DE102016223892A1

DE102016223892A1 - LiDAR mit preselektiertem Erfassungsbereich

Info

Publication number: DE102016223892A1
Application number: DE102016223892.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel; Anna Heinle; Rainer Kiesel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Anordnung (101) mit mindestens einer Strahlenquelle (105), einem ersten Spiegel (107) und mindestens einem Detektor (109); wobei der erste Spiegel (107) ausgebildet ist, eine zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierende Schwenkbewegung auszuführen; wobei die Strahlenquelle (105) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel (113) auszusenden; wobei das Strahlenbündel () von dem ersten Spiegel (107) umgelenkt wird; wobei der Detektor (109) n Bereiche B, ..., Baufweist; wobei die Bereiche B, ..., Bausgebildet sind, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den jeweiligen Bereich treffen; wobei jeweils zwei Bereiche Bund Bmit 1 ≤ i < n benachbart angeordnet sind; wobei eine Reflektion des von dem ersten Spiegel (107) umgelenkten Strahlenbündels (113) an einem Objekt (111) zu einem Zeitpunkt tauf einen Bereich Btrifft, wenn das Objekt in einer Entfernung dangeordnet ist; wobei die Reflektion zu einem Zeitpunkt tauf einen Bereich Btrifft, wenn das Objekt (111) in einer Entfernung dangeordnet ist, mit t< tund d< d. Alle Bereiche Bmit i≤ i ≤ iund/oder i≤ i ≤ isind von dem Zeitpunkt tbis zu dem Zeitpunkt taktiviert; wobei die übrigen Bereiche von dem Zeitpunkt tbis zu dem Zeitpunkt tdeaktiviert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, die Verwendung einer solchen Anordnung nach Anspruch 16 und ein Verfahren nach Anspruch 17.
Die Druckschrift DE 10 2008 031 681 A1 offenbart ein LiDAR-System zur Messung von Geschwindigkeiten. Dabei wird ein Laserstrahl ausgesendet und eine Reflexion des Strahls an einem Objekt detektiert. Anhand der Zeit (Time of Flight), die vergeht, bis die Reflexion detektiert wird, kann eine Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt ermittelt werden. Das System weist eine Schalteinrichtung auf, mit welcher der Detektor wahlweise aktiviert oder deaktiviert werden kann. Der Detektor wird erst nach einer Zeit aktiviert, die einer Zeit entspricht, die das Licht von der Strahlquelle bis zum Beginn des gewünschten Messvolumens und ggfs. zurück zum Detektor benötigt. Nach einer Zeit, die der Zeit entspricht, die das Licht von der Strahlquelle bis zum Ende des gewünschten Messvolumens und ggfs. zurück zum Detektor benötigt, wird der Detektor deaktiviert. Auf diese Weise lassen sich einerseits Reflexionen von optisch durchlässigen Elementen, die sich vor dem LiDAR-System befinden, unterdrücken. Andererseits wird die Einstreuung von Hintergrundlicht reduziert.
Das beschriebene LiDAR-System weist einen statischen Spiegel auf. LiDAR-Systeme mit dreh- oder schwenkbarer Spiegel erlauben eine darüber hinaus gehende Reduzierung der Einstreuung von Umgebungslicht. Dieses Potential lässt sich anhand der Offenbarung der Druckschrift DE 10 2008 031 681 A1 nicht ausschöpfen.
Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit eines LiDAR-Systems mit beweglichem Spiegel durch weitergehende Reduzierung der Einstreuung von Umgebungslicht zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1 und ein mit dieser Anordnung implementiertes Verfahren. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Anordnung umfasst mindestens eine Strahlenquelle, mindestens einen Spiegel und mindestens einen Detektor.
Mit Strahlenquelle wird ein Mittel bezeichnet, das ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden.
Die Anordnung ist bevorzugt als LiDAR-System ausgeführt, bei dem als Strahlenquelle ein Laser zum Einsatz kommt. Insbesondere kann es sich um einen gepulsten Laser handeln, der gepulste Strahlenbündel aussendet.
Ein Strahlenbündel bezeichnet eine Gesamtheit zeitgleich ausgesendeter Strahlen. Die Strahlen können gleichgerichtet oder divergent sein. Insbesondere kann es sich um elektromagnetische Strahlen, vorzugsweise aus dem nahen Infrarot, d.h. aus dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der sich in Richtung größerer Wellenlängen an das sichtbare Licht anschließt, handeln. Dieser Bereich erstreckt sich von 780 nm bis 3 µm.
Bei einer gepulsten Aussendung von Strahlenbündeln werden während eines oder mehreren Zeitintervallen, d.h. von Beginn bis zum Ende des jeweiligen Zeitintervalls, kontinuierlich die zu dem jeweiligen Strahlenbündel gehörigen Strahlen ausgesendet. Die Pulsdauer, d.h. die Länge dieser Zeitintervalls, liegt vorzugsweise im einstelligen Nanosekundenbereich.
Ein gepulster Laser ist durch Verwendung von elektrisch gepulsten Laserdioden realisierbar. Diese lassen sich mittels eines Silizium-Avalanche- oder Galliumnitrid-Feldeffekttransistors und hohen Spannungen ansteuern. Um die erforderliche Impuls-Spitzenleistung zu erzielen, ist es ggfs. erforderlich, mehrere Laserdioden zu verwenden, die vorzugsweise zeitgleich angesteuert werden. Alternativ können die Laserdioden sequenziell angesteuert werden, um die thermische Belastung der Bauteile zu verringern.
Ein alternativer Weg zur Erzeugung von kurzen Lichtimpulsen mit hoher Energie besteht in der Verwendung eines Lasers mit passivem Güteschalter (Passive Q-Switched Microchip Laser). Dieser besteht aus einer speziellen Kristallstruktur, welche kontinuierlich eingespeistes Licht einer kurzen Wellenlänge, zum Beispiel 808 nm, in Lichtpulse einer größeren Wellenlänge, zum Beispiel 1064 nm, umwandelt.
Der Spiegel ist ausgebildet, eine Schwenk- bzw. Drehbewegung um mindestens eine, vorzugsweise genau eine Schwenk- bzw. Drehachse auszuführen. Das bei oszilliert der Spiegel zwischen einer ersten Umkehrposition und einer zweiten Umkehrposition.
Die Schwenk- bzw. Drehbewegung des Spiegels erfolgt insbesondere relativ zu den übrigen Komponenten der Anordnung. Diese Komponenten sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Bezugssystem feststehend angeordnet. Bei dem Bezugssystem handelt es sich etwa um ein Fahrzeug, das mit der Anordnung ausgestattet ist, in dem also die Komponenten der Anordnung fixiert sind.
Ausgehend von der ersten Umkehrposition vollzieht sich die Schwenkbewegung des Spiegels derart, dass der Spiegel verschwenkt wird, bis er die zweite Umkehrposition erreicht. In der zweiten Umkehrposition kommt der Spiegel temporär zum Stillstand und führt ausgehend von der zweiten Umkehrposition eine Schwenkbewegung in entgegengesetzter Richtung aus, bis er in der ersten Umkehrposition temporär erneut zum Stillstand kommt. Ausgehend von der ersten Umkehrposition wiederholt sich der beschriebene Bewegungsablauf. Bei dem Schwenkwinkel handelt es sich also um eine periodische Funktion. Vorzugsweise ist die Bewegung des Spiegels sinusförmig.
Die Strahlenquelle ist - direkt oder indirekt - auf den Spiegel gerichtet. Dies bedeutet, dass das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel - nachdem es ggfs. gebrochen und/oder umgelenkt wurde - zunächst auf den Spiegel trifft. Der Spiegel bildet eine reflektierende Oberfläche, sodass das Strahlenbündel von dem Spiegel umgelenkt wird. Die Richtung, in die das Strahlenbündel umgelenkt wird, ist abhängig von der Position des Spiegels, insbesondere von einem Winkel φ(t) der Verschwenkung des Spiegels um seine Schwenkachse.
Der Detektor ist untergliedert in n Bereiche B₁, ..., B_n mit n ≥ 2. Vorzugsweise weist der Detektor genau n Bereiche auf.
Jeder Bereich B_i mit 1 ≤ i ≤ n ist ausgebildet, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den Bereich B_i treffen. Jeweils zwei Bereiche B_i und B_i+1 mit 1 ≤ i < n sind benachbart angeordnet. Zwischen zwei benachbarten Bereichen befindet sich kein weiterer Bereich des Detektors. Vorzugsweise grenzen jeweils zwei der benachbarten Bereiche aneinander an. Aneinander angrenzende Bereiche zeichnen sich durch eine gemeinsame Grenzfläche oder-linie aus.
Ziel ist es, Reflexionen des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an einem Objekt, etwa einem Gegenstand oder einer Person oder einem Tier, zu detektieren. Anhand der Zeit, die verstreicht, bis das von der Strahlenquelle ausgesendete Strahlenbündel von dem Detektor, d.h. von einem oder mehreren der Bereiche B₁, ..., B_n detektiert wird, lässt sich in Verbindung mit einem Schwenkwinkel φ(t₀) des Spiegels die Position des Objekts bestimmen. t₀ bezeichnet dabei einen Zeitpunkt, zu dem das Strahlenbündel auf den Spiegel trifft und von dem Spiegel umgelenkt wird.
Mit Reflexion eines ersten Strahls bzw. einer ersten Gesamtheit von Strahlen wird allgemein ein zweiter Strahl bzw. eine zweite Gesamtheit von Strahlen bezeichnet, der bzw. die durch Reflexion des ersten Strahls bzw. der ersten Gesamtheit von Strahlen entsteht.
Die Position des Objekts wird relativ zu einem Referenzpunkt bestimmt. Der Referenzpunkt ist so gewählt, dass die Entfernung des Objekts mit einer Strecke, die das Strahlenbündel von dem Spiegel bis zu dem Objekt zurücklegen muss, korreliert. Vorzugsweise liegt der Referenzpunkt auf dem Spiegel bzw. auf dessen reflektierender Oberfläche. Insbesondere wird ein Verlauf der Schwenkachse des Spiegels durch den Referenzpunkt bevorzugt.
Abhängig von der Entfernung des Objekts trifft die Reflexion des von dem Spiegel umgelenkten Strahlenbündels an dem Objekt auf unterschiedlichen Bereichen des Detektors auf. So trifft die Reflexion zu einem Zeitpunkt t₁ mindestens auf einen Bereiche B_i
1, wenn das Objekt in einer Entfernung d_min angeordnet ist. Ist das Objekt in einer Entfernung d_max mit d_min < d_max angeordnet, so trifft die Reflexion zu einem Zeitpunkt t₂ mit t₁ < t₂ mindestens auf einen Bereich B_i
2. Dabei gilt 1 ≤ i₁ ≤ n, 1 ≤ i₂ ≤ n und i₁ ≠ i₂. d_min bezeichnet eine minimale Messdistanz, d_max entsprechend eine maximale Messdistanz. Beide Werte sind frei wählbar und können als Konstante vorgegeben oder variabel eingestellt werden. Die Zeitpunkte t₁ und t₂ ergeben sich aus der Wahl der von d_min und d_max.
Durch d_min und d_max wird der Messbereich der Anordnung definiert. Befindet sich das Objekt innerhalb des Messbereichs, gilt also für eine Entfernung d des Objekts von dem Referenzpunkt d_min ≤ d ≤ d_max, so trifft die Reflexion mindestens auf einen Bereich B_i mit i₁ ≤ i ≤ i₂ und/oder i₂ ≤ i ≤ i₁.
Die Erfindung folgt der Idee, durch gezielte Deaktivierung nicht benötigter Bereiche die Einstreuung von Umgebungslicht zu verringern und so die Reichweite bei der Erkennung von Objekten zu verbessern. Entsprechend sind alle Bereiche B_i mit i₁ ≤ i ≤ i₂ und/oder i₂ ≤ i ≤ i₁ von dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂ aktiviert und die übrigen Bereiche, d.h. alle Bereiche B_j mit 1 ≤ j < i₁ und 1 ≤ j < i₂ oder mit i₁ < j ≤ n und i₂ < j ≤ n deaktiviert. Dies impliziert, dass die Aktivierung bzw. Deaktivierung der jeweiligen Bereiche vor oder zu dem Zeitpunkt t₁ erfolgt.
In einer bevorzugten Weiterbildung dient der Spiegel nicht nur dazu, das Strahlenbündel, sondern auch dessen Reflexion an dem Objekt umzulenken. Der Spiegel kann entsprechend ausgebildet sein, die Reflexion mindestens teilweise direkt oder indirekt zu dem Detektor umzulenken. Bei einer indirekten Umlenkung passiert die von dem Spiegel umgelenkte Reflexion auf dem Weg zu dem Detektor weitere optische Elemente. Bei einer direkten Umlenkung fällt die umgelenkte Reflexion auf den Detektor, ohne derartige Elemente zu passieren.
Die Anordnung weist in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung mindestens einen Strahlteiler auf. Dieser ist so angeordnet, dass er mindestens einen Teil des Strahlenbündels zu dem Spiegel leitet. Der Strahlenteiler befindet sich also in einem Strahlengang von der Strahlenquelle zu dem Spiegel. Weiterhin befindet sich der Strahlenteiler in einem Strahlengang von dem Spiegel zu dem Detektor. Entsprechend wird die Reflexion von dem Spiegel zu dem Strahlenteiler umgelenkt, sodass der Strahlenteiler mindestens einen Teil der Reflexion zu dem Detektor bzw. zu mindestens einem Bereich B_i mit i₁ ≤ i ≤ i₂ und/oder i₂ ≤ i ≤ i₁ leitet.
Alternativ kann die Anordnung mit einem weiteren Spiegel weitergebildet sein. Der weitere Spiegel dient dazu, anstelle des oben genannten Spiegels, die Reflexion zu dem Detektor direkt oder indirekt umzulenken. Er ist vorzugsweise gegenüber der Strahlenquelle abgeschattet. Dies bedeutet, dass die Strahlenquelle und der weitere Spiegel so angeordnet sind, dass keine von der Strahlenquelle ausgesendeten Strahlen direkt, d.h. ohne Reflexion, Brechung oder sonstige Richtungsänderung, auf den weiteren Spiegel treffen können. So wird verhindert, dass das Strahlenbündel auf den weiteren Spiegel trifft. Stattdessen trifft die Reflexion des Strahlenbündels auf den weiteren Spiegel.
Auch der weitere Spiegel ist ausgebildet, eine zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierende Schwenkbewegung auszuführen. Die Schwenkbewegungen der beiden Spiegel sind synchronisiert. Die Schwenkbewegung eines der beiden Spiegel erfolgt also in Abhängigkeit der Schwenkbewegung des anderen Spiegels, d.h. mindestens ein Parameter der Schwenkbewegung eines der Spiegel ist als Funktion mindestens eines Parameters der Schwenkbewegung des anderen Spiegels festgelegt. Vorzugsweise sind die Schwenkbewegungen derart synchronisiert, dass eine Frequenz der Schwenkbewegung eines der Spiegel und eine Frequenz der Schwenkbewegung des anderen Spiegels sich gleichen.
In einer bevorzugten Weiterbildung befinden sich die Bereiche B_i
1 und B_i
2 auf derselben Seite der Detektormitte. Dies bedeutet, dass gilt $\frac{n}{2} \leq i_{1} \leq i_{2}$
oder $i_{2} \leq i_{1} \leq \frac{n}{2} .$
Insbesondere kann ⁿ/₂ < i₁ und/oder i₁ < i₂ gelten oder i₂ < i₁ und/oder i₁ < ⁿ/₂.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung werden die Indizes i₁ und i₂ nach einer ersten Berechnungsvorschrift oder einer zweiten Berechnungsvorschrift ermittelt. Die erste Brechungsvorschrift lautet: $i_{1} = ⌊ \frac{(n + 1)}{2} + K \int_{0}^{t_{1}} | ω (t) | d t ⌋$
und $i_{2} = ⌈ \frac{(n + 1)}{2} + K \int_{0}^{t_{2}} | ω (t) | d t ⌉ .$
Die zweite Berechnungsvorschrift lautet: $i_{1} = ⌈ \frac{(n + 1)}{2} K \int_{0}^{t_{1}} | ω (t) | d t ⌉$
und $i_{2} = ⌊ \frac{(n + 1)}{2} K \int_{0}^{t_{2}} | ω (t) | d t ⌋ .$
Dabei bezeichnet ω(t) eine Winkelgeschwindigkeit des Spiegels bzw. der Spiegel zum Zeitpunkt t. Es gilt also $ω (t) = \frac{d}{d t} φ (t) .$
K ist eine Konstante, die ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Schwenkbewegung des Spiegels und den belichteten Detektorbereichen repräsentiert. Es handelt sich um einen Quotienten aus einer Änderung des Indexes des beschienenen Bereichs und einer Änderung des Schwenkwinkels des Spiegels. Die Konstante K ergibt sich aus der Zahl n der Bereiche des Detektors, einer Breite des Detektors bzw. der Breite der einzelnen Bereiche und einer Position des Spiegels relativ zu dem Detektor.
Wenn die Bereiche B₁, ..., B_n deaktiviert sind, ist ihre Fähigkeit, Strahlen zu detektieren, herabgesetzt. Bevorzugt detektieren sie keinerlei Strahlen aus dem von der Strahlenquelle ausgesendeten Spektrum, wenn sie deaktiviert sind. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung detektieren die Bereiche B₁ ..., B_n im deaktivierten Zustand jeweils keinerlei Strahlen. Dies bedeutet, dass die Bereiche B_j mit 1 ≤ j < i₁ und 1 ≤ j < i₂ oder mit i₁ < j ≤ n und i₂ < j ≤ n von dem Zeitpunkt t₀ bis zu dem Zeitpunkt t₁ keine Strahlen aus dem von der Strahlenquelle ausgesendeten Spektrum und darüber hinaus bevorzugt keinerlei Strahlen detektieren.
Die einzelnen Bereiche des Detektors können physisch oder logisch deaktiviert werden. Bei einer physischen Deaktivierung werden die zu deaktivierenden Bereiche in einen physischen Zustand versetzt, in dem sie keine Strahlen aus dem von der Strahlenquelle ausgesendeten Spektrum bzw. keinerlei Strahlen detektieren können, d.h. in dem sie physisch nicht in der Lage sind, die Strahlen zu detektieren. Dies kann etwa durch Ausschalten einer Versorgungsspannung geschehen.
Bei einer logischen Deaktivierung bleiben die deaktivierten Bereich physisch aktiviert. Das physische Verhalten der deaktivierten Bereiche ändert sich also im Vergleich zum aktivierten Zustand nicht. Allerdings werden Signale, welche diese Bereiche beim Auftreffen von Strahlen generieren, im deaktivierten Zustand ignoriert, d.h. nicht ausgewertet.
Der Detektor ist bevorzugt als ein sogenanntes Detektorarray weitergebildet. Dabei weisen die Bereiche B₁ ..., B_n jeweils eine Mehrzahl von Teilbereichen, auch Zellen genannt, auf. Vorzugsweise weisen sämtliche Bereiche B₁ ..., B_n die gleiche Anzahl von Teilbereichen auf. Die Bereiche B₁, ..., B_n gelten jeweils genau dann als aktiviert, wenn alle Teilbereiche des jeweiligen Bereichs aktiviert sind. Im aktivierten Zustand sind die Teilbereiche in der Lage, Strahlen zu detektieren, die auf den jeweiligen Bereich treffen.
Die einzelnen Bereiche B₁ ..., B_n bilden bevorzugt Spalten des Detektors. Dies bedeutet, dass die Teilbereiche eines Bereichs jeweils bezüglich des oben genannten Bezugssystems vertikal versetzt zueinander angesetzt sind. Entsprechende Teilbereiche eines jeden der Bereiche B₁, ..., B_n bilden eine Spalte. So weist eine Spalte jeweils genau einen Teilbereich jedes Bereichs auf. Die zu einer Spalte gehörigen Teilbereiche sind bezüglich des oben genannten Bezugssystems horizontal versetzt zueinander angeordnet.
Die Bereiche B₁, ..., B_n gelten jeweils bevorzugt genau dann als deaktiviert, wenn alle Teilbereiche des jeweiligen Bereichs deaktiviert sind. Im deaktivierten Zustand detektiert jeder Teilbereich insbesondere keinerlei Strahlen aus dem von der Strahlenquelle ausgesendeten Spektrum. Bevorzugt detektiert jeder Teilbereich im deaktivierten Zustand keine Strahlen.
Analog zu den Bereichen können die Teilbereiche auf physischem oder auf logischem Wege deaktiviert werden. Bei einer physischen Deaktivierung werden die Teilbereiche in einen physischen Zustand versetzt, in dem sie keine Strahlen aus dem von der Strahlenquelle ausgesendeten Spektrum bzw. keinerlei Strahlen detektieren können, d.h. in dem sie physisch nicht in der Lage sind, die Strahlen zu detektieren. Dies kann etwa durch Ausschalten einer Versorgungsspannung geschehen.
Bei einer logischen Deaktivierung bleiben die Teilbereiche physisch aktiviert. Das physische Verhalten der Teilbereiche im deaktivierten Zustand ändert sich also im Vergleich zum aktivierten Zustand nicht. Allerdings werden Signale, welche die Teilbereiche beim Auftreffen von Strahlen auf den jeweiligen Teilbereich generieren, im deaktivierten Zustand ignoriert, d.h. nicht ausgewertet.
Das Strahlenbündel hat bevorzugt die Form eines vertikalen Lichtbalkens. Bei einem solchen Lichtbalken ist die horizontale Divergenz geringer als die vertikale Divergenz. So hat das Strahlenbündel in einer bevorzugten Weiterbildung eine horizontale Divergenz von 0,1 ° bis 0,5 ° und eine vertikale Divergenz von 10 ° bis 40 °, bevorzugt 20 °. Die Divergenz eines Strahlenbündels, auch Strahlpropagation genannt, bezeichnet das Auseinanderlaufen der zu dem Strahlenbündel gehörigen Strahlen bei ihrer Ausbreitung.
Der beiden Spiegel können jeweils aus einem oder mehreren einzelnen Spiegeln bestehen. Bevorzugt ist der bzw. sind die Spiegel jeweils als ein oder mehrere als MEMS-Spiegel weitergebildet. Die Frequenzen von deren Drehschwingungen entsprechen dabei vorzugsweise den Resonanzfrequenzen der Spiegel.
Ein MEMS-Spiegel bezeichnet einen Mikrospiegel-Aktor. Hierunter ist ein mikroelektromechanisches Bauelement zur dynamischen Richtungssteuerung von Licht durch Spiegel zu verstehen.
Ein entscheidender Unterschied eines MEMS-Spiegels im Vergleich zu einem rotierenden Spiegel besteht in der Arbeitsfrequenz. Während der rotierende Spiegel mit typischerweise ca. 25 Umläufe pro Sekunde betrieben wird, oszilliert der MEMS-Spiegel mit einer Frequenz im Bereich von 0,5 bis 3 kHz. Daraus resultiert, dass der Spiegel während der Signallaufzeit, d.h. in der Zeit von der Aussendung des Strahlenbündels durch die Strahlenquelle bis zum Auftreffen der Reflexion des Strahlenbündels an dem Objekt auf dem ersten Bereich oder dem zweiten Bereich, eine Bewegung ausübt, in deren Folge sich der Drehwinkel des Spiegels signifikant ändert.
Die Schwenkachsen der beiden Spiegel verlaufen vorzugsweise durch den jeweiligen Spiegel. Insbesondere können die Schwenkachsen durch eine durch den jeweiligen Spiegel gebildete Spiegelfläche, d.h. reflektierende Oberfläche verlaufen. Vorzugsweise verlaufen die Schwenkachsen durch mehrere Punkte der jeweiligen Spiegelfläche.
Die Schwenkachsen sind in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung mindestens teilweise vertikal ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die Schwenkachsen nicht nur horizontal verlaufen, sondern gegenüber der Horizontalen um einen Winkel, der nicht 0 °, vorzugsweise 80 ° beträgt, verkippt sind. Insbesondere können die Schwenkachsen beider Spiegel parallel zueinander ausgerichtet sein.
Die Anordnung kann beweglich sein, etwa wenn die Anordnung in einem beweglichen Bezugssystem, etwa einem Fahrzeug, angeordnet. Eine Horizontale bezeichnet in diesem Fall eine Ebene, die bezüglich der Anordnung feststehend ist und horizontal verläuft, wenn die Anordnung sich in einer Referenzposition befindet. Entsprechendes gilt für die Vertikale. Eine Vertikale bezeichnet also eine Gerade, die bezüglich der Anordnung feststehend ist, und die vertikal verläuft, wenn die Anordnung sich in der Referenzposition befindet. Die Referenzposition ist frei wählbar. Bei einem Fahrzeug wird die Referenzposition bevorzugt dann eingenommen, wenn das Fahrzeug eine Ebene, horizontal ausgerichtete Oberfläche befährt oder auf dieser Fläche zum Stehen kommt. Mit horizontaler Ausrichtung wird eine Ausrichtung entlang bzw. parallel zu der genannten Horizontalen bezeichnet. Entsprechend bezeichnet eine vertikale Ausrichtung eine Ausrichtung entlang bzw. parallel zu der genannten Vertikalen.
Die beschriebene Ausrichtung der Schwenkachsen bedingt eine daran angepasste Ausrichtung der Strahlenquelle. Entsprechend ist die optische Achse der Strahlenquelle vorzugsweise mindestens teilweise horizontal ausgerichtet. Die optische Achse der Strahlenquelle verläuft also nicht vertikal, sondern ist gegenüber der Vertikalen um einen von Null verschiedenen Winkel verkippt. Insbesondere kann die optische Achse der Strahlenquelle uneingeschränkt horizontal ausgerichtet sein.
Bei dem Detektor handelt es sich in einer bevorzugten Weiterbildung um einen SIPM (Silicum Photo Multiplier) Detektor. SIPM-Detektoren ermöglichen eine hohe Verstärkung des auftretenden Lichts. Insbesondere kann die hohe Empfindlichkeit der SIPMs genutzt werden, um den Helligkeitsverlust eines kleineren MEMS-Spiegels im Vergleich zu einem klassischen rotierenden Spiegel zu kompensieren. Zudem können SIPMs kostengünstig in einem Standard-CMOS-Prozess hergestellt werden.
Der SIPM-Detektor weist parallelgeschaltete SPAD (Single Photon Avalanche Diode) Zellen auf. Jede SPAD-Zelle bildet dabei einen der oben beschriebenen Detektorbereiche.
Die Anordnung ist bevorzugt mit mindestens einem Mittel zur Positionsberechnung, mindestens einem Mittel zur Winkelbestimmung und mindestens einem Mittel zur Laufzeitmessung weitergebildet.
Das Mittel zur Laufzeitmessung ist ausgebildet, den Zeitpunkt t₀ und einen Zeitpunkt t_D mit t₁ ≤ t_D ≤ t₂ zu ermitteln. Zu dem Zeitpunkt t_D trifft die Reflexion auf den Detektor, wenn sich das Objekt in einer Entfernung d mit d_min ≤ d ≤ d_max befindet. Als Differenz t_D t₀ berechnet das Mittel zur Laufzeitmessung eine Laufzeit (Time of Flight) des von der Strahlenquelle ausgesendeten Strahlenbündels und von dessen Reflexion an dem Objekt.
Das Mittel zur Winkelbestimmung ist ausgebildet, einen Schwenkwinkel φ(t₀) des ersten Spiegels zu dem Zeitpunkt t₀ zu bestimmen. Durch den Winkel φ(t₀) ist eindeutig eine Richtung festgelegt, in die das Strahlenbündel von dem ersten Spiegel umgelenkt wird. Eine Reflexion der Strahlen an dem Objekt impliziert, dass das Objekt in eben dieser Richtung verortet ist.
Eine Berechnung der Position des Objekts wird von dem Mittel zur Positionsberechnung ausgeführt. Anhand des Winkels φ(t₀) und der Zeitdifferenz t_D t₀ lässt sich eine horizontale Position des Objekts berechnen. Eine vertikale Position des Objekts ergibt sich durch Auswertung der Teilbereiche einzelner Bereiche des Detektors. So werden für einen Bereich, in dem Strahlen detektiert wurden, die entsprechenden Teilbereiche identifiziert. Es werden also diejenigen Teilbereiche identifiziert, welche Strahlen detektiert haben und umgekehrt diejenigen, welche keine Strahlen detektiert haben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung oder einer Weiterbildung dieser Anordnung ausgeführt und umfasst die Schritte

- Aussenden des Strahlenbündels;
- Aktivieren aller Bereiche B_i mit i₁ ≤ i ≤ i₂ und/oder i₂ ≤ i ≤ i₁ vor dem Zeitpunkt t₁;
- Deaktivieren der übrigen Bereiche vor dem Zeitpunkt t₁;
- Ermitteln der Zeitpunkte t₀ und t_D;
- Bestimmen des Schwenkwinkels φ(t₀); und
- Berechnen der Position des Objekts anhand des Schwenkwinkels φ(t₀) und der Zeitpunkte t₀ und t_D.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 1 dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 den Aufbau eines LiDARs mit Strahlteiler;
2 einzelne Komponenten des LiDARs.

Ein LiDAR-System 101 mit einem Strahlenteiler 103 ist in 1 dargestellt. Das LiDAR-System 101 umfasst neben dem Strahlenteiler 103 einen Laser 105, einen MEMS-Spiegel 107 und einen Detektor 109.
Um die Position eines Objekts 111 zu ermitteln, sendet der Laser 105 ein gepulstes Strahlenbündel 113 aus. Ein Teil des Strahlenbündels 113 wird von den Strahlenteiler 103 zu dem Spiegel 107 geleitet. Der Teil des Strahlenbündels 113, der auf den Spiegel 107 trifft, wird von dem Spiegel 107 in Richtung des Objekts 111 umgeleitet.
Durch Reflexion an dem Objekt 111 gelangt ein Teil des von dem Spiegel 107 in Richtung des Objekts 111 umgeleiteten Teils des Strahlenbündels 113 zurück zu dem Spiegel 107 und wird von diesem zu dem Strahlenteiler 103 umgelenkt. Der Strahlenteiler 103 schließlich leitet die Strahlen zu dem Empfänger 109.
Bei dem Strahlenteiler 103 handelt es sich um einen halbdurchlässigen Spiegel. Dieser kann, wie in 1 gezeigt, so angeordnet sein, dass die von dem Laser 105 ausgesendeten Strahl zu einem ersten Teil in Richtung des Spiegels 107 reflektiert werden. Zu einem zweiten Teil werden die Strahlen von dem Strahlteiler 103 durchgelassen. In umgekehrter Richtung werden die von dem Spiegel 107 zu dem Strahlteiler 103 umgeleiteten Strahlen zu einem ersten Teil zu dem Empfänger durchgelassen. Zu einem zweiten Teil werden die Strahlen reflektiert.
Ein detaillierter Aufbau eines solchen LiDAR-Systems 101 ist in 2 dargestellt. Neben den in 1 dargestellten Komponenten umfasst dieses System einen Lasertreiber 201, eine Spiegelsteuerung 203, eine Positionsmessung 205, eine Optik 207, eine Detektorbereichsaktivierung 209, eine Laufzeitmessung 211 sowie eine Entfernungs- und Winkelberechnung 213. Zwischen dem Laser 105 und dem Spiegel 107 können sich weitere Optiken befinden.
Der Lasertreiber 201 steuert die von dem Laser 105 ausgesendeten Strahlenbündel 113. Die Spiegelsteuerung 203 beeinflusst die Oszillation des Spiegels 107, insbesondere dessen Amplitude.
Über die Positionsmessung 205 wird zu definierten Zeitpunkten der Schwenkwinkel des Spiegels 107 ermittelt. Ein entsprechendes Positionssignal 214 verwendet die Spiegelsteuerung 203 zur Regelung der Amplitude. Weiterhin wird das Positionssignal 214 zu der Detektorbereichsaktivierung 209 und zu der Entfernungs- und Winkelberechnung 213 übertragen.
Die Detektorbereichsaktivierung steuert in Abhängigkeit des Positionssignals 214 den Detektor 109. Um den Einfluss von Streulicht zu verringern, werden gezielt einzelne Bereiche des Detektors 109 in Abhängigkeit des von der Positionsmessung 205 an die Detektorbereichsaktivierung 209 übertragenen Schwenkwinkels sowie einer minimalen Messdistanz d_min und einer maximalen Messdistanz d_max aktiviert.
Die Optik 207 ist in einem Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 103 und dem Detektor 109 angeordnet. Sie bündelt die von dem Strahlenteiler 103 auf den Detektor 109 treffenden Strahlen.
Insbesondere beinhaltet die Optik 207 einen optischen Bandpass der für das Licht des Lasers 103 durchlässig ist und Licht anderer Wellenlänge in Richtung des Spiegels zurück reflektiert. Bei der Verwendung eines NIR Lasers mit 905 nm Wellenlänge wird vorzugsweise ein optischer Bandpass mit einem Durchlassbereich von 905 nm +/- 20 nm verwendet. Je kleiner der Durchlassbereich desto besser kann Störlicht anderer Wellenlängen unterdrückt werden.
Die Laufzeitmessung 211 ermittelt die Zeit, die vom Aussenden eines Strahlenbündels durch den Laser 105 bis zum Auftreffen der Reflexion auf den Detektor 109 vergeht. Hierbei können beispielsweise Time to Digital Converter (TDC) verwendet werden, denen eine Komparatorschaltung zur Überwachung einer vorgegebenen Schwellwertüberschreitung des Detektorausgangssignals vorgeschaltet ist. Für jede Zeile des Detektors 109 ist dabei ein TDC mit Komparatorschaltung vorgesehen. Die Signale aller aktivierten Zellen 301 in einer Zeile werden im Detektor analog zu einem Summensignal addiert.
Aus der von der Laufzeitmessung 211 ermittelten Zeit, aus dem Positionssignal 214 und aus einer Zeilenposition der von dem Detektor 109 detektierten Strahlung ermittelt die Entfernungs-und Winkelberechnung 213 die Position des Objekts 111.
Bezugszeichenliste

101: LiDAR-System
103: Strahlteiler
105: Laser
107: Spiegel
109: Detektor
111: Objekt
113: Strahlenbündel
201: Lasertreiber
203: Spiegelsteuerung
205: Positionsmessung
207: Optik
209: Detektorbereichsaktivierung
211: Laufzeitmessung
213: Entfernung- und Winkelberechnung
214: Positionssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008031681 A1 [0002, 0003]

Claims

Anordnung (101) mit mindestens einer Strahlenquelle (105), einem ersten Spiegel (107) und mindestens einem Detektor (109); wobei der erste Spiegel (107) ausgebildet ist, eine zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierende Schwenkbewegung auszuführen; wobei die Strahlenquelle (105) ausgebildet ist, mindestens ein Strahlenbündel (113) auszusenden; wobei das Strahlenbündel () von dem ersten Spiegel (107) umgelenkt wird; wobei der Detektor (109) n Bereiche B₁, ..., B_n aufweist; wobei die Bereiche B₁, ..., B_n ausgebildet sind, in einem aktivierten Zustand Strahlen zu detektieren, die auf den jeweiligen Bereich treffen; wobei jeweils zwei Bereiche B_i und B_i+1 mit 1 ≤ i < n benachbart angeordnet sind; wobei eine Reflektion des von dem ersten Spiegel (107) umgelenkten Strahlenbündels (113) an einem Objekt (111) zu einem Zeitpunkt t₁ auf einen Bereich B_i
1 trifft, wenn das Objekt in einer Entfernung d_min angeordnet ist; und wobei die Reflektion zu einem Zeitpunkt t₂ auf einen Bereich B_i
2 trifft, wenn das Objekt (111) in einer Entfernung d_max angeordnet ist, mit t₁ < t₂ und d_min < d_max; dadurch gekennzeichnet, dass alle Bereiche B_i mit i₁ ≤ i ≤ i₂ und/oder i₂ ≤ i ≤ i₁ von dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂ aktiviert sind; wobei die übrigen Bereiche von dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂ deaktiviert sind.
Anordnung (101) nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (107) ausgebildet ist, die Reflektion mindestens teilweise zu dem Detektor (109) umzulenken.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch mindestens einen Strahlteiler (103); wobei der Strahlteiler (103) mindestens einen Teil des Strahlenbündels (113) zu dem ersten Spiegel (107) leitet; wobei die Reflexion von dem ersten Spiegel (107) zu dem Strahlteiler (103) umgelenkt wird; wobei der Strahlteiler (103) mindestens einen Teil der Reflexion zu dem Detektor (109) leitet.
Anordnung (101) nach Anspruch 1; gekennzeichnet durch einen zweiten Spiegel; wobei der zweite Spiegel ausgebildet ist, die Reflektion zu dem Detektor (109) umzulenken.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass gilt $\frac{n}{2} \leq i_{1} \leq i_{2}$
oder $i_{2} \leq i_{1} \leq \frac{n}{2} .$
Anordnung (101) nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass gilt $i_{1} = ⌊ \frac{(n + 1)}{2} + K \int_{0}^{t_{1}} | ω (t) | d t ⌋$
und $i_{2} = ⌈ \frac{(n + 1)}{2} + K \int_{0}^{t_{2}} | ω (t) | d t ⌉,$
oder $i_{1} = ⌈ \frac{(n + 1)}{2} K \int_{0}^{t_{1}} | ω (t) | d t ⌉$
und $i_{2} = ⌊ \frac{(n + 1)}{2} K \int_{0}^{t_{2}} | ω (t) | d t ⌋,$
mit einer Winkelgeschwindigkeit ω(t) und einer Konstanten K.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche B₁ ..., B_n jeweils keinerlei Strahlen detektieren, wenn sie deaktiviert sind.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche B₁ ..., B_n jeweils eine Mehrzahl von Teilbereichen aufweisen; wobei die Bereiche B₁, ..., B_n jeweils genau dann als aktiviert gelten, wenn alle Teilbereiche des jeweiligen Bereichs aktiviert sind; und wobei jeder der Teilbereiche ausgebildet ist, Strahlen zu detektieren, wenn er aktiviert ist.
Anordnung (101) nach den vorhergehenden zwei Ansprüchen; dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche B₁ ..., B_n jeweils genau dann als deaktiviert gelten, wenn alle Teilbereiche des jeweiligen Bereichs deaktiviert sind; und wobei jeder der Teilbereiche keinerlei Strahlen detektiert, wenn er deaktiviert ist.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenbündel (113) eine horizontale Divergenz von 0,1° bis 0,5° und ein vertikale Divergenz von 10° bis 20° hat.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Spiegel (107) und/oder dem zweiten Spiegel um MEMS-Spiegel handelt.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung des ersten Spiegels (107) und/oder des zweiten Spiegels jeweils um eine Schwenkachse erfolgt; wobei die Schwenkachse mindestens teilweise vertikal ausgerichtet ist.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das sich bei dem Detektor (109) um einen SiPM Detektor hantelt.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch mindestens ein Mittel zur Positionsberechnung (213), mindestens ein Mittel zur Winkelbestimmung (205) und mindestens ein Mittel zur Laufzeitmessung (211); wobei das Strahlenbündel (113) zu einem Zeitpunkt t₀ von dem ersten Spiegel (107) umgelenkt wird; wobei die Reflexion zu einem Zeitpunkt t_D mit t₁ ≤ t_D ≤ t₂ auf den Detektor (109) trifft; wobei das Mittel zur Laufzeitmessung (211) ausgebildet ist, die Zeitpunkte t₀ und t_D zu ermitteln; wobei das Mittel zur Winkelbestimmung (205) ausgebildet ist, einen Schwenkwinkel φ(t₀) des ersten Spiegels (107) zu dem Zeitpunkt t₀ zu bestimmen; wobei das Mittel zur Positionsberechnung (213) ausgebildet ist, anhand des Schwenkwinkels φ(t₀) und der Zeitpunkte t₀ und t_D eine Position des Objekts (111) zu berechnen.
Fahrzeug mit mindestens einer Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Anordnung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Ermitteln der Position eines Objekts (111) relativ zu einem Fahrzeug.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objekts (111) unter Verwendung einer Anordnung (101) nach Anspruch 14 mit den Schritten - Aussenden des Strahlenbündels (113); - Aktivieren aller Bereiche B_i mit i₁ ≤ i ≤ i₂ und/oder i₂ ≤ i ≤ i₁ vor dem Zeitpunkt t₁; - Deaktivieren der übrigen Bereiche vor dem Zeitpunkt t₁, - Ermitteln der Zeitpunkte t₀ und t_D; - Bestimmen des Schwenkwinkels φ(t₀); und - Berechnen der Position anhand des Schwenkwinkels φ(t₀) und der Zeitpunkte t₀ und t_D.