DE102019212615A1 - Detector with parallax compensation - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Detektor, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, zum Empfangen von an einem Objekt reflektierten oder rückgestreuten Strahlen, aufweisend eine Vielzahl an strahlensensitiven Belichtungsbereichen zum temporären Aufnehmen von Bildinformationen, aufweisend mindestens ein Ausleseregister zum Empfangen der Bildinformationen und zum Transportieren der empfangenen Bildinformationen und aufweisend mindestens eine Ausleseeinheit zum Auslesen der über das Ausleseregister transportierten Bildinformationen, wobei eine Ausleserichtung des Ausleseregisters entgegengesetzt einer Parallaxverschiebung der reflektierten oder rückgestreuten Strahlen ausgebildet ist, welche bei einer Erhöhung der Distanz zwischen dem Detektor und dem Objekt auftritt. Des Weiteren sind eine LIDAR-Vorrichtung und ein Steuergerät offenbart. Disclosed is a detector, in particular for a LIDAR device, for receiving beams reflected or backscattered on an object, having a plurality of radiation-sensitive exposure areas for temporarily recording image information, having at least one readout register for receiving the image information and for transporting the received image information and having at least one readout unit for reading out the image information transported via the readout register, wherein a readout direction of the readout register is opposite to a parallax shift of the reflected or backscattered rays, which occurs when the distance between the detector and the object increases. A LIDAR device and a control device are also disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Detektor, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, zum Empfangen von an einem Objekt reflektierten oder rückgestreuten Strahlen, aufweisend eine Vielzahl an strahlensensitiven Belichtungsbereichen zum temporären Aufnehmen von Bildinformationen, aufweisend mindestens ein Ausleseregister zum Empfangen der Bildinformationen und zum Transportieren der empfangenen Bildinformationen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine LIDAR-Vorrichtung sowie ein Steuergerät.The invention relates to a detector, in particular for a LIDAR device, for receiving beams reflected or backscattered from an object, having a plurality of radiation-sensitive exposure areas for temporarily recording image information, having at least one readout register for receiving the image information and for transporting the received image information . The invention also relates to a LIDAR device and a control unit.
Stand der TechnikState of the art
Es sind LIDAR(light detection and ranging)-Vorrichtungen bekannt, welche mit Hilfe einer Sendeeinheit Strahlen erzeugen und in Richtung eines Abtastbereichs abstrahlen. Die im Abtastbereich reflektierten Strahlen können anschließend von einer Empfangseinheit detektiert und ausgewertet werden.LIDAR (light detection and ranging) devices are known which generate beams with the aid of a transmission unit and emit them in the direction of a scanning area. The beams reflected in the scanning area can then be detected and evaluated by a receiving unit.
Zur Abdeckung großer horizontaler Erfassungswinkel, beispielsweise zwischen 150° und 360°, sind heute nur mechanische als Laserscanner ausgestaltete LIDAR-Vorrichtungen bekannt. Wird nur ein Ablenkspiegel zum Ablenken von Strahlen eingesetzt, so ist der maximale horizontale Abtastbereich auf ca. 150° beschränkt. Für größere Erfassungsbereiche von bis zu 360° werden hauptsächlich biaxiale LIDAR-Vorrichtungen verwendet, bei welchen sich alle elektrooptischen Komponenten auf einem motorgetriebenen Drehteller oder einem Rotor befinden.To cover large horizontal detection angles, for example between 150 ° and 360 °, only mechanical LIDAR devices designed as laser scanners are known today. If only one deflecting mirror is used to deflect beams, the maximum horizontal scanning range is limited to approx. 150 °. For larger detection ranges of up to 360 °, mainly biaxial LIDAR devices are used, in which all electro-optical components are located on a motor-driven turntable or rotor.
Derartige biaxiale LIDAR-Vorrichtungen weisen aufgrund des Abstands der Sendeeinheit von der Empfangseinheit eine Parallaxverschiebung auf. Problematisch an der Parallaxverschiebung ist, dass der Detektor der LIDAR-Vorrichtung im Nahbereich keine empfangene Strahlen detektieren kann oder die ermittelten Bildinformationen aufgrund einer zu kurzen Laufzeit und Überlagerungen mit nachfolgenden Strahlen unbrauchbar werden.Such biaxial LIDAR devices have a parallax shift due to the distance between the transmitting unit and the receiving unit. The problem with the parallax shift is that the detector of the LIDAR device cannot detect any received rays in the close range or that the image information determined becomes unusable because the transit time is too short and overlaps with subsequent rays.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, einen Detektor und eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche auch im Nahbereich zuverlässig Bildinformationen ermitteln kann.The object on which the invention is based can be seen in proposing a detector and a LIDAR device which can also reliably determine image information at close range.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent subclaims.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Detektor, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, zum Empfangen von an einem Objekt reflektierten oder rückgestreuten Strahlen bereitgestellt. Der Detektor weist eine Vielzahl an strahlensensitiven Belichtungsbereichen zum temporären Aufnehmen von Bildinformationen und mindestens ein Ausleseregister zum Empfangen der Bildinformationen und zum Transportieren der empfangenen Bildinformationen auf. Des Weiteren weist der Detektor mindestens eine Ausleseeinheit zum Auslesen der über das Ausleseregister transportierten Bildinformationen auf, wobei eine Ausleserichtung des Ausleseregisters entgegengesetzt einer Parallaxverschiebung der reflektierten oder rückgestreuten Strahlen ausgebildet ist, welche bei einer Erhöhung der Distanz zwischen dem Detektor und dem Objekt auftritt.According to one aspect of the invention, a detector, in particular for a LIDAR device, is provided for receiving rays reflected or backscattered from an object. The detector has a plurality of radiation-sensitive exposure areas for temporarily recording image information and at least one readout register for receiving the image information and for transporting the received image information. Furthermore, the detector has at least one readout unit for reading out the image information transported via the readout register, with a readout direction of the readout register opposing a parallax shift of the reflected or backscattered rays, which occurs when the distance between the detector and the object increases.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Sendeeinheit zum Erzeugen und Ausstrahlen von erzeugten Strahlen in einen Abtastbereich und mindestens eine Empfangseinheit mit einem erfindungsgemäßen Detektor auf.According to a further aspect of the invention, a LIDAR device for scanning scan areas is provided. The LIDAR device has at least one transmitting unit for generating and emitting generated beams into a scanning area and at least one receiving unit with a detector according to the invention.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, Bildinformationen eines erfindungsgemäßen Detektors auszuwerten und/oder strahlensensitive Belichtungsbereiche des Detektors anzusteuern. Insbesondere kann das Steuergerät zum Ansteuern und Auslesen des Detektors und zum Betreiben der LIDAR-Vorrichtung konfiguriert sein. Das Steuergerät kann hierbei mit einer Ausleseeinheit des Detektors verbindbar oder in die Ausleseeinheit integriert sein.According to a further aspect of the invention, a control device is provided which is set up to evaluate image information of a detector according to the invention and / or to control radiation-sensitive exposure areas of the detector. In particular, the control device can be configured to control and read out the detector and to operate the LIDAR device. The control device can be connected to a readout unit of the detector or can be integrated into the readout unit.
Der Detektor kann vorzugsweise als ein CCD-Chip ausgeführt und in einer technisch einfachen und robusten Ausgestaltung einer LIDAR-Vorrichtung einsetzbar sein. Eine derartige LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise für automatisiertes Fahren, Luftfahrtanwendungen, Messverfahren, Robotik-Anwendungen und dergleichen eingesetzt werden.The detector can preferably be designed as a CCD chip and can be used in a technically simple and robust configuration of a LIDAR device. Such a LIDAR device can be used, for example, for automated driving, aviation applications, measuring methods, robotics applications and the like.
Die LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise eine horizontale biaxiale LIDAR-Vorrichtung sein, bei der die Sendeeinheit parallel zu der Empfangseinheit auf einem Drehteller angeordnet ist.The LIDAR device can for example be a horizontal biaxial LIDAR device in which the transmitting unit is arranged parallel to the receiving unit on a turntable.
Die Parallaxverschiebung bewirkt, dass die von nahen Zielen ankommenden Strahlen bzw. Spots näher an der Ausleseeinheit auf die strahlensensitiven Belichtungsbereiche des Detektors auftreffen. Durch die Ausgestaltung der Ausleserichtung der Ausleseregister des Detektors in entgegengesetzter Richtung der Parallaxverschiebung kann ein unerwünschtes Überlagern von Bildinformationen durch nachfolgende empfangene Strahlen vermieden werden und somit eine eindeutige Distanzmessung von nahen Zielen erreicht werden.The parallax shift has the effect that the rays or spots arriving from close targets impinge on the radiation-sensitive exposure areas of the detector closer to the readout unit. By designing the readout direction of the readout register of the detector in the opposite direction of the parallax shift, an undesired superimposition of image information by subsequent received rays can be avoided and thus a clear distance measurement from nearby targets can be achieved.
Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Detektors in einer LIDAR-Vorrichtung ermöglicht eine horizontale Bauweise, bei welcher die Parallaxverschiebung kompensiert bzw. ausgenutzt werden kann. Hierdurch kann die LIDAR-Vorrichtung eine geringe Höhe bei gleichbleibendem Durchmesser aufweisen. Aufgrund des Designs des Detektors können auch Abstandsmessungen von Objekten im Nahbereich der LIDAR-Vorrichtung ermöglicht werden.The use of a detector according to the invention in a LIDAR device enables a horizontal design in which the parallax shift can be compensated or used. As a result, the LIDAR device can have a low height with a constant diameter. Due to the design of the detector, distance measurements of objects in the vicinity of the LIDAR device can also be made possible.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Ausleseregister zeilenförmig ausgeprägt und zumindest einseitig mit zeilenförmig angeordneten Belichtungsbereichen des Detektors zum Auslesen von Bildinformationen verbindbar. Das Ausleseregister weist eine Vielzahl von Pixeln auf, wobei die Belichtungsbereiche pixelförmig ausgestaltet sind und zwischen zwei Belichtungsbereichen mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, Pixel des Ausleseregisters angeordnet sind. Durch eine zunehmende Anzahl an Pixeln der Ausleseregister können die Bildinformationen aus den Pixeln der Belichtungsbereiche im Ausleseregister zwischengespeichert werden. Die Ausleseregister sind vorzugsweise zeilenförmig ausgestaltet und bilden eine Reihe aus Pixeln, welche die Bildinformationen aus den Belichtungsbereichen des Detektors pixelweise zur Ausleseeinheit übertragen. Durch eine erhöhte Anzahl an Pixeln der jeweiligen Ausleseregister kann eine höhere zeitliche Auflösung für das Aufnehmen und Übertragen der Bildinformationen umgesetzt werden.According to one exemplary embodiment, the at least one readout register is designed in the form of lines and can be connected at least on one side to exposure areas of the detector arranged in lines for reading out image information. The readout register has a large number of pixels, the exposure areas being designed in the form of pixels and at least two, preferably at least four, pixels of the readout register being arranged between two exposure areas. With an increasing number of pixels in the readout register, the image information from the pixels of the exposure areas can be temporarily stored in the readout register. The readout registers are preferably designed in the form of lines and form a row of pixels which transmit the image information from the exposure areas of the detector pixel by pixel to the readout unit. With an increased number of pixels in the respective readout registers, a higher temporal resolution can be implemented for the recording and transmission of the image information.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zum Empfangen von Bildinformationen jeder zweite strahlensensitive Belichtungsbereich aktivierbar. Hierdurch kann die Anzahl der Pixel des Ausleseregisters zwischen jedem Belichtungsbereich technisch besonders einfach erhöht werden. Vorzugsweise können die aktivierten Belichtungsbereiche und die deaktivierten Belichtungsbereiche abwechselnd zum Sammeln von Bildinformationen durch das Steuergerät angesteuert werden.According to a further exemplary embodiment, every second radiation-sensitive exposure area can be activated in order to receive image information. As a result, the number of pixels in the readout register between each exposure area can be increased in a technically particularly simple manner. The activated exposure areas and the deactivated exposure areas can preferably be actuated alternately by the control device in order to collect image information.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist anhand einer Anzahl und/oder einer Position der durch die Strahlen belichteter Belichtungsbereiche eine Entfernung des Objekts durch die Ausleseeinheit ermittelbar. Der aus dem Abtastbereich an einem Objekt reflektierte oder rückgestreute Spot wird mit einer definierten Fläche auf den Belichtungsbereichen des Detektors abgebildet. Mit einer zunehmenden Entfernung des Objekts von der LIDAR-Vorrichtung nimmt die Fläche und damit die Größe des Spots ab, welche auf den Belichtungsbereichen projiziert wird. Mit zunehmender Anzahl an belichteten Belichtungsbereichen kann von einer größeren Fläche des Spots und damit von einer geringeren Entfernung zum Objekt geschlussfolgert werden. Hierdurch kann anhand der Größe des empfangenen Spots auf den Belichtungsbereichen eine Entfernung zum Objekt abgeleitet werden. Dies kann anhand einer Formel oder einer Kalibrierungstabelle erfolgen.According to a further exemplary embodiment, a distance to the object can be determined by the readout unit on the basis of a number and / or a position of the exposure areas exposed by the beams. The spot reflected or backscattered from the scanning area on an object is imaged with a defined area on the exposure areas of the detector. As the distance between the object and the LIDAR device increases, the area and thus the size of the spot which is projected onto the exposure areas decreases. With an increasing number of exposed exposure areas, conclusions can be drawn from a larger area of the spot and thus from a smaller distance to the object. In this way, a distance to the object can be derived from the size of the spot received on the exposure areas. This can be done using a formula or a calibration table.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor in Richtung der Parallaxverschiebung verlängert ausgestaltet. Hierdurch kann ein Messbereich des Detektors und damit auch der LIDAR-Vorrichtung dahingehend vergrößert werden, dass trotz einer Parallaxverschiebung die aus dem Abtastbereich rückgestreuten oder reflektierten Strahlen vom Detektor empfangen werden. Bevorzugterweise ist die Empfangseinheit mit dem Detektor relativ zur Sendeeinheit derart angeordnet, dass die Parallaxverschiebung entgegengesetzt der Ausleserichtung der Ausleseregister ist. Hierzu ist der Detektor in eine der Sendeeinheit abgewandter Richtung verlängert oder versetzt ausgeführt.According to a further embodiment, the detector is designed to be elongated in the direction of the parallax shift. As a result, a measuring range of the detector and thus also of the LIDAR device can be enlarged in such a way that, despite a parallax shift, the beams backscattered or reflected from the scanning range are received by the detector. The receiving unit with the detector is preferably arranged relative to the transmitting unit in such a way that the parallax shift is opposite to the readout direction of the readout register. For this purpose, the detector is designed to be extended or offset in a direction facing away from the transmitter unit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die durch die Ausleseeinheit empfangenen Belichtungsinformationen Belichtungsbereichen, an welchen diese Belichtungsinformationen erzeugt wurden, zuordenbar, wobei die Belichtungsinformationen ortsaufgelöst durch die Ausleseeinheit empfangbar sind. Durch diese Maßnahme kann zusätzlich zu der zeitlichen Auflösung der empfangenen Bildinformation eine Ortsauflösung realisiert werden, welche alternativ oder zusätzlich zu der zeitlichen Auflösung für eine Entfernungsmessung verwendbar ist. Insbesondere kann durch die Parallaxverschiebung der Detektionsort entlang des Detektors abhängig von der Entfernung variieren. Es kann beispielsweise anhand einer initialen Kalibrierung der Detektionsort von empfangenen Strahlen entlang des Detektors Informationen über die Entfernung des Objekts zum Detektor liefern.According to a further embodiment, the exposure information received by the readout unit can be assigned to the exposure areas at which this exposure information was generated, the exposure information being able to be received by the readout unit in a spatially resolved manner. As a result of this measure, in addition to the temporal resolution of the received image information, a spatial resolution can be implemented which can be used as an alternative or in addition to the temporal resolution for a distance measurement. In particular, as a result of the parallax shift, the detection location can vary along the detector as a function of the distance. For example, on the basis of an initial calibration, the detection location of received beams along the detector can provide information about the distance of the object from the detector.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist mindestens ein Belichtungsbereich des Detektors zeitabhängig aktivierbar und deaktivierbar, wobei eine Vielzahl an Belichtungsbereichen sukzessive aktiviert und deaktiviert werden. Durch eine Kombination aus zeitlicher Aktivierung der Belichtungsbereiche bzw. der CCD Pixel und durch eine eigens dafür vorgesehene Struktur der Ausleseregister kann sowohl eine zeitliche als auch eine örtliche Auflösung der Bildinformationen erreicht und somit eine Abstands-Messung auch im Nahfeld ermöglicht werden.According to a further exemplary embodiment, at least one exposure area of the detector can be activated and deactivated as a function of time, with a multiplicity of exposure areas being activated and deactivated successively. A combination of temporal activation of the exposure areas or the CCD pixels and a specially provided structure of the readout register can achieve both temporal and spatial resolution of the image information and thus distance measurement can also be made in the near field.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Belichtungsbereiche des Detektors in einem zeitlich konstanten oder variablen Muster aktivierbar und deaktivierbar. Hierzu kann eine ausreichende Anzahl an Pixeln der Schieberegister bzw. der Ausleseregister zwischen zwei benachbarten, strahlensensitiven Belichtungsbereichen vorgesehen sein. Durch eine geeignete Aktivierung der strahlensensitiven Belichtungsbereiche in einem Muster kann die Anzahl an Pixeln des Ausleseregisters zwischen zwei aktiven Belichtungsbereichen erhöht und somit die Speicherkapazität von Bildinformationen in dem Ausleseregister während einem Auslesevorgang zur Ausleseeinheit gesteigert werden. Nimmt man beispielsweise zwischen zwei benachbarten Belichtungsbereichen vier Pixel des Ausleseregister an und aktiviert nur jeden zweiten Belichtungsbereich, so ergibt sich aus der Schiebefrequenz von z.B. 4ns insgesamt eine Zeit von 32ns, welche zur Verfügung steht, um ein eindeutiges Signal anhand der Bildinformationen aufnehmen zu können.According to a further exemplary embodiment, the exposure areas of the detector can be activated and deactivated in a time-constant or variable pattern. For this purpose, a sufficient number of pixels of the shift register or the readout register can be provided between two adjacent, radiation-sensitive exposure areas. By a suitable activation of the radiation-sensitive Exposure areas in a pattern can increase the number of pixels in the readout register between two active exposure areas and thus increase the storage capacity of image information in the readout register during a readout process to the readout unit. Assuming, for example, four pixels of the readout register between two adjacent exposure areas and only activating every second exposure area, the shift frequency of e.g. 4ns results in a total time of 32ns, which is available to be able to record a clear signal based on the image information.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
2 eine Draufsicht auf die LIDAR-Vorrichtung aus1 , -
3 ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen eines Zusammenhangs zwischen einer Detektionsposition, einer Time-of-Flight und einer auf dem Detektor projizierten Fläche eines Spots, -
4 eine Schnittdarstellung von zeilenförmigen Belichtungsbereichen und Ausleseregistern bei einer Entfernung zu einem Objekt von einem Meter, -
5 eine Schnittdarstellung von zeilenförmigen Belichtungsbereichen und Ausleseregistern aus der4 bei einer Entfernung zu einem Objekt von fünf Metern, -
6 ein schematisches Muster für eine Aktivierung von zeilenförmig angeordneten Belichtungsbereichen und -
7 ein schematisches Muster für eine Aktivierung von flächig angeordneten Belichtungsbereichen.
-
1 a schematic representation of a LIDAR device according to an embodiment, -
2 a top view of thelidar device 1 , -
3 a schematic diagram to illustrate a relationship between a detection position, a time-of-flight and an area of a spot projected on the detector, -
4th a sectional view of line-shaped exposure areas and readout registers at a distance of one meter to an object, -
5 a sectional view of line-shaped exposure areas and readout registers from FIG4th at a distance of five meters to an object, -
6th a schematic pattern for activating exposure areas arranged in lines and -
7th a schematic pattern for an activation of areally arranged exposure areas.
Die
Die Sendeeinheit
Die Empfangseinheit
Der Detektor
Die Steuereinheit
Die
Der Detektor
Von den strahlungssensitiven Belichtungsbereichen
Darüber hinaus ist eine Parallaxverschiebung P der reflektierten oder rückgestreuten Strahlen
In der
Die dargestellte Relation entsteht aufgrund des horizontalen Versatzes der Sendeeinheit
Das dargestellte Diagramm zeigt beispielhaft auf den Detektor
In der
Als Grundlage für das Design des Detektors
Hierdurch sind zwischen jeweils zwei Pixeln
Diese Zeit von 32ns entspricht bereits einer zurückgelegte Distanz der Strahlen
Die
Durch die geeignete Wahl eines Aktivierungsmusters kann in einem gesamten Nah- und Fernbereich ein eindeutiges und dadurch kalibrierbares Signal in Form von Bildinformationen
In den
Claims (10)
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---|---|---|---|---|
US20120249998A1 (en) * | 2009-09-11 | 2012-10-04 | Robert Bosch Gmbh | Optical Distance Measuring Device |
DE102017222969A1 (en) * | 2017-12-15 | 2019-06-19 | Ibeo Automotive Systems GmbH | Method for improved near and far detection of a LIDAR receiving unit |
-
2019
- 2019-08-22 DE DE102019212615.4A patent/DE102019212615A1/en active Pending
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