DE102018219476A1

DE102018219476A1 - Device for optically scanning an environment of the device

Info

Publication number: DE102018219476A1
Application number: DE102018219476.9A
Authority: DE
Inventors: Norman Haag; Remigius Has; Stefan Spiessberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine optische Abtastung eines Umfeldes der Vorrichtung und ein Fahrerassistenzsystem. Die Vorrichtung (80) umfasst: eine Lichtquelle (20), ein Element zur Lichtstrukturierung (30), einen Lichtdetektor (40) und eine Auswerteeinheit (10), wobei die Lichtquelle (20) eingerichtet ist, eine Abtastlinie (25) in ein Umfeld der Vorrichtung (80) auszusenden, das Element zur Lichtstrukturierung (30) in einem Sendepfad und/oder einem Empfangspfad der Vorrichtung (80) angeordnet und eingerichtet ist, die durch die Lichtquelle (20) ausgesendete Abtastlinie (25) mittels einer Mehrzahl vordefinierter Muster (35) sequenziell zu strukturieren, der Lichtdetektor (40) eingerichtet ist, im Umfeld der Vorrichtung (80) reflektierten und/oder gestreuten Lichts der Lichtquelle (20) zu empfangen, und die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, ein zu jedem Muster (35) korrespondierendes Signal des Lichtdetektors (40) repräsentierend eine jeweilige Lichtintensität zu empfangen, und auf Basis einer Mehrzahl vom Lichtdetektor (40) empfangener Signale unter Berücksichtigung mit den jeweiligen Signalen korrespondierender Muster (35) eine Repräsentation des Umfeldes der Vorrichtung (80) zu berechnen.The present invention relates to a device for optically scanning an environment of the device and a driver assistance system. The device (80) comprises: a light source (20), an element for light structuring (30), a light detector (40) and an evaluation unit (10), the light source (20) being set up, a scanning line (25) in an environment of the device (80), the element for light structuring (30) is arranged and set up in a transmission path and / or a reception path of the device (80), the scanning line (25) emitted by the light source (20) using a plurality of predefined patterns ( 35) to be structured sequentially, the light detector (40) is set up to receive reflected and / or scattered light from the light source (20) in the vicinity of the device (80), and the evaluation unit (10) is set up, for each pattern (35 ) to receive the corresponding signal of the light detector (40) representing a respective light intensity, and on the basis of a plurality of signals received by the light detector (40) taking into account the respective signal a corresponding pattern (35) to calculate a representation of the environment of the device (80).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine optische Abtastung eines Umfeldes der Vorrichtung und ein Fahrerassistenzsystem.The present invention relates to a device for optically scanning an environment of the device and a driver assistance system.

Aus dem Stand der Technik sind LIDAR- (light detection and ranging) Systeme bekannt, welche insbesondere zur Umfelderfassung von Fortbewegungsmitteln eingesetzt werden. Für solche LIDAR-Systeme sind hier zwei grundsätzliche konzeptionelle Ansätze bekannt: Flash-Systeme, welche eine gesamte Szene im Umfeld eines LIDAR-Systems beleuchten und anschließend eine parallele Detektion, des im Umfeld reflektierten bzw. gestreuten Lichts des LIDAR-Systems durchführen und Scanner-Systeme, welche eine Szene im Umfeld des LIDAR-Systems durch einen einzelnen Laserstrahl abtasten.LIDAR (light detection and ranging) systems are known from the prior art, which are used in particular for environment detection of means of transportation. Two fundamental conceptual approaches are known for such LIDAR systems: flash systems which illuminate an entire scene in the vicinity of a LIDAR system and then carry out a parallel detection of the light of the LIDAR system reflected or scattered in the environment and scanner- Systems that scan a scene in the vicinity of the LIDAR system using a single laser beam.

Reguläre Flash-Systeme arbeiten im Stand der Technik mit zweidimensionalen Lichtdetektoren, welche jeweils ein vollständiges Abbild einer Szene laufzeitkodiert aufnehmen. Ein alternatives Konzept zu einer solchen Detektion ist das ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte „Compressed-Sensing-LIDAR“ oder auch „Photon-Counting-LIDAR“, zu welchem u.a. in nachfolgend genannten Publikationen funktionsfähige LIDAR-Systeme nachgewiesen wurden:

• Howland et al., Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging, Applied Optics 50 (31), November 2011
• Howland et al., Photon counting compressive depth mapping, Optics Express 21 (20), September 2013
• Edgar et al., Real-time computational photon-counting LiDAR, Optical Engineering 57 (3), März 2018

In the prior art, regular flash systems work with two-dimensional light detectors, which each record a complete image of a scene with runtime coding. An alternative concept to such a detection is the "Compressed-Sensing-LIDAR", also known from the prior art, or "Photon-Counting-LIDAR", for which functional LIDAR systems have been demonstrated in the publications mentioned below:

• Howland et al., Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging, Applied Optics 50 (31), November 2011
• Howland et al., Photon counting compressive depth mapping, Optics Express 21 (20), September 2013
• Edgar et al., Real-time computational photon-counting LiDAR, Optical Engineering 57 (3), March 2018

Ein Compressed-Sensing- (CS) System besteht im Kern aus drei Komponenten: einer Lichtquelle, einem Element zur Lichtstrukturierung und einem 1D-Lichtdetektor. Für die Strukturierung des Lichts werden üblicherweise kommerziell erhältliche Digital-Light-Modulators (DLM) verwendet. Mittels des DLM kann einem Lichtstrahl ein binäres Muster (Licht an oder Licht aus) aufgeprägt werden. Bei einer typischen Variante für ein solches CS-System wird der DLM nach der Lichtquelle angeordnet, wodurch eine Szene im Umfeld des CS-Systems strukturiert beleuchtet werden kann. Anschließend wird im Umfeld des CS-Systems zurückgestreutes Licht mittels einer Sammellinse gebündelt und auf Basis eines 1 D-Photodetektors gemessen. Mittels geeigneter mathematischer Verfahren kann auf Basis der Messungen des 1D-Photodetektors und einer Information über jeweilige Strukturierungen des Lichts die Szene im Umfeld des CS-Systems rekonstruiert werden.A compressed-sensing (CS) system essentially consists of three components: a light source, an element for structuring light and a 1D light detector. Commercially available digital light modulators (DLM) are usually used to structure the light. Using the DLM, a binary pattern (light on or light off) can be impressed on a light beam. In a typical variant for such a CS system, the DLM is arranged after the light source, as a result of which a scene in the vicinity of the CS system can be illuminated in a structured manner. Subsequently, backscattered light is bundled in the environment of the CS system by means of a converging lens and measured on the basis of a 1-D photodetector. Using suitable mathematical methods, the scene in the environment of the CS system can be reconstructed based on the measurements of the 1D photodetector and information about the respective structuring of the light.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung wurde umgesetzt, um die Vorteile eines Line-Flash-LIDARs (niedrige erforderliche Laserleistung, hohe Augensicherheit, etc.) mit den Vorteilen eines „Compressed-Sensing-LIDARs“ (dynamisch wählbare Auflösung, reduzierte Datenmenge, einfacher Detektor, etc.) zu verbinden.The present invention was implemented in order to take advantage of a line flash LIDAR (low laser power required, high eye safety, etc.) with the advantages of a "compressed-sensing LIDAR" (dynamically selectable resolution, reduced amount of data, simple detector, etc. ) connect to.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für eine optische Abtastung eines Umfeldes der Vorrichtung vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, ein Element zur Lichtstrukturierung, einen Lichtdetektor und eine Auswerteeinheit, wobei diese Komponenten bevorzugt in einem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet sein können. Die Lichtquelle kann bevorzugt eine gepulste Lichtquelle, wie eine Laserlichtquelle oder auch eine LED-Lichtquelle sein, wobei Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingesetzt werden können (z.B. im Infrarotbereich oder im Bereich des sichtbaren Lichtes). Anstatt einer gepulsten Lichtquelle können alternativ auch kontinuierliche Lichtquellen auf Basis des FMCW (frequency-modulated-continuous-wave)-Verfahrens eingesetzt werden. Die Lichtquelle ist eingerichtet, einen Abtaststrahl in Form einer Abtastlinie in ein Umfeld der erfindungsgemäßen Vorrichtung auszusenden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Abtastlinie im Wesentlichen einer einzelnen, eindimensionalen Abtastlinie entspricht, wie sie auch in oben erwähnten Line-Flash-LIDAR-Systemen zum Einsatz kommen und explizit kein zweidimensionales Abtastfeld darstellt, wie es in regulären Flash-LIDAR-Systemen verwendet wird. Mit anderen Worten kann eine Länge der Abtastlinie um ein Vielfaches größer sein, als eine Breite der Abtastlinie. Während die Länge der Abtastlinie im Wesentlichen durch eine Apertur der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgegeben sein kann, kann die Breite der Linie im Wesentlichen durch eine Art der verwendeten Lichtquelle und/oder durch eine Art eingesetzter strahlformender und/oder strahlablenkender Elemente der Vorrichtung und/oder durch eine erforderliche Sendeleistung der Vorrichtung bestimmt werden. In diesem Zusammenhang kann insbesondere auch der Aspekt der Augensicherheit eine wichtige Rolle bei der Festlegung einer minimalen Breite für die Abtastlinie spielen.According to a first aspect of the present invention, a device for optical scanning of an environment of the device is proposed. The device comprises a light source, an element for light structuring, a light detector and an evaluation unit, wherein these components can preferably be arranged in a housing of the device. The light source can preferably be a pulsed light source, such as a laser light source or also an LED light source, it being possible for light sources with different wavelength ranges to be used (e.g. in the infrared range or in the range of visible light). Instead of a pulsed light source, continuous light sources based on the FMCW (frequency-modulated-continuous-wave) method can alternatively be used. The light source is set up to emit a scanning beam in the form of a scanning line into the surroundings of the device according to the invention. It should be pointed out that the scanning line essentially corresponds to a single, one-dimensional scanning line, as is also used in the line flash LIDAR systems mentioned above, and explicitly does not represent a two-dimensional scanning field, as is used in regular flash LIDAR systems becomes. In other words, a length of the scan line can be many times larger than a width of the scan line. While the length of the scanning line can essentially be predetermined by an aperture of the device according to the invention, the width of the line can essentially be determined by a type of light source used and / or by a type of beam-shaping and / or beam-deflecting elements of the device used and / or by a required transmission power of the device can be determined. In this context, the aspect of eye safety in particular can play an important role in determining a minimum width for the scanning line.

Das Element zur Lichtstrukturierung kann in einem Sendepfad und/oder einem Empfangspfad der Vorrichtung angeordnet und eingerichtet sein, die durch die Lichtquelle ausgesendete Abtastlinie mittels einer Mehrzahl vordefinierter Muster sequenziell zu strukturieren. D.h., dass das Element zur Lichtstrukturierung zwischen der Lichtquelle und einer Lichtaustrittsöffnung der Vorrichtung und/oder zwischen einer Lichteintrittsöffnung (welche dieselbe Öffnung wie die Lichtaustrittsöffnung sein kann) und dem Lichtdetektor der Vorrichtung angeordnet sein kann. Des Weiteren kann das Element zur Lichtstrukturierung bevorzugt im Wesentlichen an eine Form der Abtastlinie angepasst sein und/oder ein eindimensionales Element sein und/oder ein LC-Display, insbesondere ein Spatial-Light-Modulator und weiter bevorzugt ein DLM (Digital-Light-Modulator) sein. Mittels des Elements zur Lichtstrukturierung kann ein Sendelichtstrahl und/oder ein Empfangslichtstrahl der Vorrichtung (d.h. die Abtastlinie bzw. die im Umfeld der Vorrichtung reflektierte bzw. gestreute Abtastlinie) in Übereinstimmung mit einem jeweils verwendeten, vordefinierten Muster abschnittsweise unterbrochen werden, so dass in den jeweiligen unterbrochenen Abschnitten im Wesentlichen kein Licht in das Umfeld bzw. vom Umfeld zurück transportiert wird. Je nach eingesetzter Technologie für das Element zur Lichtstrukturierung kann dies beispielsweise durch eine linienförmige Anordnung von beweglichen Spiegeln bzw. Mikrospiegeln erfolgen, die in Übereinstimmung mit einem jeweils anzuwendenen, vordefinierten Muster entsprechend angesteuert werden können. Alternativ kann die Lichtstrukturierung, wie oben erwähnt, auch auf Basis eines LC-Displays erfolgen, welches einzelne Pixel des Displays in Übereinstimmung mit einem jeweils zu verwendenden, vordefinierten Muster hell oder dunkel schalten kann. Eine maximale Abtastauflösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Längsrichtung des Abtaststrahls ist durch eine Anzahl zur Verfügung stehender Pixel des Elements zur Lichtstrukturierung vordefiniert.The element for light structuring can be arranged and arranged in a transmission path and / or a reception path of the device to structure the scanning line emitted by the light source sequentially using a plurality of predefined patterns. Ie that the element for light structuring between the light source and a light exit opening of the device and / or between a light entry opening (which can be the same opening as the light exit opening) and the light detector of the device. Furthermore, the element for light structuring can preferably be essentially adapted to a shape of the scanning line and / or be a one-dimensional element and / or an LC display, in particular a spatial light modulator and further preferably a DLM (digital light modulator) ) be. By means of the element for light structuring, a transmitted light beam and / or a received light beam of the device (ie the scanning line or the scanning line reflected or scattered in the vicinity of the device) can be interrupted in sections in accordance with a predefined pattern used in each case, so that in the respective interrupted sections essentially no light is transported into the surroundings or back from the surroundings. Depending on the technology used for the element for light structuring, this can be done, for example, by a linear arrangement of movable mirrors or micromirrors, which can be controlled accordingly in accordance with a predefined pattern to be used in each case. Alternatively, as mentioned above, the light structuring can also take place on the basis of an LC display which can switch individual pixels of the display light or dark in accordance with a predefined pattern to be used in each case. A maximum scanning resolution of the device according to the invention in the longitudinal direction of the scanning beam is predefined by a number of available pixels of the element for light structuring.

Die Muster der Mehrzahl vordefinierter Muster stellen jeweils binäre Muster dar, d.h. jeweilige durch die vordefinierten Muster anzusteuernde Pixel des Elements zur Lichtstrukturierung können jeweils ein- oder ausgeschaltet sein, bzw. Licht transportieren oder nicht transportieren. Des Weiteren können die einzelnen vordefinierten Muster der Mehrzahl vordefinierter Muster sequenziell im Element zur Lichtstrukturierung angewendet werden, so dass ein und derselbe, durch die Abtastlinie beleuchteter Bereich im Umfeld der Vorrichtung, mittels unterschiedlicher vordefinierter Muster beleuchtet werden kann.The patterns of the plurality of predefined patterns each represent binary patterns, i.e. respective pixels of the element for light structuring to be controlled by the predefined patterns can in each case be switched on or off, or can transport or not transport light. Furthermore, the individual predefined patterns of the plurality of predefined patterns can be used sequentially in the element for light structuring, so that one and the same area illuminated by the scanning line in the vicinity of the device can be illuminated by means of different predefined patterns.

Der Lichtdetektor kann beispielsweise auf Basis einer oder mehrerer Avalanche-Photodioden (auch Lawinen-Photodioden genannt) umgesetzt sein. Diese bieten u.a. den Vorteil, dass sie über eine hohe Empfindlichkeit verfügen und gleichzeitig eine schnelle Messzeit ermöglichen. Darüber hinaus sind die Avalanche-Photodioden (APD) i.d.R. kostengünstig herzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitere Arten von Lichtdetektoren eingesetzt werden können und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf oben genannten beschränkt ist. Im Gegensatz zur Durchführung von Laufzeitmessungen einzelner Photonen, wie sie teilweise in LIDAR-Systemen zum Einsatz kommen, erfasst der Lichtdetektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft ein vollständiges Histogramm der empfangenen Photonen in jedem Detektorpixel des Detektors, woraus sich für jede Messung ein Wert für eine Lichtintensität für jedes Detektorpixel ermitteln lässt. Bevorzugt sind die Lichtquelle, der Lichtdetektor und ggf. vorhandene strahlformende und/oder strahlablenkende Elemente derart innerhalb des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet, dass das durch die Lichtquelle ausgesendete und im Umfeld der Vorrichtung reflektierte bzw. gestreute Licht im Wesentlichen senkrecht auf eine Sensorfläche des Lichtdetektors fällt, wodurch eine maximale Lichtausbeute sichergestellt werden kann, um eine entsprechend hohe Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erzielen.The light detector can be implemented, for example, on the basis of one or more avalanche photodiodes (also called avalanche photodiodes). These include the advantage that they have a high sensitivity and at the same time enable a fast measuring time. In addition, the avalanche photodiodes (APD) are usually inexpensive to manufacture. It should be pointed out that further types of light detectors can be used in connection with the device according to the invention and the device according to the invention is not restricted to the abovementioned. In contrast to carrying out time-of-flight measurements of individual photons, such as are sometimes used in LIDAR systems, the light detector of the device according to the invention advantageously detects a complete histogram of the received photons in each detector pixel of the detector, which results in a value for a light intensity for each measurement every detector pixel can be determined. The light source, the light detector and any existing beam-shaping and / or beam-deflecting elements are preferably arranged within the housing of the device according to the invention in such a way that the light emitted by the light source and reflected or scattered in the vicinity of the device is essentially perpendicular to a sensor surface of the light detector falls, whereby a maximum light yield can be ensured in order to achieve a correspondingly high sensitivity of the device according to the invention.

Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet und informationstechnisch an eine interne und/oder externe Speichereinheit angebunden sein, in welcher durch die Auswerteeinheit empfangene und/oder berechnete Daten für eine nachfolgende Verarbeitung abgelegt werden können. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, ein zu jedem vordefinierten Muster korrespondierendes Signal des Lichtdetektors, repräsentierend eine jeweilige Lichtintensität, zu empfangen. Die Mehrzahl der vordefinierten Muster kann beispielsweise in Form digitaler Daten in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein, so dass die Auswerteeinheit jeweilige anzuwendende, vordefinierte Muster aus der Speichereinheit auslesen und sequenziell an das Element zur Lichtstrukturierung übertragen kann. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit mit dem Element zur Lichtstrukturierung informationstechnisch verbunden sein. Durch eine informationstechnische Anbindung der Auswerteeinheit an den Lichtdetektor kann die Auswerteeinheit zu jedem angewendeten, vordefinierten Muster ein mit dem vordefinierten Muster korrespondierendes Signal des Lichtdetektors empfangen, welches die jeweilige Lichtintensität repräsentiert. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit eingerichtet, auf Basis einer Mehrzahl vom Lichtdetektor empfangener Signale, unter Berücksichtigung mit den jeweiligen Signalen korrespondierender Muster, eine Repräsentation des Umfeldes der Vorrichtung zu berechnen. Mit anderen Worten ist die Auswerteeinheit eingerichtet, jedem im Element zur Lichtstrukturierung angewendeten Muster einen durch den Lichtdetektor empfangenen, korrespondierenden Wert für eine Lichtintensität zuzuordnen, so dass auf Basis dieser Zuordnung eine Berechnung der Repräsentation des Umfeldes ermöglicht wird. Die durch den Lichtdetektor empfangenen Werte für eine jeweilige Lichtintensität können bevorzugt ebenfalls in der an die Auswerteeinheit angebunden Speichereinheit abgelegt werden. Die Berechnung der Repräsentation des Umfeldes kann bevorzugt auf Basis aus dem Stand der Technik bekannter mathematischer Algorithmen erfolgen.The evaluation unit can be designed, for example, as an ASIC, FPGA, processor, digital signal processor, microcontroller, or the like, and can be connected to an internal and / or external storage unit in terms of information technology, in which data received and / or calculated by the evaluation unit for subsequent processing can be filed. Furthermore, the evaluation unit is set up to receive a signal of the light detector corresponding to each predefined pattern, representing a respective light intensity. The majority of the predefined patterns can, for example, be stored in the form of digital data in the storage unit connected to the evaluation unit, so that the evaluation unit can read out the predefined patterns to be used from the storage unit and can transmit them sequentially to the element for light structuring. For this purpose, the evaluation unit can be connected to the element for light structuring in terms of information technology. Through an information technology connection of the evaluation unit to the light detector, the evaluation unit can receive a signal of the light detector corresponding to the predefined pattern, which signal represents the respective light intensity, for each predefined pattern used. In addition, the evaluation unit is set up to calculate a representation of the surroundings of the device on the basis of a plurality of signals received by the light detector, taking into account patterns corresponding to the respective signals. In other words, the evaluation unit is set up to assign a corresponding value for a light intensity received by the light detector to each pattern used in the light structuring element, so that a calculation of the representation of the environment is made possible on the basis of this assignment. The values received by the light detector for a particular one Light intensity can preferably also be stored in the memory unit connected to the evaluation unit. The representation of the environment can preferably be calculated on the basis of mathematical algorithms known from the prior art.

Der Kern der Erfindung besteht somit zusammengefasst darin, den aus dem Stand der Technik bekannten Compressed-Sensing-Ansatz im Zusammenhang mit einem Line-Flash-LIDAR anzuwenden. Dabei wird eine abzutastende Szene im Umfeld der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend nicht durch eine Mehrzahl von 2D-Mustern abgetastet, sondern wie oben beschrieben mittels einer strukturierten Abtastlinie. Durch Verrechnen der Histogramme jedes der Muster können aus dem Stand der Technik bekannte Koeffizienten (z.B. Hadamard-Koeffizienten) bestimmt werden, welche für die Rekonstruktion der Szene verwendet werden können. Erfindungsgemäß werden diese Muster durch 1 D-Muster (also eine strukturierte Linie) ersetzt, wodurch die Anzahl der benötigten vordefinierten Muster für eine vollständige Abtastung der Szene im Vergleich zu einem 2D-basierten Abtastsystem deutlich reduziert wird. Um ein vollständiges Abbild in einer maximal möglichen Auflösung der Szene zu erhalten, werden hier bei der Verwendung der Mehrzahl von 1D-Mustern mit einer jeweiligen Länge von N Pixeln, genau N Messungen benötigt. Für viele Anwendungszwecke (z.B. in einem Umfelderkennungssystem eines Fortbewegungsmittels) kann eine Rekonstruktion der Szene bereits auf Basis von 25% und weniger der für eine ausreichende Abtastung erforderlichen Messungen durchgeführt werden. Eine weitere Abtastung kann das Abbild der rekonstruierten Szene zwar weiter verbessern, allerdings betrifft eine solche Verbesserung hauptsächlich feine bis sehr feine Details des Abbildes, welche aber häufig in einer nachgelagerten Verarbeitung nicht benötigt werden und überdies sogar störend sein können. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt somit u.a. darin, dass die Anzahl der aufzulösenden Ebenen in einem die Vorrichtung verwendendem LIDAR-System durch das Element zur Lichtstrukturierung an aktuelle Erfordernisse bzw. Randbedingungen angepasst werden kann, ohne dass ein komplexes Sensor-Array aus mehreren Avalanche-Photodioden eingesetzt werden muss.The essence of the invention is thus summarized to use the compressed-sensing approach known from the prior art in connection with a line flash LIDAR. A scene to be scanned in the environment of the device according to the invention is accordingly not scanned by a plurality of 2D patterns, but rather, as described above, by means of a structured scanning line. By computing the histograms of each of the patterns, coefficients known from the prior art (e.g. Hadamard coefficients) can be determined which can be used for the reconstruction of the scene. According to the invention, these patterns are replaced by 1-D patterns (ie a structured line), as a result of which the number of predefined patterns required for complete scanning of the scene is significantly reduced in comparison to a 2D-based scanning system. In order to obtain a complete image in the maximum possible resolution of the scene, exactly N measurements are required when using the plurality of 1D patterns with a respective length of N pixels. For many applications (e.g. in an environment detection system of a means of transportation), the scene can be reconstructed on the basis of 25% and less of the measurements required for sufficient scanning. A further scan can further improve the image of the reconstructed scene, but such an improvement mainly concerns fine to very fine details of the image, which, however, are often not required in subsequent processing and can even be disruptive. The advantage of the device according to the invention is, among other things. in that the number of levels to be resolved in a LIDAR system using the device can be adapted to current requirements or boundary conditions by the element for light structuring, without the need to use a complex sensor array composed of several avalanche photodiodes.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung weiter eine Optik zur Bündelung des Lichts der Lichtquelle, wobei die Optik im Sendepfad und/oder im Empfangspfad der Vorrichtung angeordnet sein kann. Die Optik kann beispielsweise eine einzelne Sammellinse oder ein Linsensystem sein. Die Optik kann bei einer Verwendung im Sendepfad bevorzugt zwischen der Lichtquelle und dem Element zur Lichtstrukturierung angeordnet sein, sofern das Element zur Lichtstrukturierung im Sendepfad eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Optik bei einer Verwendung im Empfangspfad bevorzugt zwischen der Lichteinlassöffnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Element zur Lichtstrukturierung angeordnet sein, sofern das Element zur Lichtstrukturierung im Empfangspfad eingesetzt wird. Auf diese Weise wird die Optik nur zur Lichtbündelung und nicht zur Abbildung des mittels der Abtastlinie strukturierten Umfeldes verwendet, wodurch insbesondere auch kostengünstige, nicht aberrativ korrigierte Linsen eingesetzt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft nur eine Optik entsprechend obiger Beschreibung im Empfangspfad angeordnet.In an advantageous embodiment of the present invention, the device further comprises optics for focusing the light from the light source, the optics being able to be arranged in the transmission path and / or in the reception path of the device. The optics can be, for example, a single converging lens or a lens system. When used in the transmission path, the optics can preferably be arranged between the light source and the element for light structuring, provided that the element for light structuring is used in the transmission path. Alternatively or additionally, when used in the reception path, the optics can preferably be arranged between the light inlet opening of the device according to the invention and the element for light structuring, provided that the element for light structuring is used in the reception path. In this way, the optics are used only for focusing the light and not for imaging the surroundings structured by means of the scanning line, as a result of which, in particular, inexpensive, non-aberratively corrected lenses can also be used. In a preferred embodiment of the present invention, only one optical system according to the above description is advantageously arranged in the reception path.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet die zur Lichtstrukturierung verwendete Mehrzahl vordefinierter Muster eine vollständig orthogonale Basis. Eine solche orthogonale Basis kann beispielsweise durch eine Verwendung von Hadamard-Matrizen sichergestellt werden, deren Spalten per Definition eine orthogonale Basis darstellen. Aus diesen orthogonalen Spalten können entsprechende Vektoren abgeleitet werden, welche als Muster zur Strukturierung der Abtastlinie eingesetzt werden können. Alternativ kann die Mehrzahl von Mustern auch Rauschwerte repräsentieren, welche beispielsweise mittels eines Zufallszahlengenerators der Auswerteeinheit erzeugt und in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt werden können. Darüber hinaus können auch weitere Verfahren zur Erzeugung der Mehrzahl von Mustern eingesetzt werden, sofern diese eine Abtastung im Sinne der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglichen.In a further advantageous embodiment of the present invention, the plurality of predefined patterns used for light structuring forms a completely orthogonal basis. Such an orthogonal basis can be ensured, for example, by using Hadamard matrices, the columns of which by definition represent an orthogonal basis. Corresponding vectors can be derived from these orthogonal columns, which can be used as a pattern for structuring the scanning line. Alternatively, the plurality of patterns can also represent noise values, which are generated, for example, by means of a random number generator of the evaluation unit and can be stored in the memory unit connected to the evaluation unit. In addition, other methods for generating the plurality of patterns can also be used, provided that these enable scanning in the sense of the device according to the invention.

Ferner kann die Mehrzahl vordefinierter Muster über eine einheitliche oder eine unterschiedliche Auflösung entlang der Abtastlinie verfügen. D.h., dass die bei der Abtastung verwendeten, vordefinierten Muster gesamthaft betrachtet jeden Abschnitt der Linie mit einer einheitlichen Auflösung strukturieren können, indem beispielsweise jedes Pixel des Elements zur Lichtstrukturierung mittels der Mehrzahl von Mustern einzeln angesteuert werden kann. Alternativ kann eine einheitliche Auflösung auch bedeuten, dass durch die Mehrzahl von Mustern zwei benachbarte Pixel kombiniert (bzw. gruppiert) werden, indem diese stets mit identischen Werten („ein“ oder „aus“) gleichzeitig angesteuert werden, so dass sich eine maximal mögliche Auflösung der Vorrichtung entsprechend halbiert. Analog kann die Auflösung durch eine erzwungene Kombination von drei, vier oder mehr Pixeln weiter unter Beibehaltung einer einheitlichen Auflösung reduziert werden. Die oben genannte Verwendung unterschiedlicher Auflösungen entlang der Abtastlinie kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass in einem oberen Drittel und in einem unteren Drittel der Abtastlinie eine erzwungene Pixelkombination von drei Pixeln zur Anwendung kommt, während die Abtastlinie im mittleren Drittel mit voller Auflösung, d.h. ohne eine erzwungene Kombination von Pixeln strukturiert werden kann. Auf diese Weise kann durch eine geeignete Wahl der Mehrzahl vordefinierter Muster bzw. einer Teilmenge der Mehrzahl vordefinierter Muster eine Abtastung an aktuelle Gegebenheiten angepasst werden, so dass einer nachgelagerten Verarbeitungseinheit zur Rekonstruktion der Abbilder der Szene, jeweils angepasste Abtastinformationen zur Verfügung gestellt werden können. Die hier angeführte Aufteilung der Abtastlinie in Bereiche mit unterschiedlichen Auflösungen ist beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten. Stattdessen können zahlreiche Varianten zur Unterteilung der Abtastlinie mit jeweiligen Auflösungen erdacht und angewendet werden.Furthermore, the plurality of predefined patterns can have a uniform or a different resolution along the scan line. That is to say that the predefined patterns used in the scanning, viewed as a whole, can structure each section of the line with a uniform resolution, for example by controlling each pixel of the element for light structuring individually using the plurality of patterns. Alternatively, a uniform resolution can also mean that two adjacent pixels are combined (or grouped) by the plurality of patterns, in that they are always controlled with identical values (“on” or “off”) at the same time, so that the maximum possible Resolution of the device halved accordingly. Analogously, the resolution can be further reduced by a forced combination of three, four or more pixels while maintaining a uniform resolution. The above use of different resolutions Along the scan line, for example, it can be designed such that a forced pixel combination of three pixels is used in an upper third and in a lower third of the scan line, while the scan line in the middle third is structured with full resolution, ie without a forced combination of pixels can. In this way, by a suitable choice of the plurality of predefined patterns or a subset of the plurality of predefined patterns, a scan can be adapted to current circumstances, so that a respective downstream scanning unit can be made available to reconstruct the images of the scene. The division of the scanning line into areas with different resolutions given here is to be considered as an example and not restrictive. Instead, numerous variants for dividing the scanning line with respective resolutions can be devised and used.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verfügt die Vorrichtung weiter über eine Ablenkeinheit, welche eingerichtet ist, die durch die Lichtquelle ausgesendete Abtastlinie über ein vordefinierten Abtasten Bereich abzulenken. Durch die hier vorgesehene Ablenkung des Abtaststrahls kann somit nicht nur ein durch die Lichtquelle linienförmig beleuchteter (im Wesentlichen eindimensionaler) Bereich im Umfeld der Vorrichtung abgetastet werden, sondern stattdessen ein vordefinierter zweidimensionaler Bereich. Die Ablenkung des Abtaststrahls kann zum Beispiel analog zur Funktionsweise bekannter Rotationsscanner-Systeme umgesetzt werden, oder auch auf Basis von Mikrospiegel-Systemen oder Solid-State-Systemen erfolgen.In a further advantageous embodiment of the present invention, the device further has a deflection unit which is set up to deflect the scanning line emitted by the light source via a predefined scanning range. The deflection of the scanning beam provided here means that not only a region (literally one-dimensional) illuminated by the light source in the vicinity of the device can be scanned, but instead a predefined two-dimensional region. The scanning beam can be deflected, for example, analogously to the functioning of known rotary scanner systems, or can also be implemented on the basis of micromirror systems or solid-state systems.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit weiter eingerichtet, in Abhängigkeit vordefinierter Kriterien eine Teilmenge von Mustern aus der Mehrzahl von Mustern auszuwählen und anzuwenden. Die vordefinierten Kriterien können u.a. eine Art eines Umfeldes (z.B. Stadt, Autobahn, usw.), eine für die Abtastung des Umfeldes erforderliche Auflösung und/oder Qualität, oder eine Art jeweiliger eingesetzter Technologien zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen. D.h., dass die Auswerteeinheit durch einen Abgleich aktueller Randbedingungen mit den vordefinierten Kriterien eine geeignete Teilmenge von Mustern aus der Mehrzahl vordefinierter Muster auswählen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit eine Abfolge zu verwendender vordefinierter Muster festlegen, um ein Umfeld in einem ersten Schritt beispielsweise mit solchen Mustern abzutasten, die über eine relativ geringere Auflösung verfügen, um zunächst ermitteln zu können, ob eine mittels dieser Muster abgetastete Szene im Umfeld der Vorrichtung bereits über eine für eine nachgelagerte Verarbeitung ausreichende Auflösung verfügt. Sollte Letzteres nicht der Fall sein, kann die Auswerteeinheit im Anschluss weitere Muster zur Detaillierung der Szene anwenden. Auf diese Weise kann ein Abtastvorgang eines jeweils abzutastenden linienförmigen Abtastbereichs nach der Anwendung einer bestimmten Teilmenge vordefinierter Muster für den aktuellen Abtastbereich vorzeitig beendet werden. Dadurch kann zum einen die Dauer für die Abtastung jedes linienförmigen Abtastbereichs verkürzt, als auch eine beim Abtasten erzeugte Datenmenge gering gehalten werden. Da jeder linienförmige Abtastbereich im Umfeld der Vorrichtung i.d.R. mittels einer Mehrzahl vordefinierter Muster abgetastet wird, kann es zudem von Vorteil sein, einen zeitlichen Abstand zwischen der Anwendung einzelner Muster im Element zur Lichtstrukturierung mittels der Auswerteeinheit individuell festzulegen. Dies erlaubt beispielsweise eine längere Beleuchtung schlecht reflektierender Abtastbereiche, wodurch eine Rekonstruktion solcher Bereiche aufgrund einer daraus resultierenden besseren Signalqualität verbessert werden kann.In a further advantageous embodiment of the present invention, the evaluation unit is further configured to select and apply a subset of patterns from the plurality of patterns depending on predefined criteria. The predefined criteria can include include a type of environment (e.g. city, highway, etc.), a resolution and / or quality required for scanning the environment, or a type of technology used in each case to implement the device according to the invention. This means that the evaluation unit can select a suitable subset of patterns from the plurality of predefined patterns by comparing current boundary conditions with the predefined criteria. As an alternative or in addition, the evaluation unit can define a sequence of predefined patterns to be used in order to scan an environment in a first step, for example with those patterns which have a relatively lower resolution, in order to first be able to determine whether a scene scanned by means of these patterns is in the environment the device already has sufficient resolution for downstream processing. If the latter is not the case, the evaluation unit can then use further patterns to detail the scene. In this way, a scanning process of a line-shaped scanning area to be scanned in each case can be ended prematurely after the application of a certain subset of predefined patterns for the current scanning area. In this way, on the one hand, the duration for the scanning of each linear scanning area can be shortened, and a quantity of data generated during the scanning can be kept low. Since each line-shaped scanning area in the vicinity of the device usually is scanned by means of a plurality of predefined patterns, it can also be advantageous to individually determine a time interval between the use of individual patterns in the element for light structuring by means of the evaluation unit. This allows, for example, longer illumination of poorly reflecting scanning areas, as a result of which a reconstruction of such areas can be improved due to the resulting better signal quality.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Lichtdetektor einen 1-Pixel-Detektor und/oder einen Mehrpixel-Detektor. D.h., dass das durch das Umfeld reflektierte bzw. gestreute Licht grundsätzlich mittels eines einzelnen lichtempfindlichen Pixels eines Lichtdetektors erfasst werden kann, wodurch sich besonders kostengünstige Systeme implementieren lassen. Alternativ oder zusätzlich kann das durch das Umfeld reflektierte bzw. gestreute Licht auch durch eine Anordnung mehrerer lichtempfindlicher Pixel in Form eines Detektor-Arrays empfangen werden. Letzteres bietet zum Beispiel den Vorteil, dass verschiedene Raumwinkel auf unterschiedliche Detektoren abgebildet werden können, deren Ausgangssignale anschließend separat nach oben beschriebenem Formalismus verarbeitet werden und anschließend wieder zu einem gesamten Abbild des Umfeldes zusammengesetzt werden können.In a further advantageous embodiment of the present invention, the light detector comprises a 1-pixel detector and / or a multi-pixel detector. This means that the light reflected or scattered by the surroundings can in principle be detected by means of a single light-sensitive pixel of a light detector, which means that particularly inexpensive systems can be implemented. Alternatively or additionally, the light reflected or scattered by the surroundings can also be received by arranging a plurality of light-sensitive pixels in the form of a detector array. The latter offers the advantage, for example, that different solid angles can be imaged on different detectors, the output signals of which are then processed separately in accordance with the formalism described above and can then be reassembled into a complete image of the environment.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Mehrzahl von Lichtdetektoren und eine Mehrzahl mit jeweiligen Lichtdetektoren korrespondierender Optiken, wobei die Auswerteeinheit in Verbindung mit dem Element zur Lichtstrukturierung eingerichtet ist, das durch die jeweiligen Lichtdetektoren empfangene Licht mittels unterschiedlicher vordefinierter Muster zu strukturieren. Dies bietet den Vorteil, dass dasselbe Sichtfeld der Vorrichtung auf mehrere Detektoren gleichzeitig abgebildet werden kann. In einem solchen Fall kann für jeden Detektor ein unterschiedliches vordefiniertes Muster zur Anwendung kommen, so dass auf diese Weise die Abtastung des Umfeldes parallelisiert werden kann, was zu einer schnelleren Abtastung jedes linienförmigen Abtastbereichs führt. Um beispielsweise eine Szene eines Umfeldes der Vorrichtung mit 100 Ebenen (d.h. 100 Pixel im Element zur Lichtstrukturierung) zu beleuchten, erfordert ein beispielhaftes Detektor-Array mit 10 Detektor-Pixeln hier eine Durchführung von ca. 2 Abtastvorgängen, sofern eine Abtastung mit nur 20 % der Mehrzahl vordefinierter Muster für einen konkreten Anwendungszweck ausreichend ist.In a further advantageous embodiment of the present invention, the device according to the invention has a plurality of light detectors and a plurality of optics corresponding to respective light detectors, the evaluation unit being set up in connection with the element for light structuring, the light received by the respective light detectors by means of different predefined patterns to structure. This offers the advantage that the same field of view of the device can be imaged on several detectors at the same time. In such a case, a different predefined pattern can be used for each detector, so that the scanning of the surroundings can be parallelized in this way, which leads to a faster Scanning each line-shaped scanning area leads. For example, in order to illuminate a scene of an environment of the device with 100 levels (ie 100 pixels in the element for light structuring), an exemplary detector array with 10 detector pixels requires approximately 2 scanning processes to be carried out, provided that scanning with only 20% the majority of predefined patterns is sufficient for a specific application.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrerassistenzsystem für ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach vorstehender Beschreibung umfasst. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW, Shuttle) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise ein Abstandsregeltempomat, ein Fußgängererkennungssystem, ein Einparkassistent, ein 360°-Rundumsichtsystem, oder ein System für einen teil- und/oder vollautomatisierten Fahrbetrieb sein. Die erfindungsgenmäße Vorrichtung kann beispielsweise ein auf einem Dach des Fortbewegungsmittels angeordnetes LIDAR-System sein, welches mittels eines Bordnetzes des Fortbewegungsmittels informationstechnisch mit dem Fahrerassistenzsystem verbunden sein kann. Eine Abtastung eines Umfeldes des Fortbewegungsmittels auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bevorzugt mittels einer Auswerteeinheit der Vorrichtung durchgeführt werden, welche eingerichtet ist, auf Basis einer Linienabtastung des Umfeldes und einer Strukturierung des durch die Vorrichtung ausgesendeten Lichts eine Szene im Umfeld der Vorrichtung in Form eines Abbildes der Szene zu rekonstruieren. Das rekonstruierte Abbild der Szene kann mittels eines Datenausgangs der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form von Bilddaten an das Fahrerassistenzsystem für eine Verarbeitung durch das Fahrerassistenzsystem übertragen werden.According to a second aspect of the present invention, a driver assistance system for a means of transportation is proposed, which comprises a device according to the invention as described above. The means of transportation can be, for example, a road vehicle (e.g. motorcycle, car, van, truck, shuttle) or a rail vehicle or an aircraft / aircraft or a watercraft. The driver assistance system can be, for example, a cruise control, a pedestrian detection system, a parking assistant, a 360 ° all-round vision system, or a system for partially and / or fully automated driving. The device according to the invention can be, for example, a LIDAR system which is arranged on a roof of the means of transportation and which can be connected to the driver assistance system in terms of information technology by means of an on-board network of the means of transportation. A scanning of an environment of the means of transportation on the basis of the device according to the invention can preferably be carried out by means of an evaluation unit of the device which is set up, based on a line scanning of the environment and a structuring of the light emitted by the device, a scene in the environment of the device in the form of an image to reconstruct the scene. The reconstructed image of the scene can be transmitted to the driver assistance system for processing by the driver assistance system by means of a data output of the device according to the invention in the form of image data.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine erste Ausführungsform eines Lichtdetektors und einer mit dem Lichtdetektor korrespondierenden Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 eine zweite Ausführungsform eines Lichtdetektors und einer mit dem Lichtdetektor korrespondierenden Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawing. Show:

1 a first embodiment of a device according to the invention;
2nd a second embodiment of a device according to the invention;
3rd a first embodiment of a light detector and a lens corresponding to the light detector of a device according to the invention; and
4th a second embodiment of a light detector and an optical system corresponding to the light detector of a device according to the invention.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80. die Vorrichtung 80 verfügt hier über eine Laserlichtquelle 20, welche in einem (nicht dargestellten) Gehäuse der Vorrichtung 80 derart angeordnet ist, dass sie einen Abtaststrahl in Form einer Abtastlinie 25 durch eine Lichtaustrittsöffnung der Vorrichtung 80 in ein Umfeld der Vorrichtung 80 aussendet. Die Abtastlinie 25 wird mittels eines DLM (Digital Light Modulator) 30 vor dem Verlassen der Vorrichtung 80 durch die Lichtaustrittsöffnung mittels einer Mehrzahl vordefinierter Muster 35 strukturiert, so dass ein Objekt 60 im Umfeld der Vorrichtung 80 mittels der strukturierten Abtastlinie 25 beleuchtet wird. Ein jeweils aktuell anzuwendendes Muster 35 im DLM 30 wird mittels einer Auswerteeinheit 10 der Vorrichtung 80, welche hier ein Mikrocontroller ist, aus einer Speichereinheit der Auswerteeinheit 10 ausgelesen. Durch eine informationstechnische Anbindung der Auswerteeinheit 10 an den DLM 30 wird das jeweilige Muster an den DLM 30 übertragen und durch diesen angezeigt. Am Objekt 60 wird ein Teil des Lichts der strukturierten Abtastlinie 25 in Richtung der Vorrichtung 80 reflektiert bzw. gestreut und tritt durch eine Lichteintrittsöffnung der Vorrichtung 80 wieder in die Vorrichtung 80 ein. Das durch die Lichteintrittsöffnung der Vorrichtung 80 eingetretene Licht wird mittels einer Sammellinse 50 gebündelt und anschließend mittels eines 1-Pixel-Detektors 40 der Vorrichtung 80 empfangen. Der 1-Pixel-Detektor 40 ist informationstechnisch mit der Auswerteeinheit 10 verbunden, wodurch ein durch den 1-Pixel-Detektor 40 erzeugtes Signal, welches ein zeitliches Histogramm des empfangenen Lichtes repräsentiert, an die Auswerteeinheit 10 übertragen wird. Die Auswerteeinheit 10 speichert daraufhin einen Wert für die Intensität des empfangenen Lichtes in Verbindung mit einer Kennung für das mit der Lichtintensität korrespondierende Muster 35 in der Speichereinheit der Auswerteeinheit 10 ab. Auf diese Weise führt die Auswerteeinheit 10 sequenziell Messungen der Lichtintensität unter Verwendung der Mehrzahl vordefinierter Muster 35 für jeden linienförmigen Abtastbereich im Umfeld der Vorrichtung 80 aus. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention 80 . the device 80 has a laser light source here 20th which in a (not shown) housing of the device 80 is arranged to have a scanning beam in the form of a scanning line 25th through a light exit opening of the device 80 in an environment of the device 80 sends out. The scan line 25th is using a DLM (Digital Light Modulator) 30th before leaving the device 80 through the light exit opening using a plurality of predefined patterns 35 structured so that an object 60 in the vicinity of the device 80 by means of the structured scan line 25th is illuminated. A currently applicable pattern 35 at the DLM 30th is by means of an evaluation unit 10th the device 80 , which is a microcontroller here, from a memory unit of the evaluation unit 10th read out. Through an information technology connection of the evaluation unit 10th to the DLM 30th the respective sample is sent to the DLM 30th transferred and displayed by this. On the object 60 becomes part of the light of the structured scan line 25th towards the device 80 reflects or scattered and passes through a light entry opening of the device 80 back into the device 80 a. That through the light entry opening of the device 80 Light entering is by means of a converging lens 50 bundled and then using a 1-pixel detector 40 the device 80 receive. The 1-pixel detector 40 is information technology with the evaluation unit 10th connected, causing a through the 1-pixel detector 40 generated signal, which represents a temporal histogram of the received light, to the evaluation unit 10th is transmitted. The evaluation unit 10th then stores a value for the intensity of the received light in connection with an identifier for the pattern corresponding to the light intensity 35 in the memory unit of the evaluation unit 10th from. In this way, the evaluation unit performs 10th sequential measurements of light intensity using the plurality of predefined patterns 35 for each line-shaped scanning area in the vicinity of the device 80 out.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80, wobei ein Aufbau der zweiten Ausführungsform in weiten Teilen identisch zur ersten Ausführungsform der Vorrichtung 80 ist, weshalb im Folgenden nur die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen beschrieben werden. In der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 80 ist ein DLM 30 im Empfangspfad statt im Sendepfad der Vorrichtung 80 zwischen einer Sammellinse 50 und einem DLM 30 angeordnet. Auf diese Weise wird ein durch eine Laserlichtquelle 20 der Vorrichtung 80 ausgesendeter, nicht strukturierter Abtaststrahl 25 durch ein Objekt 60 im Umfeld der Vorrichtung 80 reflektiert bzw. gestreut, so dass das reflektierte bzw. gestreute Licht durch eine Eintrittsöffnung der Vorrichtung 80 aufgenommen werden kann. Das aufgenommene Licht wird zunächst mittels der Sammellinse 50 gebündelt und anschließend durch den nachgelagerten DLM 30 mittels einer Mehrzahl vordefinierter Muster strukturiert, bevor das strukturierte Licht mittels des DLM 30 empfangen wird. Eine Ansteuerung des DLM 30, ein Empfang einer Mehrzahl korrespondierender Signale des DLM 30 und eine Auswertung der korrespondierenden Signale werden analog zur ersten Ausführungsform mittels einer Auswerteeinheit 10 ausgeführt, welche wie in der ersten Ausführungsform innerhalb der Vorrichtung 80 angeordnet und informationstechnisch angebunden ist. 2nd shows a second embodiment of a device according to the invention 80 , A structure of the second embodiment largely identical to the first embodiment of the device 80 is why only the differences between the two embodiments are described below. In the second embodiment of the device 80 is a DLM 30th in the receive path instead of in the transmit path of the device 80 between a converging lens 50 and a DLM 30th arranged. In this way, a laser light source 20th the device 80 emitted, unstructured scanning beam 25th through an object 60 in the vicinity of the device 80 reflected or scattered, so that the reflected or scattered light through an inlet opening of the device 80 can be included. The recorded light is first of all by means of the converging lens 50 bundled and then by the downstream DLM 30th structured using a plurality of predefined patterns before the structured light using the DLM 30th Will be received. A control of the DLM 30th , receiving a plurality of corresponding signals from the DLM 30th and an evaluation of the corresponding signals are analogous to the first embodiment by means of an evaluation unit 10th executed, which as in the first embodiment within the device 80 arranged and connected to information technology.

3 zeigt eine erste Ausführungsform eines Lichtdetektors 40 und einer mit dem Lichtdetektor 40 korrespondierenden Optik 50 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80. Der Lichtdetektor 40 ist in dieser Ausführungsform ein eindimensionales Detektor-Array, d.h., dass der Lichtdetektor 40 in Längsrichtung über eine Mehrzahl (in 3 exemplarisch vier Pixel) aneinander angrenzender Detektorpixel und in der anderen Richtung über genau ein Detektorpixel verfügt. D.h., der hier dargestellte Lichtdetektor 40 verfügt über eine Auflösung von 4 x 1 Pixel. Bevor aus dem Umfeld der Vorrichtung 80 empfangenes Licht einer Abtastlinie 25 der Vorrichtung 80 den Lichtdetektor 40 erreicht, wird dieses zunächst mittels einer einfachen Sammellinse 50 gebündelt und anschließend mittels eines DLM 30 strukturiert. Jedes der Detektorpixel des Lichtdetektors 40 empfängt somit Licht unterschiedlicher Raumwinkel des Umfelds, wodurch eine Mehrzahl, die unterschiedlichen Raumwinkel repräsentierender Signale, an einem Ausgang des Lichtdetektors 40 für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird. Im Zuge der nachgelagerten Verarbeitung wird auf Basis der Mehrzahl von Signalen eine Szene im Umfeld der Vorrichtung 80 rekonstruiert. 3rd shows a first embodiment of a light detector 40 and one with the light detector 40 corresponding optics 50 a device according to the invention 80 . The light detector 40 in this embodiment is a one-dimensional detector array, that is, the light detector 40 lengthways over a plurality (in 3rd exemplary four pixels) adjacent detector pixels and in the other direction has exactly one detector pixel. That is, the light detector shown here 40 has a resolution of 4 x 1 pixels. Before leaving the area of the device 80 received light from a scan line 25th the device 80 the light detector 40 This is first achieved using a simple converging lens 50 bundled and then using a DLM 30th structured. Each of the detector pixels of the light detector 40 thus receives light of different solid angles of the environment, whereby a plurality of signals representing the different solid angles at an output of the light detector 40 is made available for further processing. In the course of the downstream processing, a scene in the vicinity of the device is created on the basis of the plurality of signals 80 reconstructed.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Lichtdetektors 40 und einer mit dem Lichtdetektor 40 korrespondierenden Optik 50 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80. In dieser Variante besteht der Lichtdetektor 40 wiederum aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln, diese grenzen hier aber nicht wie in 1 unmittelbar aneinander an, sondern sind in einem vordefinierten Abstand zueinander angeordnet. Jedem Detektorpixel ist jeweils eine separate Sammellinse 50 zugeordnet, wobei die Sammellinsen 50 eingerichtet sind, dasselbe Sichtfeld der Vorrichtung 80 auf jedes der Detektorpixel parallel abzubilden. Zwischen den Detektorpixeln und den jeweils korrespondierenden Sammellinsen 50 ist ein DLM 30 angeordnet, welcher eingerichtet ist, sämtliche durch die Sammellinsen 50 erzeugten Strahlengänge mit identischen und/oder unterschiedlichen Mustern 35 zu strukturieren. Auf diese Weise kann eine Abtastung eines Umfeldes der Vorrichtung 80 durch ein paralleles Verwenden unterschiedlicher Muster 35 in den jeweiligen Strahlengängen entsprechend beschleunigt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass der DLM 30 auch in Form separater DLMs 30 umgesetzt werden kann, so dass in jedem Strahlengang jeweils ein einzelner DLM 30 angeordnet sein kann, welcher nur den jeweiligen Strahlengang abdeckt und strukturiert. 4th shows a second embodiment of a light detector 40 and one with the light detector 40 corresponding optics 50 a device according to the invention 80 . In this variant there is the light detector 40 again from a plurality of detector pixels, but these do not limit here as in 1 directly to each other, but are arranged at a predefined distance from each other. There is a separate converging lens for each detector pixel 50 assigned, the converging lenses 50 are set up, the same field of view of the device 80 image in parallel on each of the detector pixels. Between the detector pixels and the corresponding converging lenses 50 is a DLM 30th arranged, which is set up, all through the converging lenses 50 generated beam paths with identical and / or different patterns 35 to structure. In this way, a scan of an environment of the device 80 by using different patterns in parallel 35 be accelerated accordingly in the respective beam paths. It should be noted that the DLM 30th also in the form of separate DLMs 30th can be implemented so that a single DLM in each beam path 30th can be arranged, which only covers and structures the respective beam path.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

Howland et al., Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging, Applied Optics 50 (31), November 2011 [0003]
Howland et al., Photon counting compressive depth mapping, Optics Express 21 (20), September 2013 [0003]

Claims

Device (80) for optically scanning an environment of the device (80) comprising: A light source (20), An element for light structuring (30), • a light detector (40), and • an evaluation unit (10), wherein • the light source (20) is set up to emit a scanning line (25) into an environment of the device (80), The element for light structuring (30) is arranged and set up in a transmission path and / or a reception path of the device (80) to structure the scanning line (25) emitted by the light source (20) sequentially by means of a plurality of predefined patterns (35), • the light detector (40) is set up to receive reflected and / or scattered light from the light source (20) in the vicinity of the device (80), and • the evaluation unit (10) is set up, ◯ to receive a signal of the light detector (40) corresponding to each pattern (35), representing a respective light intensity, and ◯ to calculate a representation of the surroundings of the device (80) on the basis of a plurality of signals received by the light detector (40), taking into account patterns (35) corresponding to the respective signals.

Device (80) after Claim 1 , wherein the light source (20) is a pulsed light source, in particular an LED light source and preferably a laser light source.

The device (80) according to any one of the preceding claims, wherein • the scanning line (25) is a single, one-dimensional scanning line (25), and / or • a length of the scanning line (25) is many times greater than a width of the scanning line (25), and / or • the scanning line (25) is not a two-dimensional scanning field, and / or • no further scanning line (25) is emitted by the light source (20) immediately adjacent to the scanning line (25).

Device (80) according to one of the preceding claims further comprising an optical system (50) for focusing the light from the light source (20), the optical system (50) being arranged in the transmission path and / or in the reception path of the device (80).

Device (80) according to one of the preceding claims, wherein the element for light structuring (30) • is adapted to a shape of the scanning line (25), and / or • is a one-dimensional element, and / or • an LC display, and / or • is a spatial light modulator and preferably a digital light modulator.

Device (80) according to one of the preceding claims, wherein the plurality of predefined patterns (35) used for light structuring. • has a fully orthogonal base, and / or Represents noise values, and / or • has a uniform or a different resolution along the scanning line (25).

Device (80) according to one of the preceding claims, wherein the device (80) further has a deflection unit which is set up to deflect the scanning line (25) emitted by the light source (20) over a predefined scanning range.

Device (80) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (10) is further set up as a function of predefined criteria • select and apply a subset of patterns (35) from the plurality of predefined patterns (35), and / or • determine a sequence of used predefined patterns (35), and / or • to determine a time interval between the use of individual predefined patterns (35) in the element for light structuring (30).

The device (80) according to any one of the preceding claims, wherein the light detector (40) A 1-pixel detector, and / or • comprises a multi-pixel detector.

The device (80) according to any one of the preceding claims, wherein • the device (80) has a plurality of light detectors (40) and a plurality of optics (50) corresponding to respective light detectors (40), and • The evaluation unit (10) in connection with the element for light structuring (30) is set up to structure the light received by the respective light detectors (40) using different predefined patterns (35).

Driver assistance system for a means of transportation comprising a device (80) according to one of the preceding claims.