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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen LiDAR-Sensor, und ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Sensors.
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Zum Betreiben von LiDAR-Systemen gibt es zwei grundsätzliche Ansätze. Auf der einen Seite sind Flash-Systeme bekannt, bei denen die gesamte Szene bzw. das gesamte Sichtfeld des Systems beleuchtet wird, wobei anschließend eine parallele Detektion erfolgt. Auf der anderen Seite sind Scanner-Systeme bekannt, bei denen die Szene bzw. das Sichtfeld durch einen einzelnen Laserstrahl abgerastert wird.
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Reguläre Flash-Systeme umfassen zweidimensionale Detektoren, die ein vollständiges Bild der Szene-Laufzeit kodiert aufnehmen. Ein alternatives Konzept zur Detektion ist das sog. „Compressed- Sensing-(CS)-LiDAR“, welches auch unter dem Begriff „Photon-Counting-LiDAR“, aus diversen Publikationen, bekannt ist.
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Als Oberflächenemitter ausgeführte Halbleiterlaser (VCSEL) können auf einfache Weise individuell angesteuert werden. Beispielsweise besteht ein adressierbares VCSEL-Array aus 8 x 32 Emittern. Weiterhin könnte ein solches VCSEL-Array auf eine größere Emitteranzahl skaliert werden. In Kombination mit einer nachgeschalteten abbildenden Optik können die Laserstrahlen der Emitter in die Ferne abgebildet werden.
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DE 10 2007 004609 A1 offenbart hierzu einen VCSEL-Array-Laserabtaster, bei dem Laseremitter nacheinander aktiviert werden können.
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DE 20 2013 012622 U1 offenbart im Zusammenhang mit einem LiDAR-System das Prinzip einer adressierbaren Beleuchtung eines Sichtfeldes, wobei hier ein Lichtmodulator, insbesondere ein „spatial light modulator“ (SLM) offenbart ist. Nachteilig ist allerdings, dass mit einem SLM ein Sichtfeld nur sehr langsam gescannt werden kann.
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Für Flash-basierte Systeme sind entsprechende 2D-Detektoren notwendig, die aufgrund der anspruchsvollen elektronischen Anforderungen (z.B. eine hohe Auslesezeit im Bereich von µs und eine hohe Empfindlichkeit) sehr teuer sind. Die geringe Effizienz dieser Detektoren begrenzt hierbei die Reichweite oder erfordert eine hohe Leistung der Strahlungsquelle.
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Der Compressed-Sensing-Ansatz verwendet hingegen relativ kostengünstige massenmarkttaugliche Komponenten, wobei auf eine komplexe Abbildungsoptik verzichtet werden kann. Darüber hinaus leidet der Ansatz wegen der fehlenden Abbildungsoptik nicht unter Abbildungsfehlern. Hierbei ist es allerdings nachteilig, dass eine relativ hohe Anzahl an Einzelbildern notwendig ist, um eine Szene entsprechend zu rekonstruieren. Weiterhin sind die gängigen technischen Umsetzungen eines Compressed-Sensing-Ansatzes anfällig gegenüber räumlichen Schwankungen der Lichtquelle.
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Ein konventionelles Compressed-Sensing-System umfasst drei Komponenten. Eine erste Komponente ist eine Lichtquelle, während eine zweite Komponente ein Element zur Strukturierung von Licht darstellt. Die dritte Komponente ist ein 1D-Detektor. Für die Strukturierung des Lichts werden üblicherweise kommerziell erhältliche „digital light modulators“ (DLMs) verwendet. Bei einer typischen Variante eines CS-Systems wird dieser DLM der Lichtquelle nachgeschaltet, wobei die Szene strukturiert beleuchtet wird. Anschließend wird das rückgestreute Licht mit einer Sammellinse aufgenommen und durch einen 1D-Photodetektor gemessen. Bei den Photodetektoren handelt es sich zumeist um „avalanche photodiodes“ (APDs), welche eine hohe Empfindlichkeit bei schneller Messzeit erlauben. Allerdings muss hierbei eine Szene mit einem kompletten Satz an Strukturierungen beleuchtet werden. Weiterhin wird nachteilhafterweise das Beleuchtungsmuster sendeseitig über ein digital micro-mirror device (DMD) ausgesandt, wobei üblicherweise durch die Ausblendung einzelner Pixel 50% der Lichtleistung verloren geht, da die Muster typischerweise zu 50% aus dunklen Pixeln bestehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen optoelektronischen Sensor, welcher beispielsweise an einem Fahrzeug angeordnet sein kann. Ein „optoelektronischer Sensor“ kann insbesondere einen LiDAR-Sensor oder einen sonstigen laserbetriebenen Sensor umfassen. Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor umfasst ein Laserensemble mit einer Mehrzahl von individuell aktivierbaren Laserquellen. Ein derartiges „Laserensemble“ kann insbesondere ein VCSEL-Array umfassen. Das erfindungsgemäße Laserensemble umfasst eine Mehrzahl individuell aktivierbarer Laserquellen, wobei beliebige Muster innerhalb des Laserensembles aufgrund einer Aktivierung der Mehrzahl individuell aktivierbarer Laserquellen erzeugt werden kann. Mit anderen Worten können die Laserquellen einzeln und/oder in beliebigen Kombinationen adressiert werden, um Laserstrahlen auszusenden. Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor eine Empfangseinheit, insbesondere einen LiDAR-Detektor, sowie eine Auswerteeinheit, insbesondere eine CPU und/oder einen Mikrocontroller und/oder eine elektronische Steuereinheit und/oder einen Grafikprozessor. Das Laserensemble kann durch die individuell aktivierbaren bzw. adressierbaren Laserquellen mittels einer Abfolge, insbesondere einer zeitlichen Abfolge, von unterscheidbaren Beleuchtungsmustern je Beleuchtungsmuster einen Teilbereich von Pixeln eines Sichtfeldes, welches dem optoelektronischen Sensor bezüglich eines zu messenden Objekts zugewiesen ist, adressieren. Die Beleuchtungsmuster werden an den entsprechenden Stellen des Objektes reflektiert und/oder gestreut und mittels einer Empfangseinheit empfangen und dem Sichtfeld zugewiesen. Mit anderen Worten wird je Beleuchtungsmuster ein Teil der Gesamtzahl von Pixeln eines Sichtfeldes adressiert. Durch das erfindungsgemäße Aussenden unterscheidbarer Beleuchtungsmuster kann ein Bruchteil (z.B. 5 % bis 50 %) der Messungen, welche theoretisch notwendig wären, um jeden Pixel des Sichtfeldes einzeln zu adressieren, durchgeführt werden, um ein ausreichendes Bild des Objektes zu erhalten. Die Empfangseinheit kann insbesondere die detektierten Beleuchtungsmuster der Auswerteeinheit zuführen. Mittels der Auswerteeinheit kann eine vervollständigte Objektabbildung in Abhängigkeit der empfangenen Beleuchtungsmuster bezüglich des Teilbereichs des Sichtfeldes erstellt werden. Mit anderen Worten erfolgt eine Extrapolation der Aufnahmen, welche mit dem adressierten Teilbereich von Pixeln des Sichtfeldes assoziiert sind, um ein vervollständigtes Bild zu erstellen. Mit noch anderen Worten ist der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor beispielsweise mittels eines Compressed-Sensing-Verfahrens betreibbar, während Laserquellen eines Laserensembles individuell adressierbar bzw. aktivierbar sind, um die für das Compressed-Sensing-Verfahren notwendigen Beleuchtungsmuster zu erzeugen. Bei einem Compressed-Sensing-Verfahren wird insbesondere eine zu ermittelnde Szene mit einer Mehrzahl von verschiedenen räumlichen Beleuchtungsmustern beleuchtet. Die Beleuchtungsmuster bei dieser Beleuchtung sind vorzugsweise orthogonal. Aus dieser Mehrzahl von Messungen ist es insbesondere aufgrund der Orthogonalität der Muster möglich, die Szene zu rekonstruieren, indem die Messwerte der jeweiligen Muster mit den zugehörigen Mustern multipliziert werden und aufaddiert werden, was z.B. einer Linearkombination einer orthonormalen Basis entspricht.
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Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor ermöglicht daher ein Erzeugen einer schnellen Abfolge von Beleuchtungsmustern, welche die Beleuchtungsgeschwindigkeit eines konventionellen DMD-basierten Compressed-Sensing-Systems um ein Vielfaches übertrifft. Weiterhin können die einzelnen Beleuchtungsmuster und deren zeitlicher Verlauf aufgrund des Laserensembles frei gewählt werden. Durch eine Optimierung dieser Beleuchtungsmusterabfolge kann weiterhin die Augensicherheit erhöht werden, wobei höhere Sendeleistungen möglich sind. Somit kann erfindungsgemäß auch eine bessere Sensorstatistik und -Reichweite realisiert werden. Weiterhin hat der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor zum Vorteil, dass die Verlustleistung gegenüber vorstehend beschriebenen konventionellen Compressed-Sensing-Systemen deutlich reduziert wird, da im Wesentlichen sämtliche ausgesandte Photonen zur Objektdetektion verwendet werden, während Photonen bei bekannten Compressed-Sensing-Verfahren zur Erzeugung des Musters absorbiert werden. Entsprechend kann mittels des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ein erhöhtes Maß an Sendeleistung genutzt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist es möglich, das adressierte Sichtfeld mit einer Teilmenge von 5 % bis 50 %, insbesondere 20 % bis 30 % (üblicherweise circa 25%) der für eine vollständige Rekonstruktion notwendigen Mustern, wenn für jeden Pixel des Sichtfeldes eine Einzelmessung durchgeführt werden würde, in ausreichender Weise abzubilden. Jede erfindungsgemäß durchgeführte Messung weist hierbei z.B. ein von den anderen Messungen unterscheidbares Muster auf. Mit anderen Worten beträgt ein prozentuales Verhältnis einer Anzahl der unterscheidbaren Beleuchtungsmuster der Abfolge zu einer theoretischen Anzahl von Messungen, welche nötig wäre, um jeden Pixel eines Sichtfeldes einzeln zu adressieren, 5 % bis 50 %. Demgemäß sind weitaus weniger Daten, welche aus den empfangenen Beleuchtungsmustern resultieren, als bei konventionellen (Flash-)Systemen notwendig, um eine vervollständigte Objektabbildung zu erzeugen. Bei einer Unterschreitung der adressierten Teilmuster von 5 % kann hierbei die Genauigkeit der Objektabbildung nachteilig beeinflusst werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors weist die Empfangseinheit einen eindimensionalen Detektor auf. Hierbei kann es sich insbesondere, aber nicht notwendigerweise, um eine „avalanche photodiode“ (APD) handeln. Vorteilhafterweise ermöglicht die Betriebsweise des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors also den Einsatz kostengünstiger Detektoren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors weist mindestens eine Laserquelle der Mehrzahl von Laserquellen eine rechteckige Form auf. Insbesondere können auch die Hälfte oder die Gesamtheit der Laserquellen der Mehrzahl von Laserquellen eine rechteckige Form aufweisen.
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Insbesondere sind die unterscheidbaren Beleuchtungsmuster der erfindungsgemäßen Messung dergestalt, dass nach einer abgeschlossenen Messung keine Lücken im adressierten Sichtfeld verbleiben. Mit anderen Worten ist durch die Abfolge der unterscheidbaren Beleuchtungsmuster jeder Pixel des Sichtfeldes mindestens einmal adressierbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Laserensemble ein VCSEL-Array und/oder eine Mehrzahl von Kantenemittern umfassen. Weiterhin kommen für das Laserensemble jegliche dem Fachmann bekannten Halbleiterlaser in Frage.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die unterscheidbaren Beleuchtungsmuster mittels einer Hadamard-Matrix und/oder mittels einer Walsh-Matrix durch die Auswerteeinheit erzeugt werden. Diese Matrizen haben insbesondere den Vorteil, sie eine vollständig orthogonale Basis bilden und somit eine vervollständigte Objektabbildung in Abhängigkeit der empfangenen Beleuchtungsmuster ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors kann das Laserensemble eine optische Abbildungseinheit umfassen, welche eingerichtet ist, die Beleuchtungsmuster in einem durch die Anordnung der Abbildungseinheit vordefinierten Emissionswinkel auf das Objekt zu leiten. Auf diese Weise kann eine exakte Abbildung der Beleuchtungsmuster, welche aus den individuell aktivierten Laserquellen des Laserensembles stammen, auf das Objekt realisiert werden. Insbesondere kann die optische Abbildungseinheit eine Mikrolinsenanordnung und ein Objektiv, beispielsweise eine Projektionslinse, beinhalten. Entsprechend der Mikrolinsenanordnung und des Objektivs kann eine Aufweitung oder Verkleinerung oder Kollimation des Strahls, welcher auf ein Objekt gesendet wird, erzeugt werden.
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Der folgende erfindungsgemäße Aspekt weist die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen mit den vorstehend genannten Merkmalen sowie die generellen Vorteile des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors entsprechend auf. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb auf eine erneute Aufzählung verzichtet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des optoelektronischen Sensors gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Insbesondere ist das Verfahren ein Compressed-Sensing-Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte eines Aussendens einer Abfolge von unterscheidbaren Beleuchtungsmustern mittels eines vorstehend beschriebenen Laserensembles, um die Pixel eines Sichtfeldes bezüglich eines Objektes zu adressieren, wobei die Beleuchtungsmuster jeweils einen Teilbereich der Pixel des Sichtfeldes adressieren. Im Ansprechen darauf erfolgt ein Empfangen korrespondierender reflektierter und/oder gestreuter Beleuchtungsmuster, welche von dem Objekt zurückgestreut und/oder reflektiert werden. In Abhängigkeit des adressierten Teilbereichs des Sichtfeldes bzw. in Abhängigkeit der empfangenen korrespondierenden reflektierten und/oder gestreuten Beleuchtungsmuster wird, beispielsweise in der Auswerteeinheit, eine vervollständigte Objektabbildung erstellt.
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Insbesondere sind die unterscheidbaren Beleuchtungsmuster orthogonal zueinander. Auf diese Weise kann eine leistungseffiziente, d.h. unter Einsparung von Laserleistung, und zeiteffiziente Messung durchgeführt werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 ein Flussdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine Illustration einer Abfolge von Beleuchtungsmustern gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Variante einer Sendeeinheit eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors;
- 4 eine Variante eines Laserensembles eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors; und
- 5 eine Variante eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors.
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Varianten der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 100 wird eine Abfolge von unterscheidbaren Beleuchtungsmustern 1a, 1b mittels eines Laserensembles 2, welches eine Mehrzahl individuell adressierbarer bzw. aktivierbarer Laserquellen 3a bis 3j umfasst, ausgesandt. Insbesondere wird durch das Aussenden gemäß dem ersten Schritt 100 je Beleuchtungsmuster eines Teilbereichs von Pixeln eines Sichtfeldes, wobei das Sichtfeld mit einem Objekt 21 assoziiert ist, adressiert. Insbesondere werden drei unterscheidbare Beleuchtungsmuster ausgesandt, alle der Pixel des Sichtfeldes mindestens einmal adressieren. In einem zweiten Schritt 200 werden zu den ausgesandten Beleuchtungsmustern 1a, 1b korrespondierende reflektierte oder gestreute Beleuchtungsmuster, beispielsweise mittels einer Empfangseinheit 11, empfangen. In einem dritten Schritt 300 erfolgt ein Vervollständigen des Sichtfeldes bezüglich einer Objektabbildung. Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit des adressierten Teilbereichs des Sichtfeldes ein Bild aus einer Pixeladressierung von 25% der Pixel des Sichtfeldes generiert. Dies kann beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit 7, beispielsweise mittels eines Grafikprozessors, erfolgen.
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2 zeigt ein Objekt 21 in Form einer Büste. Dieses Objekt 21 wird in einem ersten Figurenteil I mit einem ersten Beleuchtungsmuster 1a beleuchtet. In einem zweiten Figurenteil II wird das Objekt 21 mit einem zweiten Beleuchtungsmuster 1b beleuchtet, wobei die schwarzen Streifen, welche durch das erste Beleuchtungsmuster 1a nicht erfasst wurden, bis auf einen reduzierten schwarzen Streifen, der einen nichtadressierten Teilbereich des Sichtfeldes darstellt, durch das zweite Beleuchtungsmuster 1b abgedeckt werden. Insbesondere ist in Figurenteil II der 2 eine Superposition des ersten Beleuchtungsmusters 1a und des zweiten Beleuchtungsmusters 1b gezeigt, um die Zusammensetzung der Beleuchtungsmuster 1a, 1b zu illustrieren anhand derer eine Objektabbildung vervollständigt wird. Insbesondere sind in den Beleuchtungsmustern 1a, 1b in 2, II nicht adressierte Pixel durch schwarze Streifen dargestellt. Allerdings kann anhand einer Abbildung wie in Figurenteil II gezeigt, ein vervollständigtes Bild des Objektes generiert werden.
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3 zeigt eine Variante einer Sendeeinheit 10 einer erfindungsgemäßen Baugruppe 40. Die Sendeeinheit 10 weist ein Laserensemble 2 mit einer Mehrzahl individuell adressierbarer bzw. aktivierbarer Laserquellen 3a bis 3j auf. Über die individuell adressierbare Laserquellen 3a bis 3j und ein Objektiv 6 kann ein beliebiges Beleuchtungsmuster umfassend erste bis dritte Lichtstrahlen 4a bis 4c auf ein Objekt projiziert werden, um über die vorstehend beschriebene Reflexion dieser Lichtstrahlen 4a bis 4c eine Abfolge von Mustern zu empfangen, aus welchen eine Abbildung eines Objektes 21 vervollständigt werden kann.
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4 zeigt eine Variante eines Laserensembles 2 einer erfindungsgemäßen Baugruppe 40 mit einer Mehrzahl von Laserquellen 3a bis 3c. Neben den ersten bis dritten Laserquellen 3a bis 3c sind selbstverständlich alle anderen in gezeigten Punkte des Laserensembles 2, hier ein VCSEL-Array, beliebig und individuell adressierbar, um das gewünschte Beleuchtungsmuster 1a, 1b zu erzeugen.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen LiDAR-Sensor 20. Der LiDAR-Sensor 20 umfasst eine Sendeeinheit 10 sowie eine Empfangseinheit 11. Ferner ist eine Auswerteeinheit 7 vorgesehen, welche mit der Empfangseinheit 11 und der Sendeeinheit 10 verbunden ist. Durch die Auswerteeinheit 7 können insbesondere Beleuchtungsmuster 1a, 1b erzeugt werden sowie empfangene Beleuchtungsmuster 1a, 1b, die bezüglich eines Sichtfeldes zurückreflektiert werden bzw. gestreut werden, zu einem Objektabbild vervollständigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004609 A1 [0005]
- DE 202013012622 U1 [0006]
