DE102018205373A1

DE102018205373A1 - LIDAR Sendeeinheit

Info

Publication number: DE102018205373A1
Application number: DE102018205373.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG; Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

LIDAR Sendeeinheit (14) für ein LIDAR Messsystem (10), wobei die LIDAR Sendeeinheit (14) mehrere Emitterelement (22) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Emitterelemente (22) in einer unregelmäßigen Struktur an der LIDAR Sendeeinheit (14) angeordnet sind.
Des Weiteren ist ein LIDAR Messsystem (10) mit einer solchen LIDAR Sendeeinheit (14) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine LIDAR Sendeeinheit sowie ein LIDAR Messsystem.
Aus der WO 2017 081 294 ist ein LIDAR Messsystem bekannt. Dieses LIDAR-Messsystem weist unter anderem eine Sendeeinheit, eine Sendeoptik, eine Empfangsoptik sowie eine Empfangseinheit auf. Dabei wird von einem oder mehreren Emitterelementen der Sendeeinheit ein Laserlicht emittiert, welches über die Senderoptik in verschiedene Raumrichtungen gestreut wird. Das Laserlicht wird dann an einem Objekt reflektiert und über die Empfangsoptik zur Empfangseinheit geleitet. Das eintreffende reflektierte Laserlicht wird von Sensorelementen detektiert. Vorteil dieses Systems ist, dass dieses kompakt gebaut werden kann und statisch ist, also keine beweglichen Verstellelemente für die Emitterelemente und die Sensorelemente benötigt.
Es ist Aufgabe ein derartiges LIDAR Messsystem, insbesondere dessen LIDAR Sendeeinheit, weiterzuentwickeln, sodass ein Laserlicht möglichst optimal durch die LIDAR Empfangseinheit detektiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine LIDAR Sendeeinheit gemäß dem Patentanspruch 1. Die nachfolgenden abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsvarianten der LIDAR Sendeeinheit dar.
Das LIDAR Messsystem ist in seinem grundsätzlichen Aufbau gemäß den Ausführungen zum Stand der Technik ausgebildet. Das LIDAR Messsystem umfasst eine LIDAR Sendeeinheit sowie eine LIDAR Empfangseinheit. Des Weiteren sind das LIDAR Messsystem und dessen Komponenten vorzugsweise zur statischen, also unbeweglichen Anordnung an einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Dies bedeutet, dass das LIDAR Messsystem und dessen Komponenten über keine aktiven Bewegungs- oder Verstellmechanismen, beispielsweise Elektromotoren, für den Messvorgang verfügen.
Die LIDAR Empfangseinheit und / oder die LIDAR Sendeeinheit sind günstiger Weise in einer Focal Plane-Array Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der jeweiligen Einheit sind im Wesentlichen in einer Ebene, günstiger Weise auf einem Chip, angeordnet. Die jeweilige Einheit ist an dem LIDAR Messsystem vorzugsweise in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik, Sendeoptik, oder Empfangsoptik, angeordnet. Insbesondere sind die Sensorelemente bzw. die Emitterelemente im Brennpunkt der Empfangsoptik angeordnet. Eine solche Optik kann beispielsweise durch ein optisches Linsensystem ausgebildet sein.
Die LIDAR Empfangseinheit weist mehrere Sensorelemente auf, welche vorzugsweise als SPAD, Single Photon Avalanche Diode, ausgebildet sind. Die LIDAR Sendeeinheit weist mehrere Emitterelemente zur Aussendung von Laserlicht, günstigerweise Laserpulsen, auf. Die Emitterelemente sind günstiger Weise VCSEL, Vertical Cavity surface emitting laser, ausgebildet.
Die LIDAR Empfangseinheit und die LIDAR Sendeeinheit sind an dem LIDAR Messsystem günstiger Weise nebeneinander angeordnet. Nebeneinander impliziert dabei die benachbarte Anordnung von LIDAR Empfangseinheit und LIDAR Sendeeinheit, also auch übereinander oder diagonal benachbart. Die Sensorelemente und die Emitterelemente sind mit Vorteil auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Deren jeweilige Chips sind günstigerweise derart zueinander angeordnet, dass die Sensorelemente und die Emitterelemente auf derselben Ebene liegen. Auch einen Parallele Anordnung mit einem entsprechenden Versatz in Normalrichtung ist möglich.
Die LIDAR Sendeeinheit weist eine Vielzahl an Emitterelementen auf, deren ausgestrahltes Laserlicht über eine Sendeoptik in verschiedene Raumwinkel ausgestrahlt wird. Dies bedeutet, dass jedem Emitterelement ein bestimmter Raumwinkel zugeordnet ist. Die Anordnung der Sensorelemente der LIDAR Empfangseinheit und dessen Empfangsoptik ist vergleichbar, sodass die Empfangsoptik einen bestimmten Raumwinkel auf eine bestimmte Fläche der LIDAR Empfangseinheit abbildet.
Mit anderen Worten bildet ein emittiertes Laserlicht eines Emitterelements über die Sendeoptik auf ein Objekt im Fernfeld und über die Empfangsoptik immer auf denselben Bereich an der LIDAR Empfangseinheit ab. In diesem Bereich, in dem Laserlicht zu erwarten ist, sind vorzugsweise mehrere Sensorelemente angeordnet, die gemeinsam eine Makrozelle bilden. Das Emitterelement und eine solche Makrozelle sind einander zugewiesen.
Da eine VCSEL zumeist größer ist als eine SPAD und somit dessen Laserlicht eine Mehrzahl an Sensorelementen beleuchten kann, ist es auch von Vorteil eine Vielzahl an Sensorelementen in Makrozellen auszubilden. Eine solche Makrozelle kann beispielsweise definiert werden über die Fläche auf die das Emitterelement theoretisch oder auch praktisch nach Reflektion an einem Objekt abbilden kann. Diese Fläche wird im Weiteren Abbildungsfläche genannt, wobei die tatsächlich von dem Laserlicht beleuchtete Fläche, die kleiner ist als die Abbildungsfläche, Lichtfläche genannt wird. Das eintreffende Laserlicht kann aufgrund verschiedener Effekte, beispielsweise optischer Abbildungsfehler der Sende- und Empfangsoptik, einer Dejustage oder auch einer Frontscheibe, eine Ablenkung erfahren. Die Laserfläche bildet somit auf einen Bereich innerhalb der Abbildungsfläche ab. Die Abbildungsfläche ist zumeist um ein vielfaches größer als die Lichtfläche.
Die Sensorelemente decken somit günstiger Weise zumindest die Abbildungsfläche ab, wobei im Betrieb lediglich ein Teil der Sensorelemente tatsächlich von Laserlicht beleuchtet wird. Die Sensorelemente sind bevorzugt einzeln oder in Gruppen aktivierbar bzw. deaktivierbar. Nicht beleuchtete Sensorelemente werden günstigerweise deaktiviert, um eine Detektion der Umgebungsstrahlung zu verringern.
Zumeist ist an dem LIDAR Messsystem auch eine Elektronik zur Auswertung des detektierten Laserlichts ausgebildet. Diese Elektronik wird allerdings hier nicht weiter beschrieben. Beispielhaft können mehrere Sensorelemente, insbesondere alle Sensorelemente einer Makrozelle, durch ein Ausleseelement der Auswerteelektronik ausgelesen werden, sodass eine hardwareseitige Definition einer Makrozelle vorliegen kann. Beispielhaft ist ein Ausleseelement für eine Zeile von Makrozellen vorgesehen.
Optiken oder auch optische Linsensysteme haben den Effekt, dass eintreffendes Licht in benachbarten Bereichen im Wesentlichen dieselbe Abbildung, inklusive etwaiger Abbildungsfehler, erfährt. Dies bedeutet, dass das eintreffende Laserlicht innerhalb der Abbildungsfläche bei benachbarten Makrozellen und bei einem statischen Abbildungsfehler im Wesentlichen dieselbe Ablenkung erfährt. Die Ablenkung des Laserlichts bei benachbarten Makrozellen ist also miteinander korreliert.
Die LIDAR Sendeeinheit ist für das zuvor erläuterte LIDAR Messsystem geeignet. Die LIDAR Sendeeinheit weist mehrere Emitterelemente auf. Diese Emitterelemente sind an einem Chip der LIDAR Sendeeinheit ausgebildet.
Zumindest ein Teil der Emitterelemente ist an der LIDAR Sendeeinheit, insbesondere dem Sendechip, in einer unregelmäßigen Struktur angeordnet.
Eine regelmäßige Struktur weist sich durch eine gleichmäßige Anordnung der Emitterelemente auf dem Chip aus. Beispielhaft sei eine Mehrzahl von Emitterelementen erwähnt, die in einer Reihe angeordnet sind und zu deren Nachbarn immer denselben Abstand aufweisen. Bei einer Zeilen- und Spaltentenanordnung sind die Emitterelemente horizontal und vertikal benachbart zueinander angeordnet, wobei die Abstände benachbarter Emitterelemente für alle Emitterelemente des Chips identisch sind. Dabei ist der vertikale Abstand für zwei vertikal benachbarte Emitterelemente identisch für alle Emitterelemente. Dementsprechend sind der vertikale Abstand zwischen zwei vertikal benachbarten Emitterelementen und der horizontale Abstand zwischen zwei horizontal benachbarten Emitterelementen immer derselbe. Insbesondere kann dies durch Vektoren beschrieben werden, die von einem Emitterelement zu einem benachbarten Emitterelement weisen, wobei diese Vektoren sich über die gesamte Struktur identisch mehrfach wiederholen.
Die vorgenannte unregelmäßige Struktur kann beispielsweise einer zufälligen Verteilung der Emitterelemente über die LIDAR Sendeeinheit bzw. deren Chip entsprechen. Insbesondere unterscheiden sich die Abstände benachbarter Emitterelemente zueinander. Unabhängig davon sind die Emitterelemente günstigerweise gleichmäßig über den Chip verteilt. Dementsprechend verteilt sich auch eine von den Emitterelementen bereitgestellte Emitterfläche gleichmäßig über die Fläche des Chips.
Die Anordnung benachbarter Emitterelemente ist dadurch dekorreliert zu der Anordnung der Sensorelemente der Empfangseinheit. Mit Vorteil sind die Sensorelemente der Empfangseinheit in einer gleichmäßigen Struktur angeordnet.
Verschiedene Varianten der Beschreibung einer solchen Anordnung der Emitterelemente in einer ungleichmäßigen Struktur werden im Weiteren noch ausführlich erläutert.
Die unregelmäßige Struktur stellt Vorzugsweise eine Anordnung für Emitterelemente bereit, die von einer gleichmäßigen Struktur abweichen. Diese Abweichung kann durch kleine Positionsänderungen gegenüber der regelmäßigen Struktur ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass ein Chip mit regelmäßig angeordneten Emitterelementen zugrunde gelegt wird, wobei die Emitterelemente für die unregelmäßige Struktur in horizontaler und / oder vertikaler Richtung verschoben sind. Eine kleine Abweichung entspricht einer Verschiebung, die kleiner ist als der Abstand zu dem nächsten benachbarten Emitterelement. Insbesondere ist die kleine Abweichung lediglich 2/3 oder 1/2 mal so groß wie der Abstand zu dem nächsten benachbarten Emitterelement.
Im Weiteren werden vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung beschrieben.
Mit Vorteil weist der Sendechip der LIDAR Sendeeinheit ausschließlich Emitterelemente oder zumindest keine Sensorelemente auf.
Es wird vorgeschlagen, dass alle Emitterelemente der LIDAR Sendeeinheit in einer unregelmäßigen Struktur angeordnet sind oder dass eine Untergruppe der Emitterelemente der LIDAR Sendeeinheit, insbesondere des Sendechips, in einer unregelmäßigen Struktur untergeordnet sind.
Die Unregelmäßigkeit der Struktur bezieht sich dementsprechend auf die benachbarten Emitterelement, vorzugsweise die benachbarten Emitterelemente ersten, zweiten, dritten und / oder vierten Grades. Mit erster Grad ist der direkte bzw. nächste Nachbar gemeint. Mit zweiter Grad ist der übernächste Nachbar des Emitterelements gemeint, also mit einem Emitterelement, zwischen den beiden angeordnet ist. Bei dem dritten Grad sind zwei Emitterelemente dazwischen angeordnet, usw.. Die Teilanzahl der Emitterelemente, die innerhalb einer unregelmäßigen Struktur angeordnet sind, umfasst vorzugsweise mindestens drei, vier, fünf, sechs oder mehr Emitterelemente.
In dem Fall, dass alle Emitterelemente in einer gemeinsamen unregelmäßigen Struktur angeordnet sind, wiederholen sich beliebige Teile der Anordnung der Emitterelemente nicht. Mit anderen Worten ist die Relativanordnung der Emitterelemente für eine Anzahl von mehreren beliebig gewählten Emitterelementen lediglich ein einziges Mal ausgeführt und wiederholt sich nicht.
Die alternative Variante umfasst eine Untergruppe von Emitterelementen, deren Struktur der Untergruppe sich mehrfach an dem Chip wiederholt. Innerhalb der Untergruppe ist die Anordnung der Emitterelemente für beliebige Teilmengen einzigartig. Die Untergruppe wiederholt sich dementsprechend. Beispielhaft ist hier eine Reihe von vier Emitterelementen erwähnt, die gegenüber einer gleichmäßigen Struktur kleine Verschiebungen aufweisen.
In diesem Zuge ist es auch vorteilhaft, wenn sich die Untergruppe und deren Anordnung der Emitterelemente an der LIDAR Sendeeinheit, insbesondere an dem Sendechip, wiederholt.
Dieses wiederholen der Untergruppe stellt keine regelmäßige Struktur im obigen Sinne dar, da insbesondere auf die unregelmäßige Anordnung von benachbarten Emitterelementen ersten bis vierten Grades abgestellt wird.
Insbesondere kann eine bestimmte unregelmäßige Anordnung von Emitterelementen für eine bestimmte gleichmäßige Struktur von Sensorelementen besonders vorteilhaft sein. Dementsprechend ist es besonders günstig eine solche Anordnung mehrfach bereitzustellen.
Günstiger Weise ist die LIDAR Sendeeinheit in Anordnungszellen aufgeteilt, die an der LIDAR Sendeeinheit in einer gleichmäßigen Strukturen angeordnet sind, wobei jede Anordnungszelle ein Emitterelement aufweist, wobei zumindest zwei Emitterelemente eine unterschiedliche Position innerhalb der jeweiligen Anordnungszelle aufweisen.
Dies gilt für eine Untergruppe oder für den gesamten Sensorchip. Vorzugsweise sind alle Emitterelemente der Untergruppe oder des Sensorchips an unterschiedlichen Positionen innerhalb derer Anordnungszelle angeordnet.
An der LIDAR Empfangseinheit sind die Sensorelemente in Markozellen angeordnet bzw. Makrozellen zugewiesen. Zudem bildet ein Emitterelement auf eine Makrozelle ab, wobei zumindest eines der Sensorelemente der Makrozelle ein ausgestrahltes und reflektiertes Laserlicht detektieren kann. Die Sensorelemente an der LIDAR Empfangseinheit sind vorzugsweise in einer gleichmäßigen Struktur angeordnet, wobei die Makrozellen vorzugsweise ebenfalls ein einer gleichmäßigen Struktur angeordnet sind. Günstigerweise sind die Makrozellen in einer Zeilen- und Spaltenanordnung angeordnet. Überträgt man diese Anordnung der Makrozellen auf die Empfangseinheit, so ist in jedem Pendant der Makrozellen ein Emitterelement angeordnet. Diese Zellen der Sendeeinheit oder des Sendechips werden im Weiteren Anordnungszellen genannt. Insbesondere handelt es sich hierbei um eine gedachte Größe. Diese Größe ist jedoch besonders dazu geeignet ist, die Anordnung der Emitterelemente zu beschreiben.
Die Anordnungszellen sind dementsprechend in einer gleichmäßigen Struktur angeordnet. Im Wesentlichen teilen diese Anordnungszellen die Fläche des Sendechips, welche für die Anordnung der Emitterelemente gedacht ist, gleichmäßig auf. Innerhalb einer Anordnungszelle ist ein Emitterelement angeordnet. Jedes Emitterelement ist günstigerweise an einer anderen Position innerhalb der Anordnungszelle angeordnet. Dadurch wird erläuterte Dekorrelation mit den Sensorelementen bereitgestellt.
Die Anordnungszellen sind an der LIDAR Sendeeinheit und dessen Sendechip das Pendant zu den vorher erläuterten Makrozellen. Insbesondere stellen diese an dem Sendechip eine gedachte Größe dar, die über die Emitterelemente eine gleichmäßige Struktur legen, die der Beschreibung der Anordnung der Emitterelemente dient. An dem LIDAR Messsystem ist die Anordnungszelle jedoch über die Makrozellen definiert oder zumindest über die Abbildungsbereiche der einzelnen Emitterelemente auf die Sensorelemente.
Die Auslesezellen können beispielsweise durch aneinander angeordnete Quadrate oder Rechtecke ausgebildet sein, die den Sendechip als gleichmäßige Struktur gleichmäßig aufteilen. Insbesondere kann jede Makrozelle eine Art Koordinatensystem zugewiesen sein, so dass die Position eines Emitterelements innerhalb der Auslesezelle einfach beschrieben werden kann.
Für die Untergruppe oder über den gesamten Sendechip wiederholt sich die Position der Emitterelemente innerhalb der zugehörigen Anordnungszelle vorzugsweise nicht.
Mit besonderem Vorteil wiederholt sich ein Vektor, der die Relativposition zwischen zwei Emitterelementen beschreibt, sich über die unregelmäßige Struktur nicht.
Der Abstand zwischen zwei Emitterelementen wird bei einem Vektor durch einen Abstand und einen Winkel oder einem vertikalen oder horizontalen Abstand beschrieben. Dieser Vektor wiederholt sich über die Anzahl der Emitterelemente der Untergruppe oder des gesamten Sendechips nicht. Dadurch wird eine unregelmäßige Struktur bereitgestellt. Dies bezieht sich insbesondere auf Nachbarn ersten Grades, zweiten Grades, dritten Grades und / oder vierten Grades, usw..
Es wird zudem vorgeschlagen, dass jeder mögliche Vektor zwischen zwei Emitterelementen für die Untergruppe an Emitterelementen oder für alle Emitterelemente des Sendechips lediglich ein einziges Mal auftritt.
In einer weiteren Variante ist die unregelmäßige Struktur durch unterschiedliche Abstände benachbarter Emitterelemente ausgebildet.
Die ungleichmäßige Struktur wird insbesondere durch unterschiedliche Abstände benachbarter Emitterelemente ersten, zweiten, dritten und / oder vierten Grades bereitgestellt. Dies gilt für eine unregelmäßige Struktur einer Untergruppe oder aller Emitterelemente des Chips.
Benachbarte Emitterelemente weisen somit unterschiedliche Abstände zueinander auf. Beispielhaft sei ein erstes Emitterelement erwähnt, welches einen Abstand zu einem zweiten Emitterelement aufweist. Der Abstand des zweiten Emitterelements zu einem dritten Emitterelements unterscheidet sich hierbei von dem Abstand des ersten Emitterelements zu dem zweiten Emitterelement. Dasselbe gilt auch für die weiteren Emitterelemente.
Die verschiedenen Varianten zur Bereitstellung einer unregelmäßigen Struktur können durchaus miteinander kombiniert werden.
Die Aufgabe wird zudem durch ein LIDAR Messsystem gelöst, welches gemäß dem Patentanspruch 8 ausgebildet ist.
Ein solches LIDAR Messsystem umfasst vorteilhafterweise eine LIDAR Sendeeinheit gemäß einen der Ansprüche 1 bis 7 oder gemäß zumindest einer der vorherigen Ausführungen zu der LIDAR Sendeeinheit. Des Weiteren weist das LIDAR Messsystem eine LIDAR Empfangseinheit auf, die gemäß zumindest einer der vorherigen Ausführungen ausgebildet ist.
Die Sensorelemente können an der LIDAR Empfangseinheit und insbesondere an dem Empfangschip in einer regelmäßigen Struktur oder in einer unregelmäßigen Struktur angeordnet sein. Insbesondere ist die Anordnung der Sensorelemente und der Emitterelemente derart gewählt, dass eine Dekorrelation zwischen Emitterelementen und Sensorelementen bereitgestellt ist.
Im Weiteren werden das LIDAR Messsystem und die LIDAR Empfangseinheit anhand mehrerer Figuren beispielhaft weiter erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines LIDAR Messsystems;
2 Emitterelemente in gleichmäßiger Anordnung;
3a,b Emitterelemente in ungleichmäßiger Anordnung.

In der 1 ist ein LIDAR Messsystem 10 mit einer LIDAR Empfangseinheit 12 und einer LIDAR-Sendeeinheit 14 dargestellt. Dabei umfasst das LIDAR Messsystem 10 zudem eine Empfangsoptik 16 sowie eine Senderoptik 18. Dieses LIDAR Messsystem 10 ist zur statischen Montage an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, um eine Umgebung zu überwachen und dabei den Abstand und die Bewegung eines Objekts 20 zu dem Kraftfahrzeug zu ermitteln. Ein solches Messsystem kann beispielsweise für autonomes Fahren verwendet werden.
Die LIDAR Sendeeinheit 14 weist Emitterelemente 22 auf, wobei diese Emitterelemente 22 Laserlicht in Form von Lichtpulsen emittieren. Diese Emitterelemente 22 sind beispielsweise durch einen Vertical Cavity surface emitting laser, in Kurzform VCSEL, ausgebildet sein. Ein von einem Emitterelement 22 ausgesendeter Puls 24 durchläuft die Senderoptik 18, wird an einem Objekt 20 reflektiert und über eine Empfangsoptik 16 auf eines von mehreren Sensorelementen 26 geleitet wird. Ein solches Sensorelement 26 kann beispielsweise durch eine Single Photon Avalanche Diode, auch SPAD genannt, ausgebildet sein.
In der 1 ist zur einfachen Darstellung nur ein Strahl 25 dargestellt, der den Weg des Pulses 24 verdeutlichen soll. Mit Hilfe der Optiken 16 und 18 und der Vielzahl an Emitterelementen 22 und Sensorelementen 26 kann durch das Messsystem 10 einen Raum auf Objekte abgetastet werden. Durch die Optiken 16 und 18 ist jedem Emitterelement 22 und jedem Sensorelement 26 ein bestimmter Raumwinkel zur Betrachtung zugeordnet. Ein von einem Sensorelement 26 detektierter Lichtpuls 24 wird von einem Ausleseelement 28 ausgelesen und an eine Auswerteeinheit 30 weitergegeben, welche unter anderem ein Speicherelement aufweist.
Zur Bestimmung des Abstands des Objekts 20 von dem Kraftfahrzeug wird das Time of Flight Prinzip, auch TOF genannt, angewendet. Der ausgesendete Puls wird mit der verstrichenen Zeit des bis zum Eintreffen an der Empfangseinheit 12 verknüpft, woraus die Laufstrecke des Lichtpulses 24 ermittelt werden kann. Eine entsprechende Koordination der ablaufenden Prozesse ist durch die Steuereinheit 32 realisiert.
Das Ausleseelement in dieser Ausführungsvariante ist durch einen Time to Digital Converter, TDC, ausgebildet, der ein Speicherelement, welches ein Histogramm abbildet, befüllt. Diese Ausführungen sind jedoch sehr grundlegend und sollen nur das allgemeine Prinzip verdeutlichen. Diese Ausführungsvariante ist auf keinen Fall beschränkend für den elektronischen Aufbau des Messsystems. Um den Rahmen dieser Schrift nicht zu sprengen, können auch nicht alle Wechselwirkungen zwischen den jeweiligen Elektronikkomponenten sowie deren konkreter Aufbau dargestellt und erläutert werden. Das LIDAR-Messsystem ist mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs über eine Verbindung 34 verbunden, über die die entsprechenden Daten übermittelt werden können.
In der 2 ist ein Ausschnitt der LIDAR Sendeeinheit 14 dargestellt, insbesondere ein Ausschnitt des Sendechips 36. Der Sendechip 36 umfasst eine Mehrzahl an Emitterelementen 22, die durch einen schraffierten Kreis dargestellt sind. Die Emitterelemente 22 bilden auf die Sensorelemente 26 ab, welche als Referenz dargestellt sind, um zu verdeutlichen, auf welche Sensorelemente 26 ein Emitterelement über den beleuchteten Raumwinkel abbildet. Die Sensorelement 26 sind an dem Empfangschip ausgebildet.
Das Emitterelement 22 bildet auf eine Lichtfläche 40 innerhalb einer Abbildungsfläche 38 ab, welche durch einen Kreis 38 dargestellt ist. Die Abbildungsfläche stellt eine Art Grenze dar, innerhalb der das Laserlicht in Form der Lichtfläche 40 bei üblichen Abweichungen auftrifft. Diese Abweichungen können statisch oder dynamisch sein. Beispielsweise sind dies statische optische Abbildungsfehler, die aufgrund der Optiken 16 und 18 in das LIDAR Messsystem eingebracht werden.
Die Emitterelemente 22 sind an dem Sendechip 36 in einer gleichmäßigen Struktur angeordnet. Benachbarte Emitterelemente sind jeweils zueinander um den Vektor 42 versetzt zueinander angeordnet. Dieser Vektor 42 ist für alle benachbarten Emitterelemente ersten Grades identisch oder invertiert identisch. Da die statischen Abbildungsfehler der Optiken 16, 18 mit der Position der Emitterelemente 22 und damit auch dem betrachteten Raumwinkel korrelieren, ist der Abbildungsfehler für benachbarte Emitterelemente 22, insbesondere ersten bis vierten Grades, im Wesentlichen identisch.
Dementsprechend ist die Ablenkung, also die Verschiebung von Emitterelement 22 zu der Lichtfläche 40, für die Emitterelemente 22 der 2 im Wesentlichen identisch. Die Lichtfläche 40 ist in der 2 gegenüber dem jeweiligen Emitterelement immer nach oben hin verschoben.
Gemäß der 2 trifft das Laserlicht 40 der Emitterelemente 22 jeweils auf ein einziges Sensorelement 26. Aufgrund der gleichmäßigen Anordnung der Emitterelemente an dem Sendechip 36 ist die Lichtausbeute an der Empfangseinheit 12 für jede Makrozelle im Wesentlichen identisch. Vorteilhafterweise beleuchtet jedes Emitterelement an dem Empfangschip der Empfangseinheit eine Mehrzahl an Sensorelementen. In diesem Fall beleuchten jedoch alle Emitterelemente lediglich ein einziges Sensorelement. Dementsprechend ist die Beleuchtung für alle Emitterelement schlecht. Bei einer alternativen Konstellation werden durch jedes Emitterelement 22 beispielsweise jeweils 3 Sensorelemente beleuchtet, wodurch sich bessere Messwerte ergeben. Ein Sensorelement gilt vorzugsweise als beleuchtet, wenn dieses zu mindestens 50% beleuchtet ist. Sensorelemente 26, die zu weniger als 50% beleuchtet werden verschlechtern das Signal zu Rausch Verhältnis und werden vorzugsweise deaktiviert.
Die Emitterelemente 22 und die Sensorelemente 26 der 2 sind miteinander korreliert.
An dem LIDAR Messsystem 10 sind die Sensorelemente in Makrozellen organisiert, die in der 2 durch Rechtecke 44 dargestellt sind. Diese Rechtecke liegen aneinander an und bilden eine Gleichmäßige Struktur. Die Emitterelemente 22 können auf die Sensorelemente 26 der zugehörigen Makrozelle abbilden.
Die Makrozelle 44 des Empfangschips weist ein Pendant an dem Sendechip auf, das als Anordnungszelle 45 bezeichnet wird. Die Anordnungszelle 45 und die Makrozelle 44 liegen in der 2 übereinander. Jeder Anordnungszelle 45 ist ein Emitterelement 22 zugewiesen bzw. jedem Emitterelement 22 ist eine Anordnungszelle 45 zugewiesen. Man erkennt, dass die Positionen aller Emitterelemente 22 innerhalb derer Anordnungszelle 45 identisch sind.
In der 3a und 3b sind ein Ausschnitt eines Sendechips 46 und ein Ausschnitt eines zugehörigen Empfangschips 47 gezeigt, die dekorreliert sind. Sendechip 46 und Empfangschip 47 sind über die Abbildung über den Raumwinkel überlappend dargestellt. Der Empfangschip 47 ist gegenüber der 2 unverändert. Der Sendechip weist jedoch Unterschiede auf. Die Emitterelemente 22 sind nicht mehr in einer regelmäßigen Struktur sondern in einer unregelmäßigen Struktur angeordnet. Insbesondere ist hierbei eine Untergruppe von Emitterelemente 22 des Sendechips 36 dargestellt. Die Ausführungen können jedoch auch auf alle Emitterelemente des Sendechips angewendet werden oder sich in Form der Untergruppe mehrfach wiederholen.
Das eintreffende Laserlicht 50 weist dieselbe Verschiebung auf wie in der 2 für das eintreffende Laserlicht 40 gegenüber dem Emitterelement 22.
In der 3a bezüglich der fünf Emitterelemente 22 fünf Anordnungszellen 52a bis 52e dargestellt. Jede Anordnungszelle 52 ist ein Emitterelement 22 zugeordnet. Das Emitterelement 22a ist zentral innerhalb der Makrozelle 52a angeordnet. Das Emitterelement 22b ist innerhalb seiner Anordnungszelle 52b im Vergleich zur Position des Emitterelements 22a nach rechts verschoben angeordnet. Die Position des Emitterelements 22b innerhalb dessen Anordnungszelle 22b ist somit zu der Position des Emitterelements 22a innerhalb dessen Anordnungszelle 52a verschieden. Das Emitterelement 22c der Anordnungszelle 52c weist gegenüber dem Emitterelement 22a der Anordnungszelle 52a eine nach unten verschobene Position auf. Das Emitterelement 22d der Anordnungszelle 52d ist gegenüber dem Emitterelement 22a der Anordnungszelle 52a nach links sowie nach unten verschoben. Das Emitterelement 22e der Anordnungszelle 52e ist gegenüber dem Emitterelement 22a der Anordnungszelle 52a weiter oben positioniert. Die Richtungen beziehen sich auf die Erstreckung der Figur.
Die Position der Emitterelemente 22a bis 22e ist in Bezug auf deren jeweilige Anordnungszelle 52a bis 52e unterschiedlich. Jedes Emitterelement weist eine eindeutige Position auf, welche sich über die Untergruppe oder gegebenenfalls auch über die Zahl aller Emitterelemente 22 der Sendeeinheit nicht wiederholt.
Das eintreffende Laserlicht 50a des Emitterelements 22a der Anordnungszelle 52a beleuchtet ein einziges Sensorelement 26. Das Emitterelement 22b der Anordnungszelle 52b beleuchtet trotzt derselben statischen Abbildungsfehler demgegenüber drei Sensorelemente 26 zum Teil. Die Anordnung von Emitterelementen 22 und Sensorelementen 26 ist dekorreliert.
In der Anordnungszelle 52c sind zwei Sensorelemente 26 zum Großteil beleuchtet. Innerhalb der Anordnungszelle 52d sind drei Sensorelemente 26 beleuchtet. Die Anordnungszelle 52e weist zwei beleuchtete Sensorelemente 26 auf. Unabhängig von dem konkreten statischen Abbildungsfehler der Optiken, welche das eintreffende Laserlicht 50 über die benachbarten Makrozellen identisch gegenüber den Emitterelementen 22 verschiebt, bleibt im Mittel die Anzahl der beleuchteten Sensorelemente 26 im Wesentlichen unverändert. Bei einer korrelierten Anordnung schwankt die Anzahl der beleuchteten Sensorelement 26 in Abhängigkeit des statischen Abbildungsfehlers erheblich.
Die unregelmäßige Anordnung der Emitterelemente 22 stellt eine Dekorrelation bereit, um für verschiedene statische Abbildungsfehler eine im Mittel gleichmäßige Beleuchtung der Sensorelemente bereitzustellen.
In der 3b wird die ungleichmäßige Anordnung durch Vektoren 54a bis d beschrieben. Solcher Vektor 54 verläuft von dem Mittelpunkt eines Emitterelements 22 zu einem anderen Emitterelement 22. Ein Vektor 54 kann durch eine Länge und einen Winkel oder durch zwei Koordinaten, insbesondere eine vertikale und eine horizontale bzw. X und Y-Koordinate geschrieben werden. Beide Varianten zur Beschreibung eines solchen Vektors 54 sind im Ergebnis identisch.
Der Vektor 54a weist von dem Emitterelement 22a zu dem Emitterelement 22b. Der Vektor 54b weist von dem Emitterelement 22b zu dem Emitterelement 22c. Der Vektor 54c beschreibt die Anordnung von dem Emitterelement 22c zu dem Emitterelement 22d, wobei der Vektor 54d die Positionierung des Emitterelements 22e gegenüber dem Emitterelement 22d beschreibt. Einerseits unterscheiden sich sowohl die Länge als auch der Winkel der Vektoren 54a bis d voneinander. Jeder der Vektoren 54 ist innerhalb der Untergruppe einzigartig, sodass sich jeder Vektor 54 von den anderen Vektoren 54 unterscheidet.
Auch bei dieser Ausführungsvariante wird die Dekorrelation bereitgestellt. Alternativ kann man auch sagen, dass die Kombination aus horizontalem und vertikalem Abstand jeden Vektor 54 der Untergruppe einzigartig ist. Zudem kann es bereits ausreichend sein eine Dekorrelation bereitzustellen, indem man den Abstand der Emitterelemente, also die Länge eines Vektors 54, für jeden Vektor einzigartig ist. Vorzugsweise Unterscheide sich dabei auch die Winkel.
Bezugszeichenliste

10: LIDAR Messsystem
12: LIDAR Empfangseinheit
14: LIDAR Sendeeinheit
16: Empfangsoptik
18: Senderoptik
20: Objekt
22: Emitterelement, VCSEL
22a-e: Emitterelement
24: Laserlicht, Puls
25: Strahl
26: Sensorelement
28: Ausleseelement
30: Auswerteeinheit
32: Steuereinheit
34: Verbindung
36: Sendechip
38: Abbildungsfläche
40: eintreffendes Laserlicht / Kreis
42: Vektor
44: Makrozelle
45: Anordnungszelle
46: Sendechip
47: Empfangschip
48: Untergruppe
50,a-e: eintreffendes Laserlicht / Kreis
52,a-e: Anordnungszelle
54,a-d: Vektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017081294 [0002]

Claims

LIDAR Sendeeinheit (14) für ein LIDAR Messsystem (10), wobei - die LIDAR Sendeeinheit (14) mehrere Emitterelemente (22) aufweist, wobei - zumindest ein Teil der Emitterelemente (22) in einer unregelmäßigen Struktur an der LIDAR Sendeeinheit (14) angeordnet sind.
LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Emitterelemente (22) oder eine Untergruppe der Emitterelemente (22) der LIDAR Sendeeinheit (14) in einer unregelmäßigen Struktur angeordnet sind.
LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Untergruppe und deren Anordnung der Emitterelemente (22) an der LIDAR Sendeeinheit (14) wiederholt.
LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LIDAR Sendeeinheit (14) in Anordnungszellen (52) aufgeteilt ist, die an der LIDAR Sendeeinheit (14) in einer gleichmäßigen Strukturen angeordnet sind, wobei jede Anordnungszelle (52) ein Emitterelement (22) aufweist, wobei zumindest zwei Emitterelemente (22) eine unterschiedliche Position innerhalb der jeweiligen Anordnungszelle (52) aufweisen.
LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Vektor (54), der die Relativposition zwischen zwei Emitterelementen (22) beschreibt, über die unregelmäßige Struktur nicht wiederholt.
LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unregelmäßige Struktur durch unterschiedliche Abstände benachbarter Emitterelemente (22) ausgebildet ist.
LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder mögliche Vektor (54) zwischen zwei Emitterelementen (22) für die Untergruppe an Emitterelementen (22) oder für alle Emitterelemente (22) der LIDAR Sendeeinheit (14) lediglich ein einziges Mal ausgebildet ist.
LIDAR Messsystem (10), umfassend eine LIDAR Sendeeinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.