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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen LIDAR (engl. Light Detection And Ranging) Sensor, ein Fahrzeug sowie Verfahren für einen LIDAR-Sensor.
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LIDAR-Systeme nutzen in vielen Anwendungen Laserstrahlen mit hoher Flächenleistungsdichte bzw. Intensität, um die Umgebung abzutasten. Die okulare Laserstrahlexposition kann bei von dem LIDAR-System abgetasteten Objekten zu Reaktionen führen, die mitunter unerwünscht sein können.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Umgebungsabtastung mittels LIDAR bereitzustellen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen LIDAR-Sensor, ein Fahrzeug sowie Verfahren für einen LIDAR-Sensor gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in der Figur beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen LIDAR-Sensor. Der LIDAR-Sensor umfasst eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu erzeugen, sowie ein Auslassfenster, das eingerichtet ist, den Lichtstrahl in eine Umgebung des LIDAR-Sensors transmittieren zu lassen. Das Auslassfenster kann beispielsweise ein Teilbereich eines Gehäuses des LIDAR-Sensors sein, der optisch für den Lichtstrahl im Wesentlichen transparent ist. Ferner umfasst der LIDAR-Sensor eine Empfangseinheit, die eingerichtet ist, Informationen über die Umgebung des LIDAR-Sensors basierend auf empfangenen Reflexionen des Lichtstrahls bereitzustellen. Der LIDAR-Sensor umfasst weiterhin eine (elektronisch-)fokusvariable Linse, die entlang des Strahlengangs des Lichtstrahls zwischen der Lichtquelle und dem Auslassfenster angeordnet und eingerichtet ist, abhängig von einem Steuersignal eine Intensität des Lichtstrahls zu variieren. Ferner umfasst der LIDAR-Sensor eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, das Steuersignal für die fokusvariable Linse basierend auf einem in den Informationen über die Umgebung des LIDAR-Sensors erkannten Objekt zu erzeugen.
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Die fokusvariable Linse ermöglicht über die elektronische Ansteuerung mittels des Steuersignals eine Einstellung ihrer Linsenkrümmung und somit ihrer Brennweite. Mit anderen Worten: Abhängig von dem Steuersignal kann die Fokalebene, auf welche die fokusvariable Linse den einlaufenden Lichtstrahl abbildet, eingestellt werden. Beispielsweise kann die fokusvariable Linse eine Flüssiglinse sein. Mittels der fokusvariablen Linse kann über die Einstellung der Brennweite eine definierte Weitung des Lichtstrahls abhängig von dem Steuersignal bzw. erkannten Objekt erfolgen. Über die Weitung des Lichtstrahls durch die fokusvariable Linse kann die Intensität des Lichtstrahls abhängig von dem erkannten Objekt eingestellt werden. Wird der Lichtstrahl durch die fokusvariable Linse geweitet, so nimmt die Intensität des Lichtstrahls ab. Die Intensität des Lichtstrahls beschreibt dabei die Flächenleistungsdichte des Lichtstrahls, d.h. die pro Einheitsfläche (z.B. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls) bei einem Empfänger auftreffende Leistung der elektromagnetischen Energie des Lichtstrahls.
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In LIDAR-Sensoren erfolgt automatisiert eine Klassifizierung der in den Informationen über die Umgebung des LIDAR-Sensors erkannten Objekte, so dass die Klasse bzw. die Art der vom LIDAR-Sensor abgetasteten Objekte bekannt ist. Aus dem im LIDAR-Sensor vorliegenden Wissen über die Klasse des Objekts kann die Steuerschaltung nunmehr ableiten, ob ein Objekt abgetastet wird, das potentiell sensitiv auf die zur Abtastung verwendete Lichtstrahlung reagiert. Mittels des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors kann dann abhängig von den in der Umgebung des LIDAR-Sensors erkannten Objekten die Intensität des Lichtstrahls variiert bzw. an die in der Umgebung des LIDAR-Sensors erkannten Objekte angepasst werden. Aufgrund der objektabhängigen Einstellung der Intensität des Lichtstrahls können Reaktionen der abgetasteten Objekte aufgrund der Laserstrahlexposition vermindert oder auch verhindert werden.
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Der verwendete Lichtstrahl kann jegliche geeignete Wellenlänge aufweisen. Beispielsweise kann sichtbares Licht (Wellenlänge ca. 380 - 750 nm) oder Strahlung im Infrarotbereich (Wellenlänge ca. 780 nm - 1 mm) genutzt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle z.B. ein Laser sein, d.h. der Lichtstrahl kann ein Laserlichtstrahl sein. Die Verwendung eines Lasers kann die effiziente Erzeugung eines kollimierten Lichtstrahls mit hoher Intensität bei einer scharfen Bündelung des Lichtstrahls ermöglichen.
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Das Steuerschaltung des LIDAR-Sensors kann z.B. eine programmierbare Hardwarekomponente, wie etwa ein Prozessor, ein Prozessorkern, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (engl. ASIC = Application-Specific Integrated Circuit) oder ein integrierter Schaltkreis (engl. IC = Integrated Circuit) sein.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung beispielsweise eingerichtet sein, die fokusvariable Linse über das Steuersignal anzusteuern, die Intensität des Lichtstrahls zu reduzieren, falls das Objekt als ein Kopf eines Menschen oder eines Tieres klassifiziert ist. Beispielsweise kann die fokusvariable Linse durch die Steuerschaltung angesteuert werden, die Intensität des Lichtstrahls von einer ersten Intensität auf eine geringere zweite Intensität zu reduzieren. Die Netzhaut eines menschlichen oder tierischen Auges kann mitunter auf Lichtstrahlen mit hoher Intensität reagieren. Durch die erfindungsgemäße Reduktion der Intensität des Lichtstrahls bei einer Abtastung eines menschlichen oder tierischen Kopfes in der Umgebung des LIDAR-Sensors kann eine nachteilige Strahlenexposition vermieden werden.
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Falls das Objekt als ein Kopf eines Menschen oder eines Tier klassifiziert ist, kann die Steuerschaltung gemäß einigen Ausführungsbeispielen z.B. eingerichtet sein, zumindest einen Zeitpunkt (oder Zeitraum) einer zukünftigen Bestrahlung des Objekts mit dem Lichtstrahl zu bestimmen. Aus den mittels der Empfangseinheit erhaltenen Informationen über die Umgebung des LIDAR-Sensors kann z.B. eine Position des Objekts und anschließend ein Zeitpunkt (oder Zeitraum) der nächsten Abtastung dieser Position durch den Lichtstrahl bestimmt werden. Entsprechend kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, die fokusvariable Linse über das Steuersignal anzusteuern, die Intensität des Lichtstrahls zu dem zumindest einen Zeitpunkt (oder Zeitraum) zu reduzieren.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, mehrere Zeitpunkte (oder Zeiträume) zu bestimmen und die fokusvariable Linse über das Steuersignal anzusteuern, die Intensität des Lichtstrahls zu jedem der mehreren Zeitpunkte (oder Zeiträume) zu reduzieren. Derart kann durchgehend eine nachteilige Strahlenexposition eines menschlichen oder tierischen Kopfes vermieden werden.
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Alternativ kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, mehrere Zeitpunkte (oder Zeiträume) zu bestimmen und die fokusvariable Linse über das Steuersignal anzusteuern, die Intensität des Lichtstrahls nur zu einem Teil der Zeitpunkte (oder Zeiträume) zu reduzieren. Beispielsweise kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, die fokusvariable Linse über das Steuersignal anzusteuern, die Intensität des Lichtstrahls nur zu jedem zweiten, fünften oder zehnten der Zeitpunkte (oder Zeiträume) zu reduzieren. Wird der Lichtstrahl zur Reduktion seiner Intensität mittels der fokusvariablen Linse geweitet, führt dies zu einer Reduktion der Auflösung des LIDAR-Sensors im Vergleich zur Abtastung mit dem gewöhnlichen, nicht geweiteten (d.h. nicht intensitätsreduzierten) Lichtstrahl. Die Reduzierung der Intensität des Lichtstrahls nur zu einem Teil der Zeitpunkte (oder Zeiträume), kann einen Kompromiss zwischen einer Abtastung der Umgebung mit hoher Auflösung und einer Reduktion der Reaktion des Objekts ermöglichen.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerschaltung beispielsweise eingerichtet sein, den einen Zeitpunkt (oder Zeitraum) oder die mehreren Zeitpunkte (oder Zeiträume) der zukünftigen Bestrahlung des Objekts mit dem Lichtstrahl unter Verwendung eines Prädiktionsmodells zu bestimmen. Das Prädiktionsmodell ist ein Modell, welches die Bewegung des Objekts relativ zum LIDAR-Sensor abschätzt. Beispielsweise kann so eine Bewegung des LIDAR-Sensor und/oder des Objekts für die Bestimmung des zumindest einen Zeitpunkts (oder Zeitraums) der zukünftigen Bestrahlung berücksichtigt werden. Entsprechend kann eine Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass die Intensität des Lichtstrahls zu einem zukünftigen Zeitpunkt (oder Zeitraum) reduziert wird, an dem der Lichtstrahl tatsächlich das Objekt abtastet. Entsprechend kann eine Genauigkeit der Ansteuerung der fokusvariablen Linse verbessert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das einen erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor umfasst. Allgemein kann ein Fahrzeug als eine Vorrichtung aufgefasst werden, die eines oder mehrere von einem Motor angetriebene Räder (und optional ein Antriebsstrangsystem) umfasst. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad oder ein Traktor sein. Durch den erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor kann eine Abtastung einer Umgebung des Fahrzeugs ermöglicht werden, wobei aufgrund der objektabhängigen Einstellung der Intensität des Lichtstrahls Reaktionen der abgetasteten Objekte in Folge der Laserstrahlexposition vermindert oder auch verhindert werden können.
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Die von dem LIDAR-Sensor gesammelten Informationen über die Umgebung können anschließend durch das Fahrzeug weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug in einigen Ausführungsbeispielen ferner ein Steuergerät umfassen, das eingerichtet ist, eine Reaktion des Fahrzeugs aus den Informationen über die Umgebung abzuleiten.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Verfahren für einen LIDAR-Sensor. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Lichtstrahls mittels einer Lichtquelle sowie ein Bereitstellen von Informationen über eine Umgebung des LIDAR-Sensors basierend auf aus einer Umgebung des LIDAR-Sensors empfangenen Reflexionen des Lichtstrahls. Zudem umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines Steuersignals basierend auf einem in den Informationen über die Umgebung des LIDAR-Sensors erkannten Objekt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Variieren einer Intensität des Lichtstrahls abhängig von dem Steuersignal mittels einer fokusvariablen Linse, die entlang des Strahlengangs des Lichtstrahls zwischen der Lichtquelle und einem Auslassfenster des LIDAR-Sensors für den Lichtstrahl angeordnet ist.
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Wie bereits oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor beschrieben, kann auch das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der objektabhängigen Einstellung der Intensität des Lichtstrahls Reaktionen der abgetasteten Objekte in Folge der Laserstrahlexposition vermindern oder auch verhindern.
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Mögliche nähere Ausgestaltungen des Verfahrens sind oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor beschrieben. Falls das Objekt als ein Kopf eines Menschen oder eines Tieres klassifiziert ist, kann das Verfahren beispielsweise ein Ansteuern der fokusvariablen Linse über das Steuersignal, die Intensität des Lichtstrahls zu reduzieren, umfassen.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung noch ein weiteres Verfahren für einen LIDAR-Sensor. Das Verfahren umfasst ein Aussenden eines von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls (z.B. eines Laserstrahls) mit einer ersten Intensität in eine Umgebung des LIDAR-Sensors, wenn aus zuvor empfangenen Reflexionen des Lichtstrahls bestimmt wird, dass kein Kopf eines Menschen oder eines Tieres in der Umgebung des LIDAR-Sensors von dem Lichtstrahl bestrahlt wird. Ferner umfasst das Verfahren ein Reduzieren der ersten Intensität des Lichtstrahls auf eine zweite Intensität vor dem Aussenden mittels einer (entlang des Strahlengangs des Lichtstrahls) der Lichtquelle nachgeschalteten fokusvariablen Linse, wenn aus den zuvor empfangenen Reflexionen des Lichtstrahls bestimmt wird, dass ein Kopf eines Menschen oder eines Tiers in der Umgebung des LIDAR-Sensors von dem Lichtstrahl bestrahlt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Reduktion der Intensität des Lichtstrahls bei einer Abtastung eines menschlichen oder tierischen Kopfes in der Umgebung des LIDAR-Sensors kann eine nachteilige Strahlenexposition der Netzhaut eines menschlichen oder tierischen Auges vermieden werden. Mögliche nähere Ausgestaltungen des Verfahrens sind oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor beschrieben.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beigefügte Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem LIDAR-Sensor 110.
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Eine Lichtquelle 111 (z.B. ein Laser) des LIDAR-Sensors 110 erzeugt einen Lichtstrahl 116. Entlang des Strahlengangs des Lichtstrahls 116 ist unmittelbar nach der Lichtquelle 111 eine (elektronisch-)fokusvariable Linse 113 angeordnet, welche über eine Steuerschaltung 112 angesteuert wird. Abhängig von einem Steuersignal 115 der Steuerschaltung 112 variiert die fokusvariable Linse 113 ihre Krümmung, so dass die sich Brennweite der fokusvariablen Linse 113 ändert. Über die Einstellung der Brennweite kann der Lichtstrahl 116 in einer Ebene senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung geweitet werden. Mit anderen Worten: Über die Einstellung der Brennweite der fokusvariablen Linse 113 kann die Intensität des Lichtstrahls 116 verändert werden.
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Der Lichtstrahl 116 transmittiert durch ein Auslassfenster 114, das im Wesentlichen transparent für den Lichtstrahl 116 ist, in die Umgebung des Fahrzeugs 100, um diese abzutasten.
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Um eine Abstrahlrichtung des Lichtstrahls 116 einzustellen bzw. zu variieren, kann der LIDAR-Sensor 110 z.B. einen drehbaren Spiegel (nicht dargestellt) umfassen, der entlang des Strahlengangs des Lichtstrahls 116 zwischen der fokusvariablen Linse 113 und dem Auslassfenster 114 angeordnet ist. Über den drehbaren Spiegel kann der Lichtstrahl 116 in eine gewünschte Abstrahlrichtung abgelenkt werden. Alternativ kann beispielsweise auch die Lichtquelle 111 bewegt werden, um die Abstrahlrichtung des Lichtstrahls 116 einzustellen bzw. zu variieren. Beispielsweise kann die Lichtquelle in einem bestimmten Winkelbereich um eine Rotationsachse oszillieren. Wird eine bewegte Lichtquelle 111 für die Einstellung bzw. Variation der Abstrahlrichtung verwendet, wird auch die fokusvariable Linse 113 mit der Lichtquelle 113 bewegt, so dass keine Relativbewegung zwischen der fokusvariable Linse 113 und der Lichtquelle 111 stattfindet. Beispielsweise kann die fokusvariable Linse 113 fest mit der Lichtquelle 113 verbunden bzw. gekoppelt sein.
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Das Auslassfenster 114 kann auch als Einlass für Reflexionen 118 des Lichtstrahls 116 dienen. Eine Empfangseinheit 117 des LIDAR-Sensors 110 empfängt die Reflexionen 118 des Lichtstrahls 116 und leitet daraus Informationen 119 über die Umgebung des LIDAR-Sensors 110 bzw. des Fahrzeugs 100 ab. Beispielsweise kann die Empfangseinheit 117 Informationen 119 wie einen Abstand, eine Geschwindigkeit oder einen Höhenwinkel relativ zu einem von dem LIDAR-Sensor 110 abgetasteten (bzw. beleuchteten) Objekt bereitstellen.
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Die Steuerschaltung 112 empfängt die Informationen 119 über die Umgebung. In der Steuerschaltung 112 findet eine Objekterkennung statt, d.h. erkannte Objekte werden klassifiziert (z.B. als Kopf eines Menschen, Fahrzeug, etc.). Die Steuerschaltung 112 erzeugt das Steuersignal 115 für die fokusvariable Linse 113 basierend auf den erkannten Objekten, so dass die Intensität des Lichtstrahls 116 gemäß den obigen Ausführungen durch die fokusvariable Linse 113 abhängig von den erkannten Objekten moduliert wird.
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Somit erfolgt eine objektabhängige Einstellung der Intensität des Lichtstrahls 116, so dass Reaktionen der abgetasteten Objekte aufgrund der Laserstrahlexposition vermindert oder auch verhindert werden können.
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Beispielsweise kann die fokusvariable Linse 113 von der Steuerschaltung 112 so angesteuert werden, dass der Lichtstrahl 116 mit einer ersten Intensität in die Umgebung des LIDAR-Sensors 110 bzw. des Fahrzeugs 100 ausgesendet wird, wenn aus den zuvor empfangenen Reflexionen 118 des Lichtstrahls 116 bestimmt wird, dass (gerade) kein Kopf eines Menschen oder eines Tieres von dem Lichtstrahl 116 bestrahlt (beleuchtet) wird. Wird bestimmt, dass (gerade) ein Kopf eines Menschen oder eines Tiers von dem Lichtstrahl 116 bestrahlt wird, kann die fokusvariable Linse 113 von der Steuerschaltung 112 so angesteuert werden, dass die Intensität des Lichtstrahls 116 vor dem Aussenden des Lichtstrahls 116 über die Variation des Brennpunkts der fokusvariablen Linse 113 auf eine geringere zweite Intensität reduziert wird.
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In der Steuerschaltung 112 werden z.B. mittels entsprechender Software Personen (etwa im Stadtverkehr) erkannt und in dem Augenblick, in dem der Lichtstrahl 116 (z.B. ein Laserstrahl) genau die Person im Kopfbereich passieren würde, wird die fokusvariable Linse 113 (z.B. eine Flüssiglinse) angesteuert und der Öffnungswinkel des Lichtstrahls 116 geweitet. Die Intensität des Lichtstrahls 116 bei einer Abtastung eines menschlichen oder tierischen Kopfes kann derart soweit reduziert werden, dass z.B. eine Bestrahlung der Netzhaut eines menschlichen oder tierischen Auges mit einer zu hohen Intensität vermieden werden kann. Je nach Öffnungswinkel des Lichtstrahls 116 kann zudem die Auflösung des LIDAR-Sensors 110 variiert werden.
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Die Flächenleistungsdichte bzw. die Intensität des Lichtstrahls 116 könnte zwar auf vielerlei Art und Weise geregelt werden, die zugrundeliegende Erfindung hat jedoch den Vorteil, dass alleine durch das Vorhandensein der fokusvariablen Linse 113 eine Kalibrierung der Kollimation des Lichtstrahls 116 erfolgen kann. Mit anderen Worten: Für die Einstellung der Intensität des Lichtstrahls 116 genügt bereits die fokusvariable Linse 113. Die Kalibrierung kann z.B. einmalig während der Herstellung des LIDAR-Sensors 110 oder auch dynamisch während der Fahrt, um auch aufgrund von (temporärer) Demontage, mechanischen Belastungen oder (z.B. kurzfristigen) thermischen Belastungen auftretende Effekte berücksichtigen zu können. Entsprechend kann es die vorliegende Erfindung auch ermöglichen, dass über die Lebenszeit des LIDAR-Sensors 110 auftretende Veränderungen in den optischen Eigenschaften des Lichtstrahls 116 bei der objektabhängigen Intensitätsregelung des Lichtstrahls 116 berücksichtigt werden.
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Insbesondere kann dadurch ein dauerhafter und kontinuierlicher Betrieb des LIDAR-Sensors ermöglicht werden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass die Lichtquelle während des Betriebs des LIDAR-Sensors ununterbrochen aktiv ist und Strahlung aussendet. Schaltet man eine Strahlungsquelle ab, so kann innerhalb dieser Zeit keine Information über die Umgebung erlangt werden. Da die Lichtquelle ununterbrochen betrieben werden kann, tritt auch kein Informationsverlust ein.
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Die von dem LIDAR-Sensor 110 gesammelten Informationen 119 über die Umgebung können ferner durch das Fahrzeug 100 weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug 100 dazu ein Steuergerät 120 umfassen, das eingerichtet ist, eine Reaktion des Fahrzeugs 100 (z.B. eine Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit) aus den Informationen 119 über die Umgebung des LIDAR-Sensors 110 bzw. des Fahrzeugs 100 abzuleiten.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 110
- LIDAR-Sensor
- 111
- Lichtquelle
- 112
- Steuerschaltung
- 113
- fokusvariable Linse
- 114
- Auslassfenster
- 115
- Steuersignal
- 116
- Lichtstrahl
- 117
- Empfangseinheit
- 118
- Reflektion des Lichtstrahls
- 119
- Informationen über die Umgebung des LIDAR-Sensors
- 120
- Steuergerät
