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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren und eine Steuereinheit für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem LiDAR-System und insbesondere als Fahrzeug ausgebildet ist.
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Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme (LiDAR: Light Detection and Ranging) eingesetzt, welche ausgebildet sind, ein Sichtfeld mit Licht oder Infrarotstrahlung zu beaufschlagen und von dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten. Zur Verbesserung von LiDAR-Systemen und -Verfahren, nämlich zur Absenkung der erforderlichen Leistung der Lichtquellen, der Steigerung der Augensicherheit und einer möglichst dynamisch wählbaren Auflösung bei reduzierter Datenmenge und vereinfachter Detektion wurden Konzepte des sogenannten Linien-Flash-LiDARs und das Compressed-Sensing-LiDARs mit einer Lichtstrukturierung des in ein Sichtfeld ausgesandten Primärlichts miteinander verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, insbesondere vom Compressed-Sensing-Typ, weist den Vorteil auf, dass aufgrund der Verwendung einer fest vorgegebenen Konfiguration für die Lichtstrukturierung auf eine aufwendig anzusteuernde Lichtmodulation mit einem entsprechend komplexen Lichtmodulator verzichtet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, insbesondere vom Compressed-Sensing-Typ, geschaffen wird, bei welchem
- (i) senderseitig und insbesondere in einer Sendereinheit durch Strukturierung oder Lichtstrukturierung von unstrukturiertem Primärlicht ein vorgegebenes festes und zeitlich konstantes matrixartiges primäres Lichtmuster aus vordefinierten und zeitlich konstanten primären Spaltenmustern erzeugt und in einer Zeilenrichtung der zu Grunde liegenden Matrix des primären Lichtmusters verschwenkend in ein Sichtfeld zu dessen abtastender Beleuchtung als strukturiertes Primärlicht ausgesandt wird und
- (ii) empfängerseitig und insbesondere in einer Empfängereinheit ein jeweiliges empfangenes Spaltenmuster, welches als sekundäres Spaltenmuster aufgefasst werden kann, zur Detektion jeweils auf ein zugeordnetes gemeinsames Detektorelement einer Detektoranordnung als Sekundärlicht aus dem Sichtfeld empfangen, abgebildet und in Summe detektiert wird.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden paarweise verschiedene primäre Spaltenmuster als Grundlage für das matrixartige primäre Lichtmuster bereitgestellt, erzeugt und/oder verwendet.
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Insbesondere wird dabei aus der aufeinanderfolgenden Beleuchtung mit - insbesondere allen - primären Spaltenmustern eine eindeutige Zuordnung zu Tiefeninformation im Sichtfeld zu einzelnen verwendeten Detektorelementen bestimmt.
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Bei einem alternativen oder zusätzlichen Ausführungsbeispiel wird für jedes Pixel in einem primären Spaltenmuster ein Laufzeithistogramm der empfangenen Lichtintensität ermittelt und daraus die Tiefeninformation zum primären Spaltenmuster bestimmt.
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Zur Rekonstruktion der Tiefeninformation ist es von besonderem Vorteil, wenn die zur Lichtstrukturierung verwendete Mehrzahl vordefinierter primärer Spaltenmuster einen vollständigen Satz von primären Spaltenmustern und insbesondere eine vollständige orthogonale Basis aufweist oder bildet.
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Oft ist es jedoch auch vorteilhaft und ausreichend, wenn alternativ dazu die zur Lichtstrukturierung verwendete Mehrzahl vordefinierter primärer Spaltenmuster nur einen Teil eines vollständigen Satzes von primären Spaltenmustern und insbesondere nur einen Teil einer vollständigen orthogonalen Basis, insbesondere in einem Anteil von etwa 25 %, aufweist oder bildet. Mit dieser Maßnahme verringert sich der Aufwand beim Ausbilden und Bereitstellen der primären Spaltenmuster, und zwar ohne dass es zu nennenswerten Einschränkungen bei der Rekonstruktion der Tiefeninformation kommt.
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Gemäß einer anderen alternativen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die zur Lichtstrukturierung verwendete Mehrzahl vordefinierter primärer Spaltenmuster eine einheitliche oder eine unterschiedliche Auflösung entlang der Spaltenrichtung auf.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit für ein LiDAR-System, welche eingerichtet ist, in einem zu Grunde liegenden LiDAR-System eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zu initiieren, auszuführen, ablaufen zu lassen, zu regeln und/oder zu steuern.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein LiDAR-System als solches, welches ausgebildet ist mit einer Sendereinheit zum Erzeugen und Aussenden von Primärlicht in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung und mit einer Empfängereinheit zum Empfangen, Detektieren und Auswerten von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld.
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Das vorgeschlagene LiDAR-System ist dazu eingerichtet, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet zu werden und/oder von einem derartigen Verfahren gesteuert oder geregelt zu werden.
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Das LiDAR-System ist dazu in vorteilhafter Weise mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Steuereinheit ausgebildet, welche ihrerseits zum Steuern des Betriebs der Sendereinheit und/oder der Empfängereinheit eingerichtet ist und insbesondere dazu, auszusendendes Primärlicht und empfangenes Sekundärlicht nach dem Compressed-Sensing-Verfahren zu generieren/auszusenden und/oder zu detektieren und zu bewerten.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems weist die Sendereinheit als Lichtquelleneinheit eine Lasereinrichtung zum Erzeugen und Ausgeben unstrukturierten Primärlichts mit einem daran optisch gekoppelten optischen Mustergeber auf, welcher zur Aufnahme und zur Strukturierung des nicht strukturierten Primärlichts gemäß dem matrixartigen primären Lichtmuster und zur Ausgabe strukturierten Primärlichts als Primärlicht mit dem matrixartigen primären Lichtmuster in das Sichtfeld eingerichtet ist.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der optische Mustergeber als mechanisch fest vorgegebene Lichtmaske mit einer dem matrixartigen primären Lichtmuster materiell entsprechenden oder korrespondierenden Gestalt ausgebildet.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung als solche, welche mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System und insbesondere als Fahrzeug ausgebildet ist.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsformen erfindungsgemäß ausgestalteter LiDAR-Systeme, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren eingesetzt werden können.
- 3 erläutert schematisch Aspekte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens anhand einer Mehrzahl von Rasterschritten für einen 4-Pixel-Linienscanvorgang, wie er erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.
- 4 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer vollständigen Basis für einen 4-Pixel-Linienscanvorgang, wie erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.
- 5 und 6 erläutern schematisch anhand einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht Aspekte einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
- 7 erläutert schematisch weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung mit Fokus auf die Rekonstruktion der vollständigen Information aus dem Sichtfeld.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Für LiDAR-Systeme 1 gibt es unter anderem zwei grundsätzliche konzeptionelle Ansätze, (i) einerseits nämlich sogenannte Flashsystem, bei denen die gesamte Szene 53 eines Sichtfeldes 50 mit Primärlicht 57 beleuchtet wird und anschließend eine parallele Detektion erfolgt, und (ii) andererseits sogenannte Scannersysteme, bei denen die Szene 53 durch einen einzelnen Laserstrahl des Primärlichts 57 gescannt, abgetastet oder abgerastert wird.
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Neben Mischformen wie dem Vertical-Flash-LiDAR haben sich am Markt bisher vor allem Abtast- oder Scannersysteme durchsetzen können, insbesondere wegen hoher technologischer Hürden bei der Entwicklung von Flashsystemen. Reguläre oder herkömmliche Flashsysteme arbeiten mit zweidimensionalen Detektoren, die ein vollständiges Bild der Szene 53 im Sichtfeld 50 laufzeitkodiert aufnehmen.
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Ein alternatives Konzept zur Detektion ist der sogenannte Compressed-Sensing-LiDAR-Ansatz, welcher auch als Photon-Counting-LiDAR-Ansatz bezeichnet wird, auf einer Datenkomprimierung oder -kompression auf der Ebene der Messwerte beruht und an sich z.B. aus den Quellen [1] bis [3] bekannt ist.
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Flash-Systeme benötigen eine hohe optische Leistung, um große Reichweiten zu realisieren, da die emittierte optische Leistung über einen großen Raumbereich verteilt wird. Rein scannende Systeme mit Punktbeleuchtung weisen hingegen oft Probleme hinsichtlich der erreichbaren Auflösung, der Umsetzung der Scanfunktion sowie der Augensicherheit auf.
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Um die Nachteile beider Varianten zu umgehen, wurde als Hybridkonzept das sogenannte Vertical-Flash-LiDAR entwickelt. Dabei wird eine vertikale Linie vom LiDAR Sensor ausgesandt und somit in der vertikalen Richtung ein Flashansatz und in horizontaler Richtung ein Scanansatz verfolgt. Wie bei Flashansätzen üblich, wird hierbei jedoch zumindest in einer Raumrichtung ein flächiger, ortsaufgelöster Detektor verwendet. Diese Art von Detektoren ist zum einen technisch sehr anspruchsvoll, vor allem bei einer hohen Anzahl an Elementen, also Pixeln, und zum anderen kostenintensiv. Außerdem ist eine abbildende Optik mit sehr hoher Güte und thermischer Stabilität notwendig, um die rückgestreuten Photonen ausreichend auf diesen Sensor abzubilden.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Ansatz basiert auf dem Compressed-Sensing-Prinzip und behebt diese Nachteile.
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Die 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsformen erfindungsgemäß ausgestalteter LiDAR-Systeme 1, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren eingesetzt werden können.
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Das LiDAR-System 1 weist eine Sendereinheit 60, die auch als Senderoptik aufgefasst werden kann, sowie eine Empfängereinheit 30 auf, welche auch als Empfängeroptik aufgefasst werden kann.
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In vorteilhafter Weise ist eine Steuereinheit 40 ausgebildet, mit welcher die Sendereinheit 60 und die Empfängereinheit 30 über Erfassungs- und Steuerleitungen 41 bzw. 42 wirkverbunden sind.
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Die Sendereinheit 60 weist eine Lichtquelleneinheit 65 zum Erzeugen und Aussenden unstrukturierten Primärlichts 57, 57-1, eine Strahlformungsoptik 66 zur Strahlformung und insbesondere zur Lichtstrukturierung des unstrukturierten Primärlichts 57-1 zu strukturierten Primärlichts 57-2 sowie eine Ablenkoptik 62 zum eigentlichen Aussenden des strukturierten Primärlichts 57-2 in das Sichtfeld 50 mit der Szene 53, welche zum Beispiel ein Objekt 52 enthalten kann, auf.
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Die Empfängereinheit 30 weist eine Primäroptik 34, zum Beispiel nach Art eines Objektivs, und gegebenenfalls eine Sekundäroptik 35, zum Beispiel nach Art eines empfängerseitigen Kollimators auf. Primäroptik 34 und Sekundäroptik 35 der Empfängereinheit 30 dienen dazu, aus dem Sichtfeld 50 empfangenes Sekundärlicht 58 auf eine Detektoranordnung 20 mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 22 oder Detektorelementen abzubilden.
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Über den Nachweis des Sekundärlichts 58 aus dem Sichtfeld 50 kann im Zusammenwirken von Detektoranordnung 20 und Steuer- und Auswerteeinheit 40 eine Erfassung und Bewertung des Sichtfeldes 50 des LiDAR-Systems 1 insbesondere nach Art des Compressed-Sensing-Verfahrens erfolgen.
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Dabei wird im Betrieb des LiDAR-Systems 1 erfindungsgemäß senderseitig durch Strukturierung von unstrukturiertem Primärlicht 57, 57-1 ein vorgegebenes festes und zeitlich konstantes matrixartiges primäres Lichtmuster 70, 80 aus vordefinierten und zeitlich konstanten primären Spaltenmustern 71, 81 erzeugt und in einer Zeilenrichtung 72, 82 einer dabei zu Grunde liegenden Matrix 70', 80` des Lichtmusters 70, 80 verschwenkend und damit scannend oder rasternd in ein Sichtfeld 50) zu dessen abtastender Beleuchtung als strukturiertes Primärlicht 57, 57-2 ausgesandt.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß empfängerseitig bei der Detektion und Auswertung Sekundärlicht 58 aus dem Sichtfeld 50 als ein jeweiliges sekundäres Spaltenmuster 91 zur Detektion jeweils auf ein zugeordnetes gemeinsames Detektorelement 22 einer Detektoranordnung 20 als Sekundärlicht 58 aus dem Sichtfeld 50 empfangen, abgebildet und in Summe detektiert.
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Die Strukturierung des unstrukturierten Primärlichts 57, 57-1 erfolgt in der Sendereinheit 60 in der Strahlformungsoptik 66 nach Durchlaufen eines Kollimators 66-1 unter Verwendung eines Mustergebers 66-2, welcher auch als Musterelement aufgefasst werden kann und dazu dient, zum Beispiel durch räumliches Verdecken oder Freigeben, das den Mustergeber 66-2 der Strahlformungsoptik 66 durchlaufende Lichtfeld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts räumlich zu strukturieren, um dadurch strukturiertes Primärlicht 57, 57-2 auszubilden und der Ablenkoptik 62 zur Verfügung zu stellen.
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Dazu weist der Mustergeber 66-2 eine vorgegebene, feste und zeitlich Konstante Konfiguration nach Art einer Matrix 70` zur Ausbildung eines primären matrixartigen Lichtmusters 70, 80 mit Spaltenmustern 71, 81 auf, die in einer Zeilenrichtung 72, 82 also einer Verlaufsrichtung von Zeilen in der zu Grunde liegenden Matrix 70', 80' aneinandergereiht sind.
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Über die Struktur der Matrix 70` erfolgt entsprechend der Aufbau des primären matrixartigen Lichtmusters 70 mit entsprechenden hellen Bereichen 76, 86 oder Pixeln und dunklen Bereichen 77, 87 Pixeln.
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Durch das Abbilden mittels der Ablenkoptik 62 und einer Verschwenkbewegung 73, insbesondere entsprechend der Zeilenrichtung 72, wird das primäre matrixartige Lichtmuster 70 mit einer entsprechenden Verschwenkbewegung 83 in das Sichtfeld 50 geworfen, so dass das dort erscheinende primäre abgebildete matrixartige Lichtmuster 80 mit einer Matrix 80` der zu Grunde liegenden Matrix 70' und dem primären matrixartigen Lichtmuster 70 und insbesondere der Struktur oder Konfiguration des Mustergebers 66-2 entspricht.
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Die senderseitige Verschwenkbewegung 73 ruft ein Überstreichen des primären abgebildeten matrixartigen Lichtmusters 80 mit einer entsprechenden Verschwenkbewegung 83 im Sichtfeld 50 hervor.
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Es kann erfindungsgemäß ein im Vergleich einfacherer Photodetektor im Zusammenhang mit der Detektoranordnung 20 verwendet werden, insbesondere mit einer geringeren Anzahl einzelner Detektorelemente 22, die auch als Pixel bezeichnet werden können.
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Außerdem kann die jeweilige abbildende Optik bei der vorliegenden Erfindung auf ein günstigeres Linsensystem reduziert werden.
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Weiterhin ist es möglich, die aufgenommenen Daten während des Messprozesses direkt zu komprimieren - daher die Namensgebung Compressed-Sensing - wodurch unter anderem die Datenrate zwischen Lichtsensor 20 und Verarbeitungslogik 40 drastisch reduziert werden kann, beispielsweise für die Kommunikation zwischen einem Rotor und einen Stator des LiDAR-Systems 1.
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Dabei wird erfindungsgemäß auch ein Nachteil von bisherigen Compressed-Sensing-Systemen vermieden, nämlich die Notwendigkeit eines Lichtmodulators und dessen Ansteuerung, zum Beispiel im Sinne eines Spatial-Light-Modulators, der möglichst kurze Schaltzeiten ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß, wie oben bereits beschrieben wurde, dadurch erreicht, dass für die Strukturierung des unstrukturierten Primärlichts 57, 57-1 ein Mustergeber 66-2 mit einer vorgegebenen, festen und zeitlich konstanten Konfiguration nach Art einer Matrix 70` zur Ausbildung eines primären matrixartigen Lichtmusters 70 mit Spaltenmustern 71 eingesetzt wird.
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Dadurch entfallen erfindungsgemäß insbesondere die Notwendigkeit der Variabilität des strukturierenden Elements und dafür notwendige Ansteuermechanismen.
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Herkömmlicherweise erforderliche Modulatoren sind bislang kaum erschwinglich und/oder weisen starke Einschränkungen in der Einsetzbarkeit auf.
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Beispielsweise besitzen die schnellsten erhältlichen Modulatoren typischerweise eine maximale Schaltfrequenz von 32 kHz, wodurch die mögliche Bildwiederholrate stark einschränkt wird. Außerdem sind derartige Komponenten oft teuer und nicht konform zu den Anforderungen im Automobilbereich.
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Ein Kern der Erfindung besteht also darin, dass ein Compressed-Sensing-Ansatz bereitgestellt wird, der ohne einen Lichtmodulator im herkömmlichen Sinn, also zum Beispiel ohne Spatial-Light-Modulator auskommt.
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Dabei wird ein konstantes Lichtmuster 70 senderseitig bereitgestellt und mittels einer senderseitigen Scanbewegung 73 über die Szene 53 im Sichtfeld 50 bewegt, zum Beispiel in horizontaler Richtung. Dabei erscheint das primäre matrixartige Lichtmuster 70 als primäres abgebildetes matrixartiges Lichtmuster 80 im Sichtfeld 50 und überstreicht das Sichtfeld 50 und die Szene 53.
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Die einzelnen Spalten 71, 81 des primären Musters 70, 80 werden dabei erfindungsgemäß - insbesondere in der Empfängereinheit 30 - jeweils auf ein gemeinsames Detektorpixel 22 der Detektoranordnung 20 abgebildet.
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Die aufeinanderfolgende Beleuchtung der Spalten mit ausreichend vielen Mustern oder Spaltenmustern 71, 81 ermöglicht wiederum eine eindeutige Zuordnung der Tiefeninformation zu den einzelnen Pixeln.
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Ein Compressed-Sensing-System oder CS-System 1 besteht im Kern aus drei Komponenten, nämlich einer gepulsten oder modulierten Lichtquelle 65, einem Element 66-2 zur Strukturierung von Primärlicht 57 und einem eindimensionalen oder 1 D-Detektor 20.
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Für die Strukturierung des Lichts 57 werden herkömmlicherweise sogenannte Digital-Light-Modulators oder DLMs verwendet. Alternativ kann dieses Bauteil herkömmlicherweise auch als LCD-Display realisiert werden, wodurch sich allerdings die Transmission und/oder Signalausbeute reduzieren.
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Ein Kern der Erfindung besteht nun darin, die herkömmlicherweise verwendeten Mechanismen für eine dynamische Mustererzeugung zu ersetzen, nämlich insbesondere durch einen statischen Mustergeber 66-2, welcher erfindungsgemäß eingerichtet ist, für die Strukturierung des unstrukturierten Primärlichts 57, 57-1 eine vorgegebene, feste und zeitlich konstante Konfiguration nach Art einer Matrix 70` zur Ausbildung eines primären matrixartigen Lichtmusters 70 mit Spaltenmustern 71 bereitzustellen. Dadurch entfallen erfindungsgemäß insbesondere die Notwendigkeit der Variabilität des strukturierenden Elements und dafür notwendige Ansteuermechanismen.
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Durch die Strukturierung des Lichtfeldes im Bereich des Primärlichts 57 kann dem Lichtstrahl ein binäres Muster, also „Licht“ und „kein Licht“, aufprägt werden. Bei einer typischen Variante für ein erfindungsgemäßes CS-System wird dabei dieser DLM herkömmlicherweise nach der Lichtquelle 65 in den optischen Pfad eingefügt und somit in Folge die Szene 53 des Sichtfeldes 50 strukturiert beleuchtet, wie dies im Zusammenhang mit den 1 und 2 dargestellt ist.
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Anschließend kann das rückgestreute Licht als Sekundärlicht 58 mit einer Sammellinse oder allgemein mit einer Primäroptik 34 in der Empfängereinheit 30 aufgenommen und auf einen eindimensionalen oder 1D-Photodetektor der Detektoranordnung 20 gemessen werden. Besteht ein zu Grunde liegendes Muster aus einer Anzahl von N Spalten, so kann auch zur Detektion eine Anzahl von N Detektoren verwendet werden, die zum Beispiel in einer Zeile angeordnet sind.
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Bei den Detektorelementen oder Photodetektoren kann es sich zum Beispiel um kostengünstige Avalanchephotodioden (APD) handeln, die eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig schneller Messzeit erlauben. Die dabei verwendete Photodiode nimmt als Detektorelement 22 der Detektoranordnung 20 dabei ein vollständiges Histogramm der empfangenen Photonen auf.
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Um daraus die Szene 53 im Sichtfeld 50 rekonstruieren zu können, muss die Szene 53 mit einem kompletten Satz an Strukturierungen im Sinne von Spaltenmustern 71, 81 beleuchtet werden.
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Vollständig bedeutet dabei im Sinne einer vollständigen orthogonalen Basis, zum Beispiel auf der Grundlage von sogenannten Hadamardmatrizen.
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Um das Konzept und die weiteren Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens transparenter zu machen, wird zunächst eine linienförmige Abtastung von 4 Pixeln erläutert, zum Beispiel im Sinne eines allgemeinen Vertical-Flash-LiDAR, wie es dem Grunde nach aus den 1 und 2 entnommen werden kann.
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Die Erfindung ist aber keineswegs auf diese Ausführungsform beschränkt und die Beschreibung dient lediglich einer besseren Anschaulichkeit des allgemeinen Prinzips.
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Für jedes Pixel 86, 87 einer Spalte 71, 81 wird ein Laufzeithistogramm aufgenommen und daraus die entsprechende Tiefeninformation der Spalte 71, 81 generiert. Um eine vollständige Punktwolke zu der Szene 53 des Sichtfeldes 50 zu erhalten, muss nun die Szene 53 komplett abgetastet werden, wie dies im Zusammenhang mit 3 dargestellt ist.
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Dazu erläutert 3 schematisch Aspekte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens anhand einer Mehrzahl von Rasterschritten R1 bis R6 für einen 4-Pixel-Linienscanvorgang, wie er erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.
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Für jeden Rasterschritt R1 bis R6 wird ein anderer Teil der Szene 53 des Sichtfeldes 50 beleuchtet und entsprechend über den Nachweis des Sekundärlichts 58 in der Empfängereinheit 30 detektiert.
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Dabei wird erfindungsgemäß das grundsätzliche Vorgehen durch Verwenden eines festen und zeitlich konstanten Mustergebers 66-2 einerseits und mit dem Prinzip des Compressed-Sensing erweitert.
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Um die erforderliche Punktwolke mit Hilfe des Compressed-Sensing-Konzepts zu detektieren, muss für jede zu detektierende Spalte 71, 81 und also jeden Rasterschritt R1 bis R6 der 3 ein vollständiger Satz an Mustern im Sinne von Spaltenmustern 71, 81 beleuchtet und detektiert werden.
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Ein solcher Satz an Mustern 71, 81 ist für das in 3 angeführte 4-Pixel-Beispiel in 4 gezeigt.
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4 veranschaulicht dazu also schematisch den Aufbau einer vollständigen Basis für einen 4-Pixel-Linienscanvorgang, wie erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.
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Als Detektoreinheit 20 wird eine Einheit vorgeschlagen, die im genannten Beispiel vertikal auf einen einzigen Detektor abbildet und horizontal auf eines von mehreren Pixeln 22, wie dies im Zusammenhang mit den 5 und 6 dargestellt ist.
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Die 5 und 6 erläutert dazu schematisch anhand einer Draufsicht und einer Seitenansicht Aspekte einer anderen Ausführungsform des dabei zu Grunde liegenden erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.
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In diesem Fall sind die Detektorpixel oder Detektorelemente 22 der Detektoranordnung 20 zum Beispiel um 90° verdreht zum derzeitigen Stand der Technik angeordnet, als im Vergleich zu einem herkömmlichen Vertical-Flash-LiDAR-System.
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Mit dieser Art von Detektoranordnung 20 lässt sich ein fliegendes Muster als Matrixmuster 70, 80 über die Szene 53 im Sichtfeld 50 projizieren. Ein solcher Scanvorgang mittels der Schwenkbewegung 73, 83 in der Zeilenrichtung 72, 82 des zu Grunde liegenden Musters 70, 80 ist im Zusammenhang mit 7 dargestellt.
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7 erläutert dazu schematisch weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung mit Fokus auf die Rekonstruktion der vollständigen Information aus dem Sichtfeld 50.
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Die verschiedenen Linienmuster - hier im Sinne von Spaltenmustern 71, 81, zum Beispiel aus 4 - werden dabei direkt nebeneinander in die Szene 53 geworfen und von einem vorangehenden Rasterschritt Rj zu einem nachfolgenden Rasterschritt Rj+1 konstant räumlich verschoben.
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In der Detektoranordnung 20 werden in diesem Beispiel alle 4 Pixel eines jeweiligen Spaltenmusters 71, 81 in Summe in einem Detektorelement 22 detektiert. Bewegt man nun das konstante Muster 71, 81 um insgesamt 4 Schritte nach rechts, nämlich zeitlich versetzt über eine Scanbewegung 73, 83, hat man einen jeweiligen Punkt in der Szene 53 konsekutiv mit allen notwendigen Mustern im Sinne der Spaltenmuster 71, 81 beleuchtet und das Signal lässt sich in diesem Fall zu 100% aus den gemessenen Daten rekonstruieren.
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Dieser Umstand ist verdeutlicht durch den Pfeil in 7 zu den Rasterschritten R2 bis R5.
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Grundsätzlich lässt sich mit Hilfe dieses Aufbaus nun die Punktwolke für jede Spalte rekonstruieren.
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Bezüglich der Anzahl der Detektorpixel - aufgefasst als Detektorelemente 22 der Detektoranordnung 20 - ergibt sich also zunächst kein Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Detektor. Jedoch kann der erfindungsgemäße Ansatz mit einer deutlich einfacheren Sammeloptik (zum Beispiel ohne aufwendige abbildende Optik) realisiert werden und ermöglicht darüber hinaus einen größeren (einstellbaren) Pixelabstand in der Detektoranordnung 20 im Detektor (relevant für beispielsweise FMCW basierte LiDAR Systeme).
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Darüber hinaus, besteht ein weiterer Kernaspekt des erfindungsgemäßen Compressed-Sensing-Ansatzes darin, keinen vollständigen Mustersatz zu verwenden, sondern die Menge der verwendeten Spaltenmuster 71, 81 geschickt zu reduzieren.
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Hier lassen sich bereits mit etwa 25% der eigentlich notwendigen Muster im Sinne der Spaltenmuster 71, 81 bereits sehr gute Bildergebnisse erzeugen.
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Die virtuelle Auflösung einer Detektorzeile mit N Pixeln ließe sich also dadurch um den Faktor vier erhöhen auf 4N, mit einer entsprechenden Reduktion der zu übertragenden Datenmenge.
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Eine derart strukturierte Ausleuchtung lässt sich relativ einfach über ein strukturiertes Laserarray, zum Beispiel im Sinne von Oberflächenemittern, VCSEL-Elementen oder gestapelten Kantenemittern, als Lichtquellen in Kombination mit einer abbildenden Optik generieren.
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Das Prinzip ist dabei nicht auf eine Linie beschränkt, sondern ließe sich auch als einem strukturierten Lichtfleck analog zu einem µ-Spiegel-Scanner implementieren, bei dem sich dementsprechend die Scanschritte deutlich vergrößern ließen.
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Die Erfindung lässt sich sowohl sende- als auch empfangsseitig umsetzen. Bei Umsetzung des vorgeschlagenen Aufbaus in der Empfangsoptik 30 statt Sendeoptik 60 wird außerdem von der Sendeoptik 60 eine flächigere Ausleuchtung erforderlich. Dies stellt im allgemeinen deutlich reduzierte Anforderungen an die zu verwendende Optik dar, da lediglich ein ausgedehnterer Strahl an Primärlicht 57 erzeugt werden muss. Letzteres erhöht auch die maximal zulässige Leistung im Sinne der Augensicherheit und ermöglicht damit größere Reichweiten.
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Unter anderem stellen sich bei der vorliegenden Erfindung unter anderem folgende weitere Vorteile ein:
- - Das Prinzip ist vollständig kompatibel zu allen gängigen Scan-Prinzipien, z.B. µ-Spiegel-Scanner, Makroscanner (rotierendes System oder rotierender Spiegel), Polygonspiegel, etc.).
- - Die Scanbewegung kann horizontal, vertikal und kombiniert erfolgen.
- - Das Prinzip eignet sich sowohl für Direct-Time-of-Flight- oder dToF-Systeme als auch für FMCW-Systeme.
- - Durch die Erfindung werden schwer verfügbare und teilweise langsame Spatial-Light-Modulatoren obsolet und dadurch der Einsatz von Compressed-Sensing-Absätzen im Automobilbereich bei LiDAR-Systemen ermöglicht.
- - Es handelt sich um einen rein statischen Aufbau. Die Musterbeleuchtung geschieht allein durch die bereits vorhandene Scanbewegung.
- - Durch Compressed-Sensing-Ansatz werden die Datenmengen, die von Rotor zu Stator oder vom LiDAR-System 1 zu einem Hauptsystem (z.B. Auto) übertragen werden müssen, deutlich reduziert, weil die Daten während des Messvorgangs bereits komprimiert werden, analog zur JPEG Komprimierung bei Fotokameras.
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Quellen
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[1] Howland et al., „Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging“, in: Applied Optics 50 (31), November 2011.
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[2] Howland et al., „Photon counting compressive depth mapping“, in: Optics Express 21 (20), September 2013.
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[3] Edgar et al., „Real-time computational photon-counting LiDAR“, in: Optical Engineering 57 (3), März 2018.
