-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abstandsermittlungsmodul, welches insbesondere in einem Scheinwerfer eines Fahrzeugs integriert sein kann.
-
Künftige, sich autonom bewegende Fahrzeuge sind darauf angewiesen, ihre Umgebung mittels geeigneter Sensorik wahrzunehmen bzw. abzutasten und diese , in einem Umfeldmodell abzubilden. Die Anforderungen an die Genauigkeit dieser Erfassung steigen mit zunehmendem Automatisierungsgrad und machen darüber hinaus aus Sicherheitsgründen den Einsatz redundanter Systeme notwendig. Als Sensortechnologien kommen zukünftig neben RADAR (radio detection and ranging - funkgestützte Ortung und Abstandsmessung) und kamerabasierten Systemen zusätzlich aktive, laserbasierte LiDAR-Messsysteme (LiDAR: light detection and ranging - lichtgestützte Ortung und Abstandsmessung) zur Abstandsmessung zum Einsatz. Derartige Systeme nutzen, dem Stand der Technik entsprechend, eine Laserquelle, die einen fokussierten Lichtstrahl erzeugt, der dann mit einer Aktuatorik, beispielsweise einem System aus beweglichen Umlenkspiegeln, so umgelenkt wird, dass mittels des Laserstrahls die Szene im Fahrzeugvorfeld in einem Raster abgetastet wird. Der Abstand zu den vom Laserstrahl überstrichenen Messpunkten wird dadurch ermittelt, dass die Intensität des Laserstrahls so moduliert wird, dass bei jeder angefahrenen Winkelposition ein sehr kurzer Lichtimpuls (etwa im Bereich 10 ns) abgegeben wird. Der von den angestrahlten, sich in der Fahrzeugszene befindenden Objekten zurückgestreute Lichtreflex, wird mittels eines Sensors (beispielsweise einer Avalanche-Photodiode (Lawinenphotodiode))erfasst. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens eines Laserpulses gegenüber dem Zeitpunkt des Empfangens seiner Ruckstreuung lässt sich auf Basis der Lichtgeschwindigkeit die Distanz zu dem angestrahlten Objekt errechnen. Solche Systeme sind im Stand der Technik wohl bekannt und werden im Allgemeinen als Laserscanner bezeichnet.
-
Um die verschiedenen Bereiche im Fahrzeugvorfeld mit der erforderlichen Reichweite und Distanzgenauigkeit abzubilden, ist aus dem Stand der Technik die Verwendung mehrerer Laserscanner bekannt, die das Fahrzeugvorfeld mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln betrachten. Long-Range (langreichweitige) Laserscanner können demnach zwar größere Distanzen im Bereich von etwa 150-200 m messen, sie können dabei allerdings nur einen relativ kleinen Winkelbereich erfassen. Durch die Unterbringung mehrerer Sensorsysteme und LiDAR-Sensorkopfe im Fahrzeug ergibt sich darüber hinaus ein Package-Problem (Packungs-Problem): die Sensorik muss im Frontbereich des Fahrzeugs Platz finden. Hierbei kann es zu Konflikten mit Designanforderungen kommen.
-
Druckschrift
DE 10 2015 217 908 A1 offenbart einen Lidarsensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Lichtquelle, einem beweglichen Ablenkspiegel zum Erzeugen eines einen Überwachungsraum überstreichenden Taststrahls durch Ablenken eines von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls.
-
Druckschrift
US 10,114,111 B2 offenbart ein System, in dem die Leistung in einem Lidarsystem dynamisch gesteuert wird. Dazu identifiziert eine Steuerung ein auslösendes Ereignis und stellt ein Steuersignal an eine Lichtquelle im Lidarsystem zur Verfügung, das die Leistung der vom Lichtimpuls gelieferten Lichtimpulse anpasst.
-
Druckschrift
DE 11 2016 001 187 T5 offenbart ein Strahllenkungssystem für einen Ladarsensor, der mit begrenzter Lasersendeleistung arbeitet. Das Ladar-System macht außerdem Gebrauch von optischen Verstärkerelementen im Empfänger, welche dazu dienen, das Signalrauschverhältnis am Empfänger zu verbessern, wenn die verfügbare Lasersendeleistung durch Energie-, Abmessungs- und/oder Kostenbeschränkungen eingeschränkt ist.
-
Druckschrift
DE 10 2017 105 210 A1 offenbart eine optische Abstrahlvorrichtung für Laserpulse, insbesondere zur Verwendung in einem Lidar in einem Fahrzeug, mit einer Lasereinheit, die ausgeführt ist, Laserpulse abzustrahlen, und einer Ablenkeinheit, die im Strahlengang der von der Lasereinheit abgestrahlten Laserpulse angeordnet ist, und die von der Lasereinheit abgestrahlten Laserpulse in einem Ablenkbereich ablenkt, wobei die optische Abstrahlvorrichtung eine Optik aufweist, die im Strahlengang der von der Lasereinheit abgestrahlten Laserpulse hinter der Ablenkeinheit in deren Ablenkbereich angeordnet ist, die Optik wenigstens einen ersten Bereich und wenigstens einen zweiten Bereich aufweist, und der wenigstens eine zweite Bereich eine Linsenform zur Brechung der Laserpulse aufweist.
-
Druckschrift
WO 2006/069 857 A1 offenbart einen optischen Nahbereichssensor mit mehreren zeilenartig in einer Ebene angeordneten sequentiell ansteuerbaren Sendeelementen. Es ist mindestens ein weiteres versetzt zu den sequentiell ansteuerbaren Sendeelementen angeordnetes insbesondere nach unten strahlendes weiteres Sendeelement vorgesehen. In einer Empfangseinrichtung werden die von Objekten reflektierten Signale insbesondere durch Laufzeitmessung ausgewertet.
-
Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine kompakte Abstandsermittlungseinheit bereitzustellen, welche sowohl einen großen Abstands- wie auch einen großen Raumwinkelbereich abdeckt und eine Grundlage für eine zuverlässig arbeitende Abstandsermittlung bereitstellen kann.
-
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Abstandsermittlungsmodul gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein dieses aufweisende Abstandsermittlungssystem gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der beiliegenden Beschreibung.
-
Erfindungsgemäß wird ein optisches Abstandsermittlungsmodul bereitgestellt, welches eine Laserlichtquelle aufweist, die eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen, wobei es sich bei dem Laserstrahl bevorzugt um einen fokussierten Laserstrahl handeln kann. Das optische Abstandsermittlungsmodul weist ferner eine erste Lichtablenkvorrichtung, welche eingerichtet ist, den erzeugten Laserstrahl in unterschiedliche Raumrichtungen zu lenken, um einen Teil des vor dem optischen Abstandsermittlungsmodul liegenden Raumes mittels des Laserstrahls abzurastern, und ein lichtformendes Element auf, welches eingerichtet ist, aus einem Eingangslichtstrahl ein definiertes Lichtmuster zu erzeugen. Ferner weist das optische Abstandsermittlungsmodul eine zweite Lichtablenkvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, den Laserstrahl nur dann, wenn er von der ersten Lichtablenkvorrichtung in einen vorbestimmten Teilbereich des vor dem optischen Abstandsermittlungsmodul liegenden Raumes gelenkt wird, als Eingangslichtstrahl auf das lichtformende Element zu lenken. Bei dem vorbestimmten Raumbereich kann es sich um einen Randbereich des abgerasterten Raumbereiches handeln.
-
Bei dem optischen Abstandsermittlungsmodul kann es sich beispielsweise um ein Messsystem in Form einer elektronischen bzw. elektromechanischen Baugruppe handeln, welches in einem Scheinwerfer eingebettet sein kann, insbesondere in einem Fahrzeugscheinwerfer. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Laserscanner-Einheit, welche im Wesentlichen die Laserlichtquelle und die erste Lichtablenkvorrichtung umfasst, um einen zusätzlichen Messwinkelbereich erweitert, ohne dabei zusätzliche Lichtquellen oder bewegliche Umlenkspiegel erforderlich zu machen. Dadurch wird ein kompaktes und aufgrund der Verwendung unbeweglicher und daher mechanisch robuster Bauteile bereitgestellt, welches mit nur einer Laserlichtquelle eine Abstandsermittlung über große Abstände und zugleich über einen breiten Raumwinkelbereich ermöglicht. Diese Anforderung wird in bisher aus dem Stand der Technik bekannten Systemen durch die Verwendung mehrerer Abstandsermittlungseinheiten gelöst, wobei jede ihre eigene Lichtquelle mit der dazugehörigen Aktorik aufweist, welche die Komplexität damit einhergehend die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems erhöht.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels der Laserlichtquelle und der ersten Lichtablenkvorrichtung ein scannender Laserstrahl erzeugt. Mittels des Laserstrahls wird die sich vor dem Abstandsermittlungsmodul befindende Szene abgerastert, d.h. in einem Raster mittels des Laserstrahls abgetastet bzw. gescannt. Hierbei kann ein Raumwinkelbereich der Szene abgetastet werden, indem der Laserstrahl beispielsweise in Zeilen von unten nach oben (oder anders herum) die Szene abtastet, d.h. entlang einer Zeile von links nach rechts (oder anders herum) der Reihe nach Raumpunkte anleuchtet. Im lateralen Randbereich, d.h. im Randbereich der zeilenweisen Abrasterung der Szene mittels des Laserstrahls, wird der Laserstrahl von der zweiten Lichtablenkvorrichtung auf das lichtformende Element umgelenkt. Die zweite Lichtablenkvorrichtung kann als eine statische Strahlführung betrachtet werden, welche den Laserstrahl bei seiner Ausrichtung in Randbereiche des abgerasterten Raumwinkelbereiches „abgreift“ und ihn zu dem lichtformenden Element leitet. Das lichtformende Element ist eingerichtet, den darauf gelenkten Laserstrahl in mehrere Lichtstrahlen aufzuteilen und so ein vorbestimmtes Lichtmuster zu generieren. Das vorbestimmte Lichtmuster wird also nur dann generiert, wenn die Laserscanner-Einheit den Laserstrahl in Randbereiche des abgerasterten Raumwinkelbereiches ausrichtet, also im Wesentlichen im Bereich der Umkehrpunkte des Laserstrahls. Unter einem Umkehrpunkt des Laserstrahls wird der Punkt verstanden, bei dem ein zeilenweises Abtasten der Szene endet und der Laserstrahl von einem (rechten oder linken) Rand zum anderen Rand und zugleich zu einer darüber oder darunter angeordneten Zeile springt.
-
Bei der ersten Lichtablenkvorrichtung kann es sich um eine aktive bzw. dynamische Lichtablenkvorrichtung handeln, welche mittels mindestens eines Aktuators eine Veränderung der Abstrahlungsrichtung des Laserstrahls herbeiführt. Mittels der ersten Lichtablenkvorrichtung wird ein Laserscan implementiert, d.h. der erzeugte Laserstrahl wird sequentiell in unterschiedliche Raumrichtungen innerhalb eines Raumwinkelbereiches der Szene zwecks Abtastung ausgerichtet. Soweit kann es sich bei der Laserscanner-Einheit des erfindungsgemäßen optischen Abstandsermittlungsmoduls um eine aus dem Stand der Technik bekannte Laserscanner-Einheit handeln.
-
Bei der zweiten Lichtablenkvorrichtung kann es sich hingegen um eine passive bzw. statische Lichtablenkvorrichtung handeln, welche insbesondere keine mechanisch bewegten Bauteile verwendet und relativ zum optischen Abstandsermittlungsmodul statischen Lichtpfad für den in einen Randbereich des von der Laserscanner-Einheit erfassbaren Raumes gelenkten Laserstrahl bereitstellt. Handelt es sich beispielsweise bei der Laserscanner-Einheit um eine Einheit, welche für die Bestimmung weiter Distanzen in einem üblicherweise zugleich relativ engen Raumwinkelbereich eingerichtet ist, so wird der Laserstrahl immer dann, wenn er von der Laserscanner-Einheit in einen Randbereich des abgerasterten Raumes gelenkt wird, durch mindestens einen Teil, bevorzugt durch mindestens einen reflektierenden Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung, auf einen alternativen Lichtpfad gelenkt. Durch die Einstellung des räumlichen Überlapps von mindestens einem Teil, bevorzugt von mindestens einem reflektierenden Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung mit der Fläche, welche von dem Laserstrahl während der Abrasterung überstrichen wird, kann eingestellt werden, wie viel Laserlicht für die Erzeugung des definierten Lichtmusters mittels der lichterzeugenden Einheit verwendet wird.
-
Das mittels des lichtformenden Elements erzeugte Lichtmuster kann bezüglich seiner Form und Ausrichtung nach Bedarf eingestellt werden durch die Wahl der Mikrostruktur des lichtformenden Elements. Insbesondere kann das erzeugte Lichtmuster in Raumbereiche gerichtet werden, welche außerhalb des Arbeitsbereiches der Laserscanner-Einheit liegen, d.h. welche mittels des von der ersten Lichtablenkvorrichtung gelenkten Laserstrahls bei üblichem Betrieb nicht abgerastert werden. Insbesondere kann das erzeugte Lichtmuster einem strukturierten Licht entsprechen und zur Bestimmung von Abständen zu den vom Lichtmuster angeleuchteten Flächen verwendet werden. Hierzu werden die mit dem strukturierten Licht ausgeleuchteten Flächen bzw. Raumbereiche mittels einer Bilderfassungseinheit (z.B. Kamera) erfasst. Im Falle des Einsatzes des erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmoduls in einem Fahrzeug, kann das Abstandsermittlungsmodul beispielsweise in einem der Scheinwerfer integriert sein und die zur Abstandsermittlung erforderliche Kamera kann in dem anderen Fahrzeugscheinwerfer integriert sein. Ebenso kann anstatt einer dedizierten Kamera die Fahrerassistenzkamera für diesen Zweck verwendet werden, welche sich üblicherweise im Bereich des Rückspiegels an der Frontscheibe des Fahrzeugs befindet. Da die Verwendung von strukturiertem Licht bzw. strukturierter Beleuchtung (z.B. Streifenlichtprojektion) zur Abstandsermittlung gemäß dem Stereo-Vision-Ansatz (Stichwort: Auffindung der Menge von korrespondierenden Punkten) aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist, wird hier nicht näher drauf eingegangen. Bei Anordnung des erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmoduls in einem Scheinwerfer und der Bilderfassungseinheit in dem entsprechend anderen Scheinwerfer des Fahrzeugs bilden die Scheinwerfer mit den ausgehenden Laserstrahlen ein Messsystem, das sich durch die bekannten Anbaupositionen (Extrinsik) der Scheinwerfer zur Abstandsermittlung durch Triangulation eignet und folglich dafür verwendet werden kann. Solche Systeme sind im Allgemeinen als Structured-Light (SL) Kamerasysteme bekannt. Obgleich die Kamera, wie bereits erwähnt, anstatt ihrer Anordnung in einem der Scheinwerfer mit der Fahrerassistenzkamera zusammenfallen kann, so ist der hohe Basisabstand der beiden Scheinwerfer in einem Fahrzeug von Vorteil und kann durch ein zu dem Laserscanner zusätzliches Stereo-Messsystem, welches auf Basis von strukturiertem Licht arbeitet, genutzt werden. Die Besonderheit bei dem erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmodul kann darin gesehen werden, dass zwei grundsätzlich unterschiedlich arbeitende Abstandsermittlungssysteme (Lichtlaufzeit vs. Lösung des Korrespondenzproblems bei Beleuchtung mit strukturiertem Licht) in einem kompakten Modul vereint vorliegen, wobei für beide Systeme eine und die gleiche Lichtquelle verwendet wird. Zusätzlich bietet das erfindungsgemäße Abstandsermittlungsmodul durch den kompakten Aufbau des Moduls die Möglichkeit, der sehr guten Integration, wodurch sich ein gutes Package realisieren lässt.
-
Das erfindungsgemäße Abstandsermittlungsmodul kann zudem gegenüber einem nichtscannenden SL-Kamerasystem den Vorteil haben, dass Verändern/Anpassen des erzeugten Lichtmusters ein Verändern/Anpassen des Scan- bzw. Abtast-Musters möglich ist, wodurch Überlagerungen vermieden werden können. Im Vergleich zu einem üblichen Laserscanner-Einsatz im Fahrzeug kann das erfindungsgemäße Modul den Vorteil haben, dass das Kamerasystem zusätzlich tagsüber zur Objektidentifikation und/oder für die Kalibrierung der Hauptscheinwerfer genutzt werden kann.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Abstandsermittlungsmoduls kann die erste Lichtablenkvorrichtung ein bewegliches, den Laserstrahl reflektierendes Element aufweisen, beispielsweise einen Spiegel, welcher mindestens horizontal und bevorzugt auch vertikal (d.h. mindestens entlang der zeilenweisen Abtastrichtung der Laserscanner-Einheit und bevorzugt auch senkrecht dazu) schwenkbar/bewegbar ist. Generell kann die erste Lichtablenkvorrichtung ein MEMS (microelectromechanical system - mikroelektromechanisches System) aufweisen, welches eine aktuatorisch einstellbare reflektierende Fläche aufweisen kann, die den erzeugten Lichtstrahl in unterschiedliche Richtungen lenken kann. Alternativ kann die Lichtablenkvorrichtung einen Aktuator aufweisen, welcher die Laserlichtquelle als Ganzes entsprechend bewegt/ausrichtet (z.B. horizontal und vertikal schwenkt), um den Raum vor dem Abstandsermittlungsmodul abzurastern.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Abstandsermittlungsmoduls kann es sich bei dem lichtformenden Element um ein diffraktives optisches Element (DOE) handeln. Damit kann bei der Bildung des definierten Lichtmusters mittels des lichtformenden Elements die Kohärenzeigenschaft des Laserlichts vorteilhaft ausgenutzt werden. Durch eine entsprechende Mikrostrukturierung des DOE kann der kohärente Laserstrahl in mehrere Strahlen aufgeteilt werden, die ein in Abhängigkeit von der Mikrostrukturierung definierbares, bekanntes Lichtmustermuster bilden. Das DOE kann beispielsweise ein optisches Gitter aufweisen, wobei sich hierfür grundsätzlich sowohl ein Transmissionsgitter wie auch ein Reflexionsgitter eignen.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Abstandsermittlungsmoduls kann die zweite Lichtablenkvorrichtung mindestens ein den Laserstrahl reflektierendes Element aufweisen. Insbesondere kann die zweite Lichtablenkvorrichtung eine Anzahl von reflektierenden Elementen aufweisen, z.B. Spiegeln, wobei für diesen Zweck auch Reflexionsgitter zum Einsatz kommen können. Weitere optische Elemente, wie z.B. Linsen, sind nicht explizit erwähnt, können aber selbstverständlich, etwa zur Strahlformung und Strahlführung, ebenfalls nach Bedarf verwendet werden.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Abstandsermittlungsmoduls kann das mindestens eine den Laserstrahl reflektierende Element der zweiten Lichtablenkvorrichtung innerhalb des optischen Abstandsermittlungsmoduls nicht beweglich sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Lichtablenkvorrichtung einen relativ zum Abstandsermittlungsmodul statischen bzw. festen Lichtpfad definieren, wobei alle Elemente der zweiten Lichtablenkvorrichtung unbeweglich sein können und so eine mechanisch robuste Strahlführung des Laserlichts zum lichtformenden Element bereitstellen.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Abstandsermittlungsmoduls kann mindestens ein Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung, etwa ein Teilelement, zum Beispiel ein Spiegel oder eine anderweitig reflektierende Fläche der ersten Lichtablenkvorrichtung, derart angeordnet sein, dass wenn der Laserstrahl von der ersten Lichtablenkvorrichtung in einen Randbereich des abgerasterten Raumes gelenkt wird, der Laserstrahl dann auf den mindestens einen Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung fällt. In diesem Kontext kann unter dem Randbereich des abgerasterten Raumes ein lateraler bzw. horizontaler Randbereich gemeint sein, welcher mindestens die Umkehrpunkte der Laserscanner-Einheit während des zeilenweisen Abtastens des Zielraumes (Scan-Feldes) aufweist. Beim Auftreffen des Laserlichts auf den mindestens einen Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung wird dessen Propagationsrichtung geändert (relativ zur Propagationsrichtung vor dem Auftreffen auf den mindestens einen Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung), so dass das Laserlicht dann zum lichtformenden Element geführt werden kann. Wie bereits erwähnt, ist dazu eines der Elemente oder mindestens ein Teil der zweiten Lichtablenkvorrichtung im Scan-Feld der Laserscanner-Einheit des erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmoduls so angeordnet, dass ein Teil des von dieser ausgehenden Laserlichts vor Verlassen der Abstandsermittlungsmoduls zum lichtformenden Element geleitet wird. Der nicht mittels der zweiten Lichtablenkvorrichtung abgelenkte Teil des Scan-Feldes der Laserscanner-Einheit kann hingegen im Wesentlichen unmittelbar in die Szene vor dem Abstandsermittlungsmodul abgestrahlt werden, insbesondere ohne das lichtformende Element zu passieren (oder mit einem seiner Bestandteile zu interagieren).
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Abstandsermittlungsmoduls kann dieses ein Ansteuerungsmodul aufweisen, welches eingerichtet ist, die Laserlichtquelle in einem pulsierenden Modus zu betreiben, wobei das Ansteuerungsmodul eingerichtet ist, die Pulsweiten des Laserstrahls gegenüber den sonstigen Pulsweiten bei anderen Raumrichtungen zu verlängern, wenn der Laserstrahl in einen horizontalen Randbereich des mittels der ersten Lichtablenkvorrichtung abrastbaren Raumes von dieser gelenkt wird. Bei dieser Ausführungsform des Abstandsermittlungsmoduls wird die bei der Laserscanner-Einheit zur Abtastung verwendete übliche kurze Pulsweite des Lasers beim Auftreffen auf die zweite Lichtablenkvorrichtung (und damit also auf das lichtformende Element) verlängert, sodass insgesamt mehr Licht zu dem lichtformenden Element gelenkt werden kann.
-
Da der mittels der ersten Lichtablenkvorrichtung geführte Laserstrahl, insbesondere im Falle eines mikromechanischen Spiegelsystems, bei der Richtungsänderung im Scan-Betrieb abbremst, im Umkehrpunkt die Geschwindigkeit Null aufweist und sich dann wieder anfängt in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, ist seine Verweildauer in den Randbereichen des Scan-Feldes am längsten. Folglich steht für die Erzeugung des vorbestimmten Lichtmusters mittels des lichtformenden Elements intrinsisch mehr Licht zur Verfügung, was dem Gesamtsystem zu Gute kommt. Mittels Ansteuerung der Laserlichtquelle durch das Ansteuerungsmodul, so dass die Pulsweiten des Laserstrahls in Randbereichen des Scan-Feldes verlängert werden, kann dieser Effekt weiter verstärkt werden. Bei der Erfassung der mittels des strukturierten Lichts (d.h. mittels des vorbestimmten Lichtmusters) beleuchteten Szene kann die Integrationszeit der verwendeten Kamera so eingestellt werden, dass über den gesamten Frame (Einzelbild) Licht akkumuliert wird. Unter einem Frame kann hierbei der Abtastvorgang des gesamten Zielraumwinkelbereiches bzw. Scan-Feldes verstanden werden, also beispielsweise der Abtastvorgang zwischen einer Startposition links unten und einer Endposition rechts oben im Scan-Feld der Laserscanner-Einheit.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen wird ein optisches Abstandsermittlungssystem bereitgestellt, welches das hierin beschriebene optisches Abstandsermittlungsmodul und eine Bilderfassungseinheit aufweist, wobei das optische Abstandsermittlungsmodul in einem Fahrzeugscheinwerfer integriert ist und die Bilderfassungseinheit bevorzugt in dem zweiten Fahrzeugscheinwerfer integriert ist. Diese bevorzugte Ausführungsform liefert ein Stereo-System mit einem vorteilhafterweise relativ großen Basisabstand, welcher dem Abstand der beiden Fahrzeugscheinwerfer zueinander entspricht. Die verwendete Bilderfassungseinheit kann jedoch auch an einer anderen Position angeordnet werden oder beispielsweise der Fahrerassistenzkamera entsprechen.
-
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken. Insbesondere sind die Dimensionen und geometrische Relationen der in den Figuren dargestellten Elemente nicht als limitierend zu werten. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- 1 veranschaulicht den Einsatz von unterschiedlich konfigurierten LiDAR-Systemen bei einem Fahrzeug gemäß Stand der Technik.
- 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Abstandsermittlungsmoduls .
- 3 veranschaulicht die Funktionsweise des optischen Abstandsermittlungsmoduls gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
- 4A zeigt ein Diagramm, in dem die Ansteuerung der Laserlichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist.
- 4B zeigt ein Diagramm, in dem die Ansteuerung der Bilderfassungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist.
- 5 veranschaulicht den Einsatz des Abstandsermittlungssystems gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einem Fahrzeug.
-
In 1 ist der Einsatz von unterschiedlich konfigurierten LiDAR-Systemen zur Abstandsermittlung bei einem Fahrzeug 1 gemäß Stand der Technik veranschaulicht. In einem linken Scheinwerfer 2 des Fahrzeugs 1 befindet sich ein erstes LiDAR-System, welches eine relativ kurze Reichweite hat und den vorderen linken Eckbereich 4 der Szene vor dem Fahrzeug 1 erfasst. Im linken Scheinwerfer 2 ist zugleich ein dazugehöriger Detektor angeordnet, welcher die Rückstreuung des Laserlichts des ersten LiDAR-Systems detektiert. Der Detektor kann eine Avalanche-Photodiode und dazugehörige Detektionsoptik aufweisen. Ferner befindet sich im linken Scheinwerfer 2 des Fahrzeugs 1 ein zweites LiDAR-System (samt dazugehörigem Detektor), welches einen zentralen Bereich 6 bis zu mittleren Abständen vor dem Fahrzeug erfasst.
-
Der rechte Scheinwerfer 3 des Fahrzeugs 1 weist ebenfalls zwei LiDAR-Systeme auf: ein drittes LiDAR-System (samt dazugehörigem Detektor), welches analog zum ersten LiDAR-System eine relativ kurze Reichweite hat und den vorderen rechten Eckbereich 5 der Szene vor dem Fahrzeug 1 erfasst, und ein viertes LiDAR-System (samt dazugehörigem Detektor), welches die längste Reichweite der vier verwendeten LiDAR-Systeme aufweist und einen zentralen Bereich 7 bis zu weiten Abständen vor dem Fahrzeug 1 erfasst. Das Scan-Feld des vierten LiDAR-Systems, welches dem zentralen Bereich 7 entspricht, deckt dabei einen kleineren Raumwinkel ab als das Scan-Feld des dritten LiDAR-Systems, welches dem zentralen Bereich 6 entspricht Jedoch können mittels des vierten LiDAR-Systems größere Abstände (bis zum maximal ermittelbaren Abstand hin) erfasst werden.
-
Der Scan-Pfad jedes der LiDAR-Systeme ist mittels entsprechender Bogenpfeile 8 angedeutet.
-
Wie aus der Darstellung in 1 ersichtlich ist, werden für die Abtastung des Fahrzeugvorfeldes insgesamt vier autarke LiDAR-Systeme verwendet, wovon jedes zumindest eine eigene Laserquelle, einen Mikrospiegel und einen Detektor samt Abbildungsoptik erfordert. Hieraus wird deutlich, dass die vollumfängliche Abbildung des Fahrzeugvorfeldes zu einem Package-Problem führen kann.
-
In 2 ist ein grundlegender Aufbau des optischen Abstandsermittlungsmoduls 20 gemäß verschiedenen Ausführungsformen gezeigt. Das Abstandsermittlungsmodul 20 weist eine Laserscanner-Einheit auf, welche mittels einer Laserlichtquelle 21 einen Laserstrahl 31 erzeugen kann und diesen mittels einer ersten Lichtablenkvorrichtung 22 in unterschiedliche Raumrichtungen lenken kann. Dadurch lässt sich ein Teil des von dem optischen Abstandsermittlungsmodul liegenden Raumes in einem Rastermuster abtasten, was durch einen Bogenpfeil 30 angedeutet ist. Das mittels des Bogenpfeils veranschaulichte Abrastern Fahrzeugvorfeldes entspricht der Erfassung des Fahrzeugvorfeldes mittels LiDAR. Das Abstandsermittlungsmodul 20 weist ferner ein lichtformendes Element 24 auf, welches eingerichtet ist, aus einem Eingangslichtstrahl ein definiertes Lichtmuster 32 zu erzeugen. Der Eingangslichtstrahl für das lichtformende Element 24 wird von einer zweiten Lichtablenkvorrichtung 23 bereitgestellt, welche eingerichtet ist, den Laserstrahl 31, wenn er von der ersten Lichtablenkvorrichtung 22 in einen vorbestimmten Raumbereich gelenkt wird, als Eingangslichtstrahl auf das lichtformende Element 24 zu lenken. Vorliegend weist die zweite Lichtablenkvorrichtung 23 drei Spiegel 25 auf, welche zusammen einen optischen Pfad für den Laserstrahl 31 bereitstellen, wenn er von der Laserscanner-Einheit in den vorbestimmten Raumbereich abgestrahlt wird.
-
Wie in 2 gezeigt, erfolgt die Ablenkung des Laserstrahls 31 mittels der zweiten Lichtablenkvorrichtung 23 nur dann, wenn der Laserstrahl 31 von der ersten Lichtablenkvorrichtung 22 in den vorbestimmten Raumbereich gelenkt wird, welcher hierbei einem Randbereich des Scan-Feldes des optischen Abstandsermittlungsmoduls 20 entspricht. Das theoretische Scan-Feld entspricht hierbei im Prinzip der Fläche, die von einem ersten Strahl 27 und einem zweiten Strahl 28 aufgespannt wird, wobei der erste Strahl 27 den Verlauf des Laserstrahls 31 am rechten Umkehrpunkt darstellt. Der zweite Strahl 28 deutet den theoretischen Verlauf des Laserstrahls 31 am linken Umkehrpunkt an, weil der Laserstrahl 31 bei dieser Abstrahlrichtung von der zweiten Lichtablenkvorrichtung 23, hier einem ersten der drei Spiegel 25, abgelenkt wird. Es ist ferner ein dritter Strahl 29 dargestellt, welcher den linken Rand des effektiven Scan-Feldes der optischen Abstandsermittlungseinheit 20 darstellt. Der dritte Strahl 29 entspricht dem Verlauf eines randseitigen Laserstrahls, welcher noch für die Abstandsermittlung in einem scannenden Verfahren mittels LiDAR zur Verfügung steht. Bei Ausgangsrichtungen des Laserstrahls 31 zwischen dem zweiten Strahl 28 und dem dritten Strahl 29 wird der Laserstrahl 31, wie in 2 eingezeichnet, zum lichtformenden Element 24 geleitet und steht folglich für diesen Bereich nicht für die Abstandsermittlung auf Basis von LiDAR zur Verfügung.
-
In 3 ist die Funktionsweise des in 2 veranschaulichten optischen Abstandsermittlungsmoduls 20 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bei seiner Integration in ein Fahrzeug veranschaulicht, wobei Elemente/Bauteile, die bereits mit Bezug auf 2' beschrieben worden sind, in 3 die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht erneut erläutert werden. Es sind ein erster Scheinwerfer 33 und ein zweiter Scheinwerfer 34 angedeutet, wobei ohne Beschränkung der Allgemeinheit der erste Scheinwerfer 33 dem linken Scheinwerfer und der zweite Scheinwerfer 34 dem rechten Scheinwerfer eines Fahrzeugs entsprechen kann. In dem ersten Scheinwerfer 33 ist das optische Abstandsermittlungsmodul integriert, wobei darin zusätzlich ein Detektor 38 samt vorgelagerter Linse angeordnet ist, welche die Abbildungsoptik andeutet. Der Detektor 38 ist zur Implementierung der Distanzmessung mittels LiDAR vorgesehen, wobei die Laserscanner-Einheit des erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmoduls das gewöhnliche LiDAR-System verkörpert und hier nicht weiter betrachtet wird.
-
In 3 ist ferner die Abstandsermittlung mittels des definierten Lichtmusters 32 veranschaulicht, welches dem durch das lichtformende Element 24 erzeugt wird. Dabei wird das definierte Lichtmuster 32 in die die Szene vor dem Fahrzeug projiziert und die Szene samt der Projektion des Lichtmusters 32 mittels einer Kamera 39 abgebildet, die in dem rechten Scheinwerfer 34 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel wird unter anderem ein Objektpunkt 37 eines sich in der Szene befindenden Objekts 36 angeleuchtet und von der Kamera 39 erfasst. Durch Lösen des Korrespondenzproblems kann über den Bildpunkt 37 der Ausgangspunkt des den Objektpunkt 37 anleuchtenden Lichts innerhalb des strukturierten Lichts 24 mit dem entsprechenden Bildpunkt auf der Sensorfläche der Kamera 39 verknüpft werden. Ist diese Beziehung bekannt, kann schließlich durch Triangulation, welche mittels des in 3 schraffierten Dreiecks angedeutet ist, bei bekannter Basislänge, welche im Wesentlichen dem Abstand der Kamera 39 von dem lichtformenden Element 24 entspricht, der Abstand des Objektpunkts 37 zum Fahrzeug ermittelt werden. Die Abstandsermittlung mittels des definierten Lichtmusters. 32 ist im Vergleich zum LiDAR-System kein rasterndes Verfahren, sondern beruht auf der Triangulation von Raumpunkten (z.B. Objektpunkt 37). Wie dargestellt, werden im erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmodul beide Funktionalitäten - LiDAR und strukturiertes Licht - vereint (finden jedoch alternierend statt) und dadurch wird ein kompaktes Hybridsystem bereitgestellt.
-
Bei der Ansteuerung der Laserlichtquelle des erfindungsgemäßen Abstandsermittlungsmoduls kann sich eine Abwandlung zu deren Ansteuerung in einem gewöhnlichen LiDAR-System ergeben, welche anhand der in den 4A und 4B gezeigten Diagramme erläutert wird. In 4A ist ein Diagramm 40 gezeigt, wobei auf der x-Achse 41 die Zeit und auf der y-Achse 42 die Intensität des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahls aufgetragen ist. In dem Diagramm sind Abfolgen von ersten, kürzeren Pulsen 43 zu sehen, welche durch längere, zweite Puls 44 voneinander getrennt sind, wobei der Lichtimpulsverlauf zur Vereinfachung idealisiert rechteckig dargestellt ist. Die ersten Pulse 43 entsprechen der Bereitstellung des Laserstrahls für das LiDAR-System, wobei jeder erste Puls 43 einem kurzen Lichtpuls entspricht, der bei jeder durch die Laserscanner-Einheit angefahrenen Winkelposition während des Scan-Verfahrens abgestrahlt wird. Die zweiten Pulse 44 entsprechen der Bereitstellung des Laserstrahls für die Bereitstellung des vordefinierten Lichtmusters mittels des lichtformenden Elements. Die Laserlichtquelle kann mittels eines geeignet konfigurierten Ansteuerungsmoduls so angesteuert werden, dass sie Lichtpulse mit dem in 40 gezeigten Profil erzeugt. Durch Verlängern der zweiten Lichtpulse 44 bei Abstrahlung des Lasers in den vorbestimmten Bereich des Scan-Feldes (bevorzugt in den lateralen Randbereich des Scan-Feldes), kann mehr Licht für die Bildung des vordefinierten Lichtmusters bereitgestellt werden. Wie im Diagramm 40 angedeutet, kann auch die Leistung der ersten Laserpulse 43 von der Leistung der zweiten Laserpulse 44 unterschiedlich sein. Die Gesamtheit 45 der Laserpulse 43, 44 wird für die Implementierung des Abstandsermittlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei die längeren, zweiten Laserpulse 44 die Betriebsphase des erfindungsgemäßen optischen Abstandsermittlungssystems als SL Kamerasystem und die kürzeren, ersten Laserpulse 43 die Betriebsphase des erfindungsgemäßen optischen Abstandsermittlungssystems als LiDAR charakterisieren. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Anpassung der Laserlichtpulse eine bevorzugte optionale Ausführungsform der Erfindung darstellt.
-
Anhand des in 4B gezeigten Diagramms 46 ist eine mögliche Ansteuerung der Kamera gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, welche zur Erfassung der mit strukturiertem Licht ausgeleuchteten Szene verwendet wird. In dem Diagramm 46 ist auf der x-Achse 41 die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse der Aufnahmezustand der Kamera, welcher z.B. dem Zustand der Blende der Kamera entsprechen kann. Die Zeitachse der beiden Diagramme 40, 46 in den 4A und 4B ist synchronisiert. Hinsichtlich des Aufnahmezustands der Kamera entspricht 0 einer Aus-Phase (z.B. Blende verschlossen) und 1 entspricht einer An-Phase (z.B. Blende offen). Wie durch den breiten Puls 47 in dem Diagramm 46 angedeutet ist, kann die Aufnahmezeit bzw. die Integrationszeit der Kamera so eingestellt sein, dass über die gesamte Dauer des Abtastens eines Frame Licht akkumuliert wird. Nach Akkumulation des Lichts über den gesamten Frame kann ein Auslesevorgang 48 stattfinden und das System für die nächste Aufnahme vorbereitet werden.
-
In 5 ist der Einsatz des Abstandsermittlungssystems gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einem Fahrzeug 1 gezeigt. Im Vergleich zu der Struktur der Abstandsermittlungsbereiche gemäß Stand der Technik sieht man, dass diese Bereiche im Wesentlichen unverändert bleiben können. Die Art der Lichtfelder und ihr Ursprungsort sind jedoch bei dem erfindungsgemäßen Abstandsermittlungssystem anders. Im Folgenden wird, wo möglich, die Nomenklatur aus, 1 beibehalten.
-
So ist im linken Scheinwerfer 2 ein erstes erfindungsgemäßes Abstandsermittlungsmodul angeordnet, welches ein linkes strukturiertes Lichtfeld 51 erzeugt, welches den vorderen linken Eckbereich der Szene vor dem Fahrzeug 1 erfasst. Die dazugehörige erste Kamera ist im rechten Scheinwerfer 3 angeordnet, wobei das Sichtfeld der ersten Kamera mit dem Bezugszeichen 52 versehen ist. Das erste erfindungsgemäße Abstandsermittlungsmodul verkörpert zugleich das vierte LiDAR-Sytem, welches die längste Reichweite hat und einen zentralen Bereich 7 bis zu weiten Abständen vor dem Fahrzeug 1 erfasst.
-
Der rechte Scheinwerfer 3 weist ein einen analogen Aufbau auf und weist folglich ein zweites erfindungsgemäßes Abstandsermittlungsmodul auf, welches ein rechtes strukturiertes Lichtfeld 53 erzeugt, das den vorderen linken Eckbereich der Szene vor dem Fahrzeug 1 erfasst. Die dazugehörige zweite Kamera ist im linken Scheinwerfer 2 angeordnet, wobei das Sichtfeld der zweiten Kamera mit dem Bezugszeichen 54 versehen ist. Das zweite erfindungsgemäße Abstandsermittlungsmodul verkörpert zugleich das dritte LiDAR-Sytem, welches eine mittlere Reichweite hat und entsprechend einen zentralen Bereich 6 bis zu mittleren Abständen vor dem Fahrzeug 1 erfasst. Es sei drauf hingewiesen, dass die Zuordnung des dritten und vierten LiDAR-Systems zu den Fahrzeugscheinwerfern 2, 3 vertauscht sein kann. Ebenso kann statt der dedizierten ersten und zweiten Kamera in beiden Fällen stattdessen die Fahrerassistenzkamera verwendet werden.
-
Im Vergleich zu dem in 1 veranschaulichten Stand der Technik erfordert die Implementierung einer gleichartigen Abstandsermittlung mittels der erfindungsgemäßen optischen Abstandsermittlungsmodule insgesamt nur zwei Laserlichtquellen, zwei Mikrospiegel (oder anderweitig ausgestaltete erste Lichtablenkvorrichtungen) und zwei entsprechende Detektoren, wohingegen gemäß Stand der Technik von jeder der genannten Komponenten vier gebraucht werden. Bei dem in 5 skizzierten Anwendungsszenario sind zusätzlich nur zwei zweite Lichtablenkvorrichtungen , erforderlich, bei denen es sich üblicherweise um sehr kleine Komponenten handelt, und ggfs. zwei zusätzliche Kameras, wenn nicht auf die Fahrerassistenzkamera zurückgegriffen wird. Aus diesem Vergleich sieht man, dass durch Verwendung des optischen Abstandsermittlungsmoduls im Vergleich zum Stand der Technik teure und/oder komplexe Bauteile eingespart werden können und wertvoller Platz in der Fahrzeugfront eingespart werden kann.
