeld 50 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 ausgesandt.
Das aus dem Sichtfeld 50 und vom Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer vorgesehenen Sekundäroptik 35 weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Sensorelementen 22 übertragen. Die Sensorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.
Die Ausführungsform der Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß 1 besteht aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist.
Es können das Steuersystem 100 und die Einheiten 70, 80 und 90 tatsächlich als separate Komponenten innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet sein.
Es kann jedoch ein LiDAR-System 1 ausgebildet sein, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit 40 miteinander kombiniert und integriert ausgebildet sind, so dass die Darstellung gemäß 1 nur der Darstellung der vorhandenen Komponenten dem Grundsatz nach dient, die konkrete Architektur dadurch jedoch nicht unbedingt widergespiegelt wird und von der Darstellung aus 1 abweichen kann.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist der Spiegel 63 über eine Verschwenkbewegung, die mit dem Doppelpfeil 64 angedeutet ist, eindimensional oder zweidimensional um eine Schwenkachse 64-1 verschwenkbar, um das Primärlicht 57 auf das Sichtfeld 50 mit dem darin enthaltenen Objekt 52 zu richten.
Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit 40 im Zusammenwirken mit der Lichtquelle 65 dazu ausgebildet, bei einem an sich kontinuierlichen Betrieb der Lichtquelle 65 Unterbrechungen des Lichtstroms von der Senderoptik 60 in das Sichtfeld 50 oder in Teile davon zu bewirken, so dass die Unterbrechungen im Lichtstrom und insbesondere die ansteigenden abfallenden Flanken in der Lichtintensität quasi als Sendesignale auswertbar sind.
Bei der Lichtquelle 65 kann es sich bei konkreten Anwendungsfällen um Scheinwerfer einer zu Grunde liegenden Vorrichtung, die mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 ausgerüstet ist, zum Beispiel um ein Kraftfahrzeug, handeln. Insbesondere wird die Lichtquelle 65 von einem Kraftfahrzeugscheinwerfer oder einem Teil davon gebildet.
2 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 in Bezug auf den Aufbau einer Senderoptik 60.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 besteht die vorgesehene Lichtquelle 65 der Senderoptik 60 aus einer Anordnung einer Mehrzahl von Laserdioden 65-1, welche über Steuerleitungen 42 durch eine Steuer- und Auswerteeinheit 40 angesteuert werden, um bei einem an sich kontinuierlichen Betrieb der einzelnen Laserdioden 65-1 für eine temporäre Unterbrechung des Lichtstroms auf den Zielbereich 50 mit den Objekten 52 hin zu sorgen.
Dargestellt ist hier die Ablenkungsoptik 62 mit einem eindimensional um eine Schwenkachse 64-1 mit einer Schwenkbewegung 64 verschwenkbaren Spiegel 63, welcher ausgebildet ist, die Mehrzahl der einzelnen Strahlen des primären Lichts 57 der Anordnung der Laserdiode 62-1 der Lichtquelle 65 derart in das Sichtfeld 50 verschwenkend abzulenken, dass dadurch über eine entsprechende Bewegung 59 der einzelnen Strahlen des Primärlichts 57 das gesamte Sichtfeld 50 optisch abgetastet wird.
Die Senderoptik 60 weist hier des Weiteren ein Fluoreszenzelement 57 auf, welches sich im Strahlengang des Primärlichts 57 befindet und von diesem im Betrieb durchstrahlt wird. Das Primärlicht 57 führt im Zusammenwirken mit dem vom Fluoreszenzlicht 67 durch Bestrahlung mit dem Primärlichts 57 erzeugten Fluoreszenzlichts zu einem über additive Farbmischung als weiß empfundenen Licht im Sichtfeld 50. Das additiv gemischte Licht dient dabei ausschließlich der Beleuchtung und damit der Sinneswahrnehmung des Benutzers. Dagegen ist das von den Laserdioden 65-1 ausgesandte Primärlicht 57 für die Funktionalität als LiDAR-System 1 ausreichend.
3 zeigt schematisch den Aufbau einer Lichtquelle 65 zur Verwendung bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.
Die Lichtquelle 65 gemäß 3 besteht aus einer Laserdiode 65-1, die von einem Fluoreszenzelement 67 umgeben ist und zusammen mit dem Fluoreszenzelement 67 in einem transparenten Gehäuse 68 eingekapselt ist. Zur Energieversorgung sind ein erster Anschluss 65-2, zum Beispiel für eine Anode der Laserdiode 65-1, und ein zweiter Anschluss 65-3, zum Beispiel für eine Kathode der Laserdiode 65-1, in Kontakt mit der Laserdiode 65-1 ausgebildet.
Beim Beaufschlagen der Laserdiode 65-1 mit elektrischer Energie wird Primärlicht 57 erzeugt und in Wechselwirkung mit Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzelements 67 in Primärlicht 57 mit einem für den Benutzer weißen Farbeindruck zur Abstrahlung in das Sichtfeld 50 generiert.
4 zeigt in Form eines Graphen 4 bei der additiven Farbmischung zum Einsatz kommende spektrale Aspekte einer Lichtquelle 65 zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1.
Auf der Abszisse 4-1 ist die Wellenlänge aufgetragen, auf der Ordinate 4-2 die relative Empfindlichkeit oder Intensität. Das Spektrum 4-3 zeigt den spektralen Verlauf des von einer blauen Laserdiode 65-1 ausgesandten primären Lichts 57 mit deutlicher Konzentration im kurzwelligen Bereich. Angeregt durch das kurzweilige Licht der Laserdiode 62-1, wird durch Wechselwirkung mit dem vorgesehenen Fluoreszenzelement 67 ein Spektrum gemäß der Spur 4-4 erzeugt, hier mit Maximum im gelben Bereich bei etwa 580 nm. Die Spur 4-5 zeigt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges über das gesamte sichtbare Spektrum, mit Maximum bei 560 nm.
5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 in Bezug auf den Aufbau einer Empfängeroptik 30.
Das aus dem Sichtfeld 50 und insbesondere von den Objekten 52 im Sichtfeld 50 zurückgeworfene Sekundärlicht 58 durchläuft den Strahlengang der Empfängeroptik 30 und wird mittels der Sekundäroptik 35 auf die Detektoranordnung 20 abgebildet. Vor dem Durchlaufen der Sekundäroptik 35 ist im Strahlengang der Empfängeroptik 30 ein 36 Bandpassfilter angeordnet mit einem Durchlassvermögen für das von entsprechend zugeordneten Laserdioden 65-1 der Lichtquelle 65 erzeugte schmalbandige Laserlicht als Primärlicht 57. Das bedeutet, dass das von einem etwaig vorgesehenen Fluoreszenzelement 67 erzeugte Fluoreszenzlicht, welches auf Grund der Inkohärenz zum Laserlicht für die Objektdetektion irrelevant ist, vor dem Auftreffen auf der Detektoranordnung 20 ausgeblendet wird, und zwar zusammen mit etwaigem Störlicht, z.B. durch Sonne oder entgegenkommenden Verkehr.
Die 6 bis 9 zeigen schematisch verschiedene Detektoranordnungen, die bei einem erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 verwendbar sind. Dargestellt ist jeweils das optische Abbild 50' des Sichtfeldes 50 auf der Detektoranordnung 20 als Teil der Empfängeroptik 30.
Bei der Anordnung gemäß 6 ist ein einzelnes Detektorelement 22 ausgebildet.
Bei den Anordnungen gemäß den 7 und 8 ist jeweils eine Mehrzahl von linienartig ausgestalteten einzelnen Detektoren 22 vorgesehen, welche eine horizontal Weise vertikal ausgerichtete Überdeckung des Abbildes 50' des Sichtfeldes 50 bewirkt.
Bei der Anordnung gemäß 9 ist matrixartig eine Mehrzahl von Detektorelementen 22 ausgebildet, welche das optische Abbild 50' des Sichtfeldes 50 zur gleichzeitigen horizontalen und vertikalen räumlichen Auflösung optisch überdecken.
10 bis 13 zeigen in Form von Graphen 110, 120, 130, 140 verschiedene Aspekte bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 verwendeter Sende- und Empfangssignale.
Dabei ist an den Abszissen 111, 121, 131, 141 jeweils die Zeit und an den Ordinaten 112, 122, 132, 142 die relative Signalamplitude aufgetragen.
Die 10 und 11 zeigen verschiedene Formen von Sendesignalen 113 sowie 123. Die Signalintensität ist für einen kontinuierlichen Betrieb der zu Grunde liegenden Lichtquelle 65 maximal und konstant und fällt nur im Bereich einer jeweiligen Unterbrechung nach Art eines negativen Pulses auf den Wert Null ab. Beim Signal 113 gemäß 10 handelt es sich also um einen invertierten Einzelpuls, bei dem Signal 123 gemäß 11 handelt es sich um eine Abfolge invertierter Einzelpulse, die auch durch die Pulshöhe oder -tiefe und die Pulsabstände für eine Kodierung herangezogen werden können.
Die 12 und 13 zeigen Empfangssignale 133 und 143, und zwar gemäß 12 in Rohform, bei welcher der Empfangspuls, welcher einem Sendepuls gemäß 10 entspräche, durch das Rauschen verdeckt ist. 13 zeigt den eigentlichen Empfangspuls 144 im Empfangssignal 143 korrespondierend zu einem Sendesignal 113 aus 10 unter Verwendung eines signalangepassten Filters, welcher in der Korrelationseinheit 90 der zu Grunde liegenden Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet sein kann.
14 zeigt schematisch den Aufbau einer Lichtquelle 65, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 Verwendung finden kann.
Die Lichtquelle 65 gemäß 14 besteht aus der Parallelschaltung einer Laserdiode 65-1 und eines Widerstands 65-4, welche über eine Anordnung aus einem ersten Schalter von 60-5 und einem zweiten Schalter 65-6 mutiert geschaltet werden können, wobei der Widerstand 65-4 in seiner Leistungsaufnahme elektrisch äquivalent ausgebildet sein soll zur Laserdiode 65-1. Durch kommutierendes Schalten der beiden Schalter 65-5 und 65-6 über die Steuerleitung 42 kann die Steuer- und Auswerteeinheit 40 die Lichtquelle 65 und insbesondere die Laserdiode 65-1 oder eine Mehrzahl davon so ansteuern, dass Sendesignale mit Verlaufsformen gemäß den 10 oder 11 oder dergleichen entstehen.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Aufgabe ist die Schaffung einer vereinfachten und verbesserten Umfelderkennung, z.B. vor einem Fahrzeug. Diese Funktion kann z.B. mittels eines mikrospiegelbasierten Frontscheinwerfers realisiert werden.
Ein Kern der Erfindung ist die Modifikation eines Scheinwerfers, um während des eigentlichen Scheinwerferbetriebs ein moduliertes Signal in einen definierten Raumwinkel emittieren zu können.
Mittels einer Time-of-Flight-Messung mit dem modulierten Signal kann die Distanz zu einem im erfassten Raumwinkel befindlichen Objekt 52 bestimmt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.
Blaue Laserstrahlen aus mehreren zueinander in geeigneter Weise justierten Dioden 65-1 werden durch einen auf einer Achse 64-1 kippenden Mikrospiegel 63 derart ausgelenkt, dass die Zielszenerie, aufgefasst als Sichtfeld 50, vor dem Fahrzeug auf eine vorbestimmte Weise beleuchtet wird.
Dabei kann ein Scheinwerfer mit additiver Farbmischung als Lichtquelle 65 verwendet werden.
Bei einem derartigen Scheinwerfer kann gemäß 3 eine Scheibe 67 aus fluoreszierendem Farbstoff, gemeinhin „Phosphor“ genannt, verwendet werden, um bei Beleuchtung mit blauem Licht hauptsächlich gelbes Licht diffus in die gleiche Richtung zu emittieren.
Die Mischung aus blauem und gelbem Licht erzeugt einen insgesamt weißen Eindruck bei Betrachtung mit dem menschlichen Auge, wie dies im Zusammenhang mit 4 dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch die Erweiterung eines Fahrzeugscheinwerfers als Lichtquelle 65 für ein LiDAR-System 1 zum Erfassen von Distanzinformationen (LiDAR-Prinzip).
Als zusätzliches Systemelement wird dafür ein Detektor 20 benötigt, der das von der Zielszenerie 50 reflektierte Licht 58 empfängt und auswertet.
Die einzelnen Detektorelemente 22 können ausgebildet und angeordnet sein, wie dies im Zusammenhang mit 4 dargestellt ist.
Dabei kann zum Beispiel ein optisches Bandpassfilter 36 vorgesehen und auf die blaue Laserwellenlänge abgestimmt sein, um sämtliche anderen Wellenlängen zu unterdrücken. Störlicht aus dem Phosphor 67 und Sonnenlicht werden dadurch unterdrückt.
Eine Optik 35 aus einer oder mehreren Linsen projiziert die interessierende Zielszenerie 50 auf die Ebene der Detektoranordnung 20. Die blaue, reflektierte Lichtleistung wird dort mittels einer oder mehrerer Dioden - aufgefasst als Detektorelemente 22 - in ein elektrisches Signal zum Beispiel in einen Strom umgewandelt.
Es erscheinen Avalanchephotodioden (APDs) besonders vielversprechend. Weitere Möglichkeiten bieten Geiger-Mode- oder Single-Photon-Avalanchedioden (SPAD) oder PIN-Dioden oder Phototransistoren. Die Dioden können als Detektorelemente 22 auf verschiedene Arten auf der Ebene der Detektoranordnung 20 angeordnet werden.
4 zeigt eine Anordnung von Detektorelementen 22 mit entsprechenden Strahlengängen.
Je nach Ausführungsform der Optik können eine einzige Diode, ein horizontal oder vertikal angeordneter Zeilendetektor oder eine zweidimensionale Detektormatrix in der Detektoranordnung 20 verwendet werden.
In den 5 bis 8 ist gezeigt, wie die Zielszene, nämlich das Sichtfeld 50, jeweils auf die unterschiedlichen Detektoranordnungen 20 projiziert wird.
Während bei Anordnung in 5 die gesamte Szene 50 auf eine einzige Diode als Detektorelement 22 projiziert wird, sind die Optiken gemäß den 6 und 7 derart ausgeführt, dass horizontale bzw. vertikale Ausschnitte der Szene 50 auf eine horizontale bzw. vertikale Diodenzeile abgebildet werden.
Bei der Anordnung gemäß 8 wird die Szene 50 wie in herkömmlichen Kameras auf ein zweidimensionales Diodenarray abgebildet.
Signalmodulation
Eine Grundidee besteht darin, einen oder mehrere der Laser 65-1 als Komponenten einer Lichtquelle 65 gemäß den 1 und 2 während des Betriebs und mithin während der Emission von Licht zeitweise auszuschalten oder den Lichtstrom zu unterbrechen, um ein verwertbares Signal zu generieren.
Das Prinzip ist im Grunde invers zum herkömmlichen Vorgehen bei LiDAR-Systemen.
Während ein herkömmliches LiDAR-System 1 i.d.R. einen sehr kurzen, schmalen Peak an Laserleistung erzeugt, dient erfindungsgemäß gerade das kurze Aussetzen des Lasers dazu, dass Sendesignal zu erzeugen.
Dazu zeigt 10 nach Art eines Graphen ein einmaliges, kurzes Aussetzen des blauen Laserlichts als Primärlicht 57.
Um mehr Information auswerten zu können und die Wahrscheinlichkeit von Zufallsdetektionen zu minimieren, bietet es sich an, durch das Ausschalten der Laserdioden einen Code zu übertragen, z.B. gemäß 11, bei der insbesondere ein Pseudozufallscode (Position, Dauer, Pausen sind frei zu definieren) dargestellt und viel leichter als Signal zu erkennen ist als ein einzelner Puls.
Die Aussetzer im Betrieb der Lichtquelle 65 müssen auf jeden Fall schnell genug erfolgen und kurz genug sein, um bei menschlicher Betrachtung kein wahrnehmbares Flackern im Scheinwerferlicht zu erzeugen.
Zeitspannen für die einzelnen Pausen könnten sich im Bereich von 1 ns bis 100 ns liegen.
10 zeigt also den Signalverlauf einer Laserdiode 65-1 im Zusammenhang mit einem (invertierten) Einzelpuls.
11 zeigt einen Signalverlauf für den Betrieb einer Laserdiode 5 und 60-1 mit (invertierten) Mehrfachpulsen, insbesondere nach Art einer Pseudozufallsfolge zum Codieren.
Verschiedene Codes können von unterschiedlichen Laserdioden verwendet werden, um eine Kreuzdetektion zu erschweren, zum Beispiel im Sinne von Gold-Codes oder Optical-orthogonal-Codes.
Signalrückgewinnung und Time-of-flight-Messung
Ein derart erfindungsgemäß modulierter Laser 5 und 60-1 wird horizontal über die Szenerie des Sichtfeldes 50 hin- und herbewegt und beleuchtet im Zeitpunkt des Ausschaltens einen Teil der Szenerie des Sichtfeldes 50 nicht. Dieser Wechsel aus Licht an und Licht aus wird an diesem Ort der Szenerie des Sichtfeldes 50 von einem sich dort befindenden Objekt 52 reflektiert und gelangt in den Detektor 20, 22, wie er in den 1 und 5 dargestellt ist.
12 zeigt ein Messsignal eines Detektors 20, 22 in Form einer elektrischen Spannung nach Verstärkung. Die eigentliche Signalkomponente ist im Rauschen verborgen.
Die als Detektoren 22 in der Detektoranordnung 20 verwendeten Photodioden wandeln die Leistung der Strahlung mit ggf. nachgeschalteten Verstärkern in ein elektrisches Signal. 12 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf des elektrischen Signals. Das starke Hintergrundlicht durch den üblicherweise aktivierten Laser erzeugt ein starkes Rauschen. Dennoch ist das Signal enthalten.
Durch die Anwendung eines so genannten signalangepassten oder Matched-Filters wird das Rauschen unterdrückt und das Signal zurückgewonnen. Dabei wird das Empfangssignal mit dem ursprünglich gesendeten, zeitinvertiertem Sendesignal, wie es zum Beispiel in den 10 und 11 dargestellt ist, gefaltet: $g (t) = (s * h) (t) = \int_{- \infty}^{+ \infty} h (τ) s (t - τ) d r$
13 zeigt die gefilterte Form des Signals aus 12. Der im Signal enthaltene Gleichanteil, der durch die Laserdiode verursacht wird, lässt sich mit einem Hochpassfilter entfernen, um ein Übersteuern der Verstärker zu vermeiden. Auch kann das Signal danach invertiert werden, um die Weiterverarbeitung zu vereinfachen, so geschehen bei Signalauswertung gemäß 13 unter Verwendung eines signalangepassten Filters oder Matched-Filters.
Die Applikation des signalangepassten oder Matched-Filters kann analog oder digital erfolgen. Wird der Zeitpunkt der Detektion nach dem signalangepassten oder Matched-Filter mit dem Zeitpunkt des Starts der Signalmodulation verglichen, lässt sich über die Lichtgeschwindigkeit und das Herausrechnen der Systemlaufzeiten die Distanz zum Objekt 52 bestimmen.
Horizontale Auflösung
Nicht nur die Distanz sondern auch die Richtung zu dem detektierten Objekt 52 kann erfasst werden. Die horizontale Auflösung wird durch die Stellung des Mikrospiegels 63 zum Zeitpunkt der Signalemission ermöglicht. Die Spiegelstellung ist dem System 1 bekannt.
Auch kann im Falle der Detektoranordnungen 20 gemäß den 7 und 9 über einen Vergleich der Signalqualität der einzelnen Dioden 22 ein Rückschluss auf die wahrscheinlichste Richtung gezogen werden.
Vertikale Auflösung
Die vertikale Auflösung wird am einfachsten über die Laserdioden als Lichtquellen 65 sichergestellt. Wird nur eine der Dioden 65 geschaltet, ist oder sind bei Verwendung des Detektors 20, 22 gemäß 8 eine oder mehrere Zeilen komplett laserlichtfrei. Diese Photodioden 22 können ausgewertet werden. Der vertikale Ausleuchtwinkel der jeweiligen Laserdioden 65 ist dem System 1 bekannt.
Alternativ kann auch bei dem Detektor 20 gemäß 9 prinzipiell das Signal „gesucht“ werden. Kostengründe werden dagegen sprechen.
Detektorgeometrie
Ein Detektor 20, 22 gemäß 6, nämlich in Form einer Einzeldiode, ist am günstigsten, empfängt jedoch ein hohes Niveau an Störlicht durch die komplette Umgebung und alle Laserdioden als Lichtquellen 65. Eventuell ist ein Einsatz nachts möglich.
Ein Detektor 20, 22 gemäß 8 erscheint am vielversprechendsten, da jede Laserdiode 65 jeweils ihre eigenen Photodioden 22 beleuchten. Interferenz durch andere Laserdioden wird so vermieden. Die vertikale Auflösung wird verbessert. Jedoch wird das Hintergrundlicht einer ganzen Zeile der Szenerie auf die Diode 22 projiziert.
Ein Detektor gemäß 7 ermöglicht eine Verbesserung der horizontalen Auflösung. Jedoch beleuchten alle Laserdioden als Lichtquellen 65 immer eine Photodiode 22 und erzeugen ein hohes Maß an Interferenz. Außerdem wird ein guter Teil des Himmels auf die Photodiode abgebildet, was signifikantes Rauschen erzeugt.
Ein Detektor gemäß 9 erfordert aufwendige Algorithmen zur Auswahl der richtigen Einzeldioden 22, außerdem ist die Anordnung teuer in der Herstellung. Dafür wird das Rauschen durch Hintergrundlicht minimiert.
Ausschalten durch Kommutierung
Die Modulation der Laserdioden 65-1 als Lichtquellen 65 kann auf einfache Art mit minimaler Änderung des bestehenden Scheinwerfersystems implementiert werden.
In 14 ist das Prinzip dargestellt. Der elektrische Strom für die Laserdioden 65-1 aus der Stromquelle soll konstant bleiben, um das Gesamtsystem möglichst wenig zu beeinflussen und EMV-Störungen durch schnelle Stromänderungen zu vermeiden.
Das Ausschalten des kompletten elektrischen Stroms für die Laserdioden 65 in der eventuell nötigen sehr kurzen Zeit von zum Beispiel 2 ns bis 4 ns mit einem Gaußprofil wäre nur mit größerem Aufwand möglich.
Durch einfache Kommutierung des Stroms bleibt die Quelle immer konstant belastet. Ein zweiter Stromlaufpfad mit einem nichtleuchtenden Bauteil mit im Vergleich zur Laserdiode 65 ähnlichen elektrischen Eigenschaften, z.B. einem entsprechenden elektrischen Widerstand, befindet sich parallel geschaltet zur Laserdiode 65.
Ein ausreichend schneller elektronischer Umschalter schaltet den Strom von der Laserdiode 65 in den Widerstand für die Zeitdauer des Ausschaltens.
Alternativ zu dem zweiten dargestellten Umschalter könnten die Laserdiode als Lichtquelle 65 und der Widerstand an einem Ende direkt verbunden werden.

- Prinzipiell können alle Laserdioden 65-1 aus 2 unabhängig voneinander als Lichtquellen 65 moduliert und zur Messung verwendet werden.
- Es können gemäß 11 verschiedene Codes von unterschiedlichen Dioden 65-1 und/oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten verwendet werden.
- Alle Dioden 65-1 können als Lichtquellen 65 gleichzeitig moduliert werden, die vertikale Auflösung wird dann durch eine Diodenanordnung zum Beispiel gemäß den 8 und 9 sichergestellt.
- Die Verwendung von Laserdioden 65-1 als Lichtquellen 65 erlaubt die Fokussierung des Sendelichts 57 auf einen kleinen Bereich des Sichtfeldes 50. Dadurch kann die Auflösung des LiDAR-Systems 1 verbessert werden. Mit reinen LEDs oder herkömmlichen Lichtquellen ist dies nur bedingt oder nicht möglich.

Claims

Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1), bei welchem - eine Lichtquelle (65) zum Bestrahlen eines Sichtfeldes (50) im Wesentlichen kontinuierlich zum Aussenden von Licht betrieben wird, - zum Erfassen des Sichtfeldes (50) aus dem Sichtfeld (50) kommendes Licht detektiert wird, - das Bestrahlen des Sichtfeldes (50) kurzzeitig und insbesondere pulsartig unterbrochen wird und - die Unterbrechung als Sendesignal verwendet wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Unterbrechung erfolgt - durch Unterbrechung des fortdauernden Lichtstroms bei andauerndem Betrieb der Lichtquelle (65), insbesondere unter Verwendung einer Blende und/oder eines optischen Choppers, und/oder - durch Unterbrechung des Betriebs der Lichtquelle (65) und der Erzeugung des Lichtstroms, insbesondere unter kontinuierlichem Betrieb der Stromversorgung der Lichtquelle unter ersatzweiser kommutierender Parallelschaltung eines in der elektrischen Leistung äquivalenten Verbrauchers parallel zur Lichtquelle (65).
Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem aus dem Sichtfeld (50) kommendes detektiertes Licht in zeitlicher Korrelation zum Abfall und/oder Anstieg einer Lichtintensität im Sendesignal auf Grund der Unterbrechung bewertet wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem für eine Bewertung aus dem Sichtfeld (50) kommenden detektierten Lichts ein signalangepasster Filter verwendet wird, insbesondere im Zusammenhang mit einem die Unterbrechung definierenden Steuersignal.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Lichtquelle (65) oder als Teil davon ein Scheinwerfer einer zu Grunde liegenden Vorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, verwendet wird, vorzugsweise ein Kraftfahrzeugscheinwerfer.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Lichtquelle (65) - eine Lichtquelle (65) mit additiver Farbmischung, insbesondere mit einem visuell im Wesentlichen als weiß wahrnehmbaren Spektrum, und/oder - eine Laserlichtquelle, vorzugsweise in einem blauen Spektralbereich, insbesondere mit im Strahlengang ausgebildeter Fluoreszenzeinheit zum Erzeugen von Licht mit einem zum Spektralbereich der Laserlichtquelle zumindest teilweise komplementären Spektralbereich, verwendet wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 6, bei welchem in einer Empfängeroptik (30) des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems (1) vor einer Detektoranordnung (20) ein auf den Spektralbereich der Laserlichtquelle abgestimmtes Bandpassfilter im Strahlengang angeordnet wird.
Steuer- und Auswerteeinheit (40) für ein LiDAR-System (1), insbesondere für ein Fahrzeug, welche eingerichtet ist, ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 8.
Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 9 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).