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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und ein Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2016 219 955 A1 offenbart eine Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Lasermustererzeugungseinheit, einer Ablenkeinheit und einer Steuereinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit eingerichtet ist ein Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung, und die Steuereinheit eingerichtet ist, die Ablenkeinheit mindestens entlang der zweiten Richtung zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster mindestens entlang der zweiten Richtung bewegt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes aufweisend eine Sendeeinheit mit einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit zur Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld; und wobei die Lasermustererzeugungseinheit temperaturstabilisiert ausgebildet ist, und wobei die Lasermustererzeugungseinheit ausgebildet ist, ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung; eine Empfangseinheit mit wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit zum Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde; wenigstens eine um eine Rotationsachse rotierbare und auf einem Rotor angeordnete Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist; und wobei das Primärlicht und das Sekundärlicht mittels der Spiegeleinheit senkrecht zur Rotationsachse aus- und einkoppelbar sind.
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Der hier vorgestellte LIDAR-Sensor ist somit als Makroscanner ausgebildet. Unter einem Makroscanner versteht ein Fachmann einen optoelektronischen Sensor, bei dem eine makroskopische Einheit rotierbar angeordnet ist. Als die makroskopische Einheit kann im Fall des hier vorgestellten LIDAR-Sensors die auf dem Rotor angeordnete Spiegeleinheit aufgefasst werden. Das Sichtfeld (engl. Field of View, FoV) des LIDAR-Sensors kann zeitlich mit dem Primärlicht abgetastet werden. Die Auflösung entlang einer Richtung des Sichtfeldes, insbesondere entlang der horizontalen Richtung, kann mithilfe einer Winkelmessung in feinen Schritten realisiert werden. Diese Richtung des Sichtfeldes, entlang derer das Sichtfeld abgetastet werden kann, ist bevorzugt parallel zur zweiten Richtung des Ausleuchtungsmusters angeordnet.
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Die Lasermustererzeugungseinheit weist insbesondere wenigstens einen Laser auf. Der wenigstens eine Laser kann als DFB-Laser (DFB: engl. für Distributed feedback, DFB), als DBR-Laser (DBR: engl. für Distributed Bragg Reflector), als temperaturstabilisierter Kanten- oder Oberflächenemitter oder als temperaturstabilisierter Festkörperlaser ausgebildet sein. Bei einem DFB-Laser oder einem DBR-Laser kann es sich hierbei bereits um einen temperaturstabilisierten Laser handeln. Kanten- oder Oberflächenemitter oder Festkörperlaser können mittels zusätzlicher Einheiten temperaturstabilisiert werden. Dass die Lasermustererzeugungseinheit, bzw. insbesondere der wenigstens eine Laser, temperaturstabilisiert ausgebildet ist, kann derart verstanden werden, dass erreicht werden kann, dass die Eigenschaften des LIDAR-Sensors, und insbesondere der Lasermustererzeugungseinheit, über einen gesamten Betriebstemperaturbereich des LIDAR-Sensors stabil gehalten werden können. Der Betriebstemperaturbereich eines LIDAR-Sensors kann zum Beispiel einen Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C umfassen. Die Temperaturstabilisierung kann bewirken, dass eine Wellenlänge des Primärlichts als eine mögliche Eigenschaft der Lasermustererzeugungseinheit stabil über den Betriebstemperaturbereich ist. Die Temperaturstabilisierung kann bewirken, dass das Primärlicht über den Betriebstemperaturbereich eine sehr schmale Bandbreite aufweist. Es ist möglich, dass die Lasermustererzeugungseinheit weder beim Hochlauf aufgeheizt, noch im Betrieb gekühlt werden muss, um beispielsweise die Wellenlänge des Primärlichts stabil zu halten.
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Die Lasermustererzeugungseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Primärlicht gepulst auszusenden. Die Lasermustererzeugungseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Ausleuchtungsmuster gepulst auszusenden. Die Lasermustererzeugungseinheit kann somit dazu ausgebildet sein, das Primärlicht als Ausleuchtungsmuster auszusenden. Das Ausleuchtungsmuster ist insbesondere als eine Linie, ein Rechteck oder ein Muster, z. B. ein Karomuster, ausgebildet. Insbesondere ist die erste Richtung des Ausleuchtungsmusters parallel zu einer vertikalen Richtung des Sichtfeldes angeordnet. Insbesondere ist die zweite Richtung des Ausleuchtungsmusters parallel zu einer horizontalen Richtung des Sichtfeldes angeordnet. Die Lasermustererzeugungseinheit kann einen einzigen Laser mit hoher Divergenz entlang der ersten Richtung des Ausleuchtungsmusters aufweisen. Die Lasermustererzeugungseinheit kann eine Mehrzahl Laser aufweisen, die dazu ausgebildet sind, das Ausleuchtungsmuster zu erzeugen. Hierfür kann die Mehrzahl Laser beispielsweise in einer Spalte angeordnet sein. Im optischen Pfad der Sendeeinheit kann relativ bald nach Austritt aus dem LIDAR-Sensor (unmittelbar oder nach wenigen Zentimetern) eine zusammenhängende, über den Abstand zum LIDAR-Sensor zunehmend homogenere Beleuchtung des Sichtfeldes mit dem Ausleuchtungsmuster entstehen. Dass die Lasermustererzeugungseinheit auf dem Stator angeordnet ist, kann derart verstanden werden, dass die Lasermustererzeugungseinheit stationär (oder auch anders ausgedrückt ortsfest) angeordnet ist.
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Die Einzelphotonendetektoreinheit weist insbesondere wenigstens einen Einzelphotonendetektor auf. Der wenigstens eine Einzelphotonendetektor kann beispielsweise als SPAD (engl. für Single Photon Avalanche Diode) oder als SiPM (engl. für Silicon photon multiplier) ausgebildet sein. Eine SiPM-Detektoreinheit weist im Besonderen eine Vielzahl von SPADs in spezieller Schaltung auf. Die Einzelphotonendetektoreinheit ist zur Einzelphotonenzählung ausgebildet. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweisen. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann beispielsweise als eine eindimensionale Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen ausgebildet sein. Unabhängig davon, welcher Laser aus einer Mehrzahl Lasern Primärlicht aussendet, kann eine Einzelphotonendetektorzelle Sekundärlicht beispielsweise in Form von Photonen, empfangen. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann in BSI-Technik (BSI: engl. für backside illumination) aufgebaut sein. Hierfür können einzelne Einzelphotonendetektorzellen an nur äußerst kleinen Chipflächen, quasi lückenlos, angeordnet sein. Dass die Einzelphotonendetektoreinheit auf dem Stator angeordnet ist, kann derart verstanden werden, dass die Einzelphotonendetektoreinheit stationär (oder auch anders ausgedrückt ortsfest) angeordnet ist. Insbesondere ist die Einzelphotonendetektoreinheit dazu ausgebildet, ein Erfassungsmuster zu erfassen, welches dem Ausleuchtungsmuster gleicht. Die Einzelphotonendetektoreinheit empfängt hierbei insbesondere Sekundärlicht aus einem vorgegebenen Ausschnitt des Sichtfeldes, in welchen zuvor das Primärlicht mittels der Lasermustererzeugungseinheit ausgesandt wurde. Die Aussendung des Primärlichts und das Empfangen des Sekundärlicht erfolgt dabei vorzugsweise gleichzeitig über den vorgegebenen Ausschnitt des Sichtfeldes.
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Die Lasermustererzeugungseinheit und die Einzelphotonendetektoreinheit können am Stator getrennt angeordnet sein. Die Lasermustererzeugungseinheit und die Einzelphotonendetektoreinheit können am Stator nebeneinander oder übereinander angeordnet sein. Der optische Pfad der Sendeeinheit zwischen Lasermustererzeugungseinheit und der rotierbaren Spiegeleinheit und der optische Pfad der Empfangseinheit zwischen der rotierbaren Spiegeleinheit und der Einzelphotonendetektoreinheit können getrennt oder überlappend, übereinander oder nebeneinander verlaufen. Der optische Pfad der Sendeeinheit und der optische Pfad der Empfangseinheit können biaxial, koaxial oder zu teilweise koaxial zueinander verlaufen.
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Zum Antreiben der rotierbaren Spiegeleinheit kann der LIDAR-Sensor eine elektrische Antriebseinheit, zum Beispiel einen flachbauenden, bürstenlosen Elektromotor, aufweisen. Mittels der Spiegeleinheit kann das Primärlicht aus dem LIDAR-Sensor in das Sichtfeld ausgekoppelt, mit anderen Worten ausgesandt, werden. Mittels der Spiegeleinheit kann Sekundärlicht aus dem Sichtfeld in den LIDAR-Sensor eingekoppelt, mit anderen Worten empfangen, werden. Das Sichtfeld kann insbesondere entlang einer horizontalen Richtung eine Ausdehnung von 120 bis 145° aufweisen.
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Der LIDAR-Sensor weist weiterhin insbesondere wenigstens eine Auswerteeinheit auf. Die wenigstens eine Auswerteeinheit ist dafür ausgebildet, eine Lichtlaufzeit des ausgesandten Primärlichts und des wieder empfangenen Sekundärlichts zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld kann beispielsweise auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) bestimmt werden. Zu den Lichtlaufzeitverfahren zählen Pulsverfahren, die den Empfangszeitpunkt eines reflektierten Laserpulses bestimmen, oder Phasenverfahren, die ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal aussenden und den Phasenversatz zu dem empfangenen Lichtsignal bestimmen. Eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (engl.: time-correlated single photon counting, TCSPC) kann für ein ToF-System realisierbar sein.
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Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass im Vergleich zu zweidimensional abtastenden LIDAR-Sensoren (zum Beispiel bei Verwendung eines Mikrospiegels) die Messzeit bzw. die Pulszahl pro Pixel höher sein kann. Es ist bei dem hier beschriebenen LIDAR-Sensor lediglich eine Abtastung entlang einer Richtung des Sichtfeldes notwendig. Im Vergleich zu bekannten LIDAR-Sensoren kann also die Auflösung entlang wenigstens einer Richtung des Sichtfeldes erhöht werden. Die Auflösung entlang einer vertikalen und/oder entlang einer horizontalen Richtung des Sichtfeldes kann erhöht werden. Es kann eine sehr hohe Winkelauflösung, zum Beispiel 0,1 × 0,1°, erreicht werden. Die Abtastung des Sichtfeldes kann mithilfe einer lückenlosen Beleuchtung mit Primärlicht erfolgen. Gleichzeitig kann auch die Erfassung der Sekundärstrahlung quasi lückenlos mithilfe beispielsweise einer eindimensionalen Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen erfolgen. Die Wahrscheinlichkeit von Bewegungsartefakten in den Messdaten des LIDAR-Sensors wird hierdurch verringert. Die Gefahr, Objekte im Sichtfeld zu übersehen, kann verringert werden. Gleichzeitig muss die Leistung des ausgesandten Primärlichts wesentlich geringer sein als beispielsweise bei einem nach einem Flash-System arbeitenden LIDAR-Sensor. Der Energieverbrauch des LIDAR-Sensors kann im Vergleich zu einem Flash-System geringgehalten werden. Die Augensicherheit des LIDAR-Sensors kann im Vergleich zu einem Flash-System verbessert sein. Außerdem kann durch die Verwendung der SPAD- oder SiPM-Detektoren eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung ermöglicht werden. Durch die Verwendung einer eindimensionalen Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen kann die Einzelphotonendetektoreinheit klein gehalten werden. Eine solche Einzelphotonendetektoreinheit benötigt weniger Energie, erzeugt weniger Abwärme im Gerät und bewirkt eine verbesserte Augensicherheit. Der LIDAR-Sensor weist ein optimiertes Temperaturverhalten auf. Das optimierte Temperaturverhalten ermöglicht die Verwendung eines sehr schmalbandigen Bandpassfilters (z. B. Bandbreite < 10 nm) im optischen Pfad der Empfangseinheit. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Anteil von Nutzphotonen, sprich Photonen, die für die Erfassung des Sichtfeldes genutzt werden können, größer ist als ein Anteil von Störphotonen, sprich Photonen, die bei der Erfassung des Sichtfeldes stören, beispielsweise stark leuchtende Objekte, Hintergrundlicht oder Streustrahlung. Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Sättigung der Einzelphotonendetektoreinheit kommt, ist stark verringert. Der LIDAR-Sensor kann somit robust gegenüber Umwelteinflüssen sein. Bei Änderungen der Umgebungstemperatur des LIDAR-Sensors, aber auch anderen Störungen wie beispielsweise Hintergrundlicht tritt keine oder nur eine geringe Veränderung der Messeigenschaften des LIDAR-Sensors auf. Der LIDAR-Sensor kann hierdurch auch eine erhöhte, und bei Änderungen der Umgebungstemperatur gleichbleibende, Reichweite aufweisen. Eine Trennung des optischen Pfads der Sendeeinheit und des optischen Pfads der Empfangseinheit ist nicht nötig. Hierdurch kann beispielsweise die Spiegeleinheit klein gehalten werden. Der LIDAR-Sensor kann weiterhin wenigstens entlang einer Ausdehnung seines Gehäuses besonders flach sein. Der LIDAR-Sensor kann beispielsweise eine flache Bauhöhe haben. Außerdem ist im Vergleich zu LIDAR-Sensoren, bei denen neben der Spiegeleinheit auch aktive optische Komponenten (beispielsweise eine Lasereinheit oder eine Detektoreinheit) und elektrische Komponenten (beispielsweise eine Auswerteeinheit) rotierbar angeordnet sind, sowohl die Temperaturstabilisierung, sprich das Thermomanagement, als auch eine Energie- und Datenübertragung wesentlich vereinfacht. Die rotierbare Spiegeleinheit, welche elektrisch und optisch passiv sein kann, benötigt im Allgemeinen keine drahtlose Energieübertragung, keine drahtlose Datenübertragung und keine Temperierung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein aktives Lasermaterial der Lasermustererzeugungseinheit periodisch strukturiert ausgebildet ist; und wobei die Lasermustererzeugungseinheit insbesondere als DFB-Lasereinheit oder als DBR-Lasereinheit ausgebildet ist. Strukturen wechselnder Brechungsindices können ein eindimensionales Interferenzgitter bzw. einen eindimensionalen Interferenzfilter ausbilden. Die Lasermustererzeugungseinheit kann hierbei eine einzelne DFB- oder DBR-Lasereinheit mit einem asymmetrischen Divergenzwinkel sein. Die Lasermustererzeugungseinheit kann alternativ eine eindimensionale Anordnung jeweils mehrerer DFB-Lasereinheiten oder DBR-Lasereinheiten sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die spektrale Breite einer solchen Lasermustererzeugungseinheit sehr gering ist. Für DFB-Laser oder DBR-Laser liegen Abweichung von der eingestellten Wellenlänge beispielsweise im Bereich von 10-5 nm. Eine entsprechende Lasermustererzeugungseinheit weist somit eine sehr gute Temperaturstabilisierung auf. Falls hingegen eine Wellenlängenänderung der Lasermustererzeugungseinheit gewünscht ist, so lässt sich diese bei DFB-Lasern oder DBR-Lasern durch eine Stromänderung innerhalb einer kurzen Zeitspanne erzeugen. Diese Art der Wellenlängenveränderung ist dabei wesentlich schneller als eine Wellenlängenveränderung über eine Änderung der Temperatur. Darüber hinaus kann eine Lasermustererzeugungseinheit mit den hier beschriebenen Merkmalen kostengünstig sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasermustererzeugungseinheit als Oberflächenemitter oder sogenannter VCSE-Laser (Englisch für vertical-cavity surface-emitting) ausgebildet ist.
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Hierdurch kann der LIDAR-Sensor kostengünstig gehalten werden. Eine derartige Lasermustererzeugungseinheit kann weiterhin eine bessere Strahlqualität des ausgesendeten Primärlichts haben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelphotonendetektoreinheit mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweist; und wobei die mehreren Einzelphotonendetektorzellen gleichzeitig aktivierbar sind. Die Einzelphotonendetektorzellen können als Einzelphotonenlawinendioden ausgebildet sein. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann eine Vielzahl von Bildpunkten aufweisen, wobei wenigstens einige Bildpunkte jeweils eine Mehrzahl von aktivierbaren Einzelphotonendetektorzellen aufweisen. Eine Einzelphotonendetektorzelle kann hierbei als Subpixel bezeichnet werden. Der LIDAR-Sensor kann weiterhin wenigstens einen Verknüpfer aufweisen, der dazu ausgelegt ist, empfangenes Sekundärlicht repräsentierende Detektionssignale wenigstens zweier Einzelphotonendetektorzellen eines Bildpunktes über eine kombinatorische Logik zu verknüpfen. Durch die Verknüpfung wenigstens zweier Einzelphotonendetektorzellen eines Bildpunktes entstehen sogenannte Makropixel. Die Bildpunkte der Einzelphotonendetektoreinheit können als Makropixel bezeichnet werden. Eine Einzelphotonendetektorzelle löst einen elektrischen Puls aus, wenn eine minimale Menge Sekundärlicht, beispielsweise in Form von Photonen, auf einen lichtintensiven Bereich der Einzelphotonendetektorzelle fällt. Die Menge des Sekundärlicht kann bereits bei einem Einzelphotonendetektionsereignis, sprich einem einzelnen Photon, erreicht werden. Eine Einzelphotonendetektorzelle kann entsprechend sehr sensitiv sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Dynamikbereich der Einzelphotonendetektoreinheit erhöht werden kann. Die Bildpunkte, sprich Makropixel, ermöglichen die Verwendung, der ansonsten meist zu sensitiven Einzelphotonendetektorzellen. Die Leistung eines Bildpunktes kann unabhängig von der optisch notwendigen Größe optimiert werden. Im Fall einer defekten Einzelphotonendetektorzelle eines Bildpunktes fällt nicht der komplette Bildpunkt aus. Die Lichtausbeute eines Bildpunktes wird somit im Fall einer defekten Einzelphotonendetektorzelle erhöht. Bei einer flexiblen Zuordnung der Bildpunkte zu Auswerteeinheiten des LIDAR-Sensors kann eine Anpassung der auszuwertenden Fläche der Einzelphotonendetektoreinheit im Subpixel-Bereich ermöglicht werden. Dies erlaubt eine einfache Anpassung der Einzelphotonendetektoreinheit an die Sendeeinheit des LIDAR-Sensors. Zudem können sowohl systematische Fehlerquellen (zum Beispiel elektrische Offsets, Gleichanteile in der Hintergrundbeleuchtung) als auch stochastische Fehlerquellen (zum Beispiel elektrisches und thermisches Rauschen) minimiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelphotonendetektoreinheit als SPAD- oder SiPM-Detektoreinheit ausgebildet ist. Insbesondere weist die Einzelphotonendetektoreinheit mehrere SPAD-Einzelphotonendetektorzellen oder mehrere SiPM-Einzelphotonendetektorzellen auf. Mehrere Einzelphotonendetektorzellen können gleichzeitig aktiv sein, sprich gleichzeitig Sekundärlicht empfangen. Ist die Einzelphotonendetektoreinheit als SPAD-Detektoreinheit ausgebildet, so kann die Auswertung von Detektionssignalen statistisch, beispielsweise über eine Histogrammbildung, erfolgen. Ist die Einzelphotonendetektoreinheit als SiPM-Detektoreinheit ausgebildet, so kann die Auswertung von Detektionssignalen statistisch, beispielsweise über eine Histogrammbildung, erfolgen. Einzeln detektierte Photonen eines Makropixels können zu Empfangszeitpunkten zugeordnet werden. Die Bildung eines solchen Histogramms kann im Piko- bis Nanosekundenbereich erfolgen. Eine Empfangszeit des Sekundärlicht kann ermittelt werden. Optional kann auch eine Intensität des empfangenen Sekundärlichts ermittelt werden. Optional kann auch eine ursprüngliche Pulsform des Primärlichts rekonstruiert werden. Aufgrund des Ausleuchtungsmusters kann eine solche statistische Auswertung insbesondere einfacher und schneller erfolgen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zum Beispiel im Vergleich zu einer APD (engl. für Avalanche Photodiode) das Ausgangssignal nicht mit einer Anzahl Photonen linear skaliert. Als Ausgangssignal ist hierbei ein Strom (Lawineneffekt, massenartiger Elektronenfluss in einem elektrischen Feld eines PN-Übergangs) zu verstehen. Dieses Ausgangssignal wird in der Regel mit Hilfe einer Schaltung als Spannung abgegriffen. Anschließend wandelt eine A/D-Wandung das Signal auf eine ausgewählte Schnittstellte z.B. als Binärcode um. Es ist eine geringere Anzahl Photonen zur Auswertung notwendig. Es kann in Kombination mit der Verknüpfung wenigstens zweier Einzelphotonendetektorzellen eines Bildpunktes zu einem Makropixel eine verbesserte Histogrammbildung bei einer Vielzahl eintreffende Photonen auf mehreren SPAD-Detektoreinheiten erreicht werden. Die ToF pro Makropixel kann festgehalten werden, sobald mindestens eine SPAD-Einzelphotonendetektorzelle bzw. eine SiPM-Einzelphotonendetektorzelle in einem Makropixel ein Photon registriert. Hierdurch kann eine doppelte zeitliche Parallelisierung der ToF-Messung in einem Makropixel erreicht werden. Darüber hinaus kann eine SPAD- oder SiPM-Detektoreinheit kostengünstig sein. Für eine SiPM-Einzelphotonendetektorzelle ergibt sich der weitere Vorteil, dass eine Statistik über viele Pixel schneller und ohne Totzeit eines Einzeldetektors ermittelbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Einzelphotonendetektionsereignis der Einzelphotonendetektoreinheit einem Empfangszeitpunkt zuzuordnen. Die Auswerteeinheit kann somit dafür ausgebildet sein, eine Lichtlaufzeit des ausgesandten Primärlichts und des wieder empfangenen Sekundärlichts zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld kann beispielsweise auf der Basis einer Signallaufzeit bestimmt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weitere optische und/oder elektronische Elemente aufweist, wobei die weiteren optischen und/oder elektronischen Elemente auf dem Stator angeordnet sind. Weitere optische Elemente können beispielsweise wenigstens ein Spiegel, insbesondere wenigstens ein feststehender Spiegel, optische Filter oder optische Linsen sein. Weitere elektronische Elemente können zum Beispiel ansteuerbare optische Elemente oder wenigstens ein Steuergerät sein. Beispielsweise kann die Empfangseinheit als ein weiteres optisches Element einen optischeren Wellenlängenfilter aufweisen. Ein solcher optischer Wellenlängenfilter kann sehr schmalbandig (Bandbreite < 10 nm) sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass sowohl die Temperaturstabilisierung, sprich das Thermomanagement, als auch eine Energie- und Datenübertragung innerhalb des LIDAR-Sensors wesentlich vereinfacht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegeleinheit als ebene Spiegeleinheit mit zwei zur Rotationsachse parallel ausgerichteten Spiegelflächen ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine doppelte Abtastrate gegenüber einfachen Spielflächen ermöglicht wird. Gegenüber LIDAR-Sensoren mit Polygonspiegeln kann eine bessere Auflösung, insbesondere entlang einer horizontalen Richtung des Sichtfeldes, erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegeleinheit mit den zwei Spiegelflächen einteilig ausgebildet ist oder dass die Spiegeleinheit mit den zwei Spiegelflächen mehrteilig ausgebildet ist. Der Vorteil der einteiligen Ausgestaltung besteht darin, dass eine solche Spiegeleinheit einfacher und kostengünstiger herzustellen ist. Eine Spiegeleinheit, welche mehrteilig ausgebildet ist, weist beispielsweise zwei ebene Spiegelelemente mit jeweils einer Spiegelfläche, wobei die zwei Spiegelflächen voneinander wegweisen, und eine zwischen den zwei Spiegelelementen angeordnete elektrische Antriebseinheit, zum Beispiel einen flachbauenden, bürstenlosen Elektromotor, auf. Der Vorteil der zweiteiligen Ausgestaltung besteht darin, dass eine derartige Spiegeleinheit weniger störanfällig sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Primärlicht und das Sekundärlicht über einen sich gleichenden Bereich der Spiegeleinheit aus- und einkoppelbar sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Spiegeleinheit klein gehalten werden kann. Hierdurch kann auch der LIDAR-Sensor klein gehalten werden.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines oben beschriebenen LIDAR-Sensors mit den Schritten Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit einer Sendeeinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld erzeugt, und wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. In einem weiteren Schritt kommt es zum Auskoppeln des Primärlichts mittels wenigstens einer um eine Rotationsachse rotierbaren und auf einem Rotor angeordneten Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist, und wobei das Auskoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. In einem weiteren Schritt kommt es zum Einkoppeln von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde mittels der Spiegeleinheit, wobei das Einkoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. Und in einem weiteren Schritt kommt es zum Empfangen des Sekundärlichts mittels wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit einer Empfangseinheit.
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Insbesondere wird im Schritt des Auskoppelns des Primärlichts die Spiegeleinheit um die Rotationsachse rotiert. Zur Erfassung des gesamten Sichtfeldes kann die Rotation in mehrere Winkelschritte aufgeteilt sein. Die Erfassung des Sichtfeldes kann mit einer vorgegebenen Winkelauflösung erfolgen. Aus der Größe des Sichtfeldes und der Winkelauflösung ergibt sich die Anzahl der notwendigen Winkelschritte. Beispielsweise kann die Erfassung eines 145°-großen Sichtfeldes mit einer Winkelauflösung von 1/10° mittels 1450 Winkelschritten erfolgen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1 Erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes;
- 2 Zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes;
- 3 Beispiele möglicher Ausleuchtungsmuster;
- 4 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100. Der LIDAR-Sensor 100 weist ein Gehäuse 111 auf. Im vorliegenden Beispiel ist dieses eckig ausgebildet. Das Gehäuse 111 kann als symmetrisches oder asymmetrisches eckiges Gehäuse ausgebildet sein. Beispielsweise kann es als Quader ausgebildet sein, dessen Bauhöhe wesentlich geringer ist als dessen Baubreite oder Bautiefe. Das Gehäuse 111 kann aus Metall ausgebildet sein. Es kann ein optisches Fenster aus Kunststoff oder Glas aufweisen. Das optische Fenster kann für Primärlicht 106 und Sekundärlicht 107 transparent sein. Das optische Fenster kann als ebene, vertikal geneigte oder gekurvte Oberfläche ausgebildet sein. Das optische Fenster kann eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen.
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Der LIDAR-Sensor 100 weist als Teil einer Sendeeinheit eine Lasermustererzeugungseinheit 101 zur Aussendung von Primärlicht 106 auf. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 ist auf einem Stator 114 angeordnet. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 ist temperaturstabilisiert ausgebildet. Beispielsweise kann hierfür eine aktives Lasermaterial der Lasermustererzeugungseinheit 101 periodisch strukturiert ausgebildet sein. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 kann hierfür als DFB- Lasereinheit oder als DBR-Lasereinheit ausgebildet sein. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 ist weiterhin dazu ausgebildet, ein Ausleuchtungsmuster im Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 zu erzeugen. Die Lasermustererzeugungseinheit ist in anderen Worten dazu ausgebildet, Primärlicht 106 als Ausleuchtungsmuster in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 auszusenden. Das Ausleuchtungsmuster weist hierbei eine erste Richtung und eine zweite Richtung auf, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind. Eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung ist hierbei größer als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung.
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Die Lasermustererzeugungseinheit 101 sendet Primärlicht 106 aus. Das Primärlicht bewegt sich entlang eines optischen Pfads der Sendeeinheit in Richtung einer um eine Rotationsachse 104 rotierbaren Spiegeleinheit 103 fort. Der LIDAR-Sensor 100 weist weitere auf dem Stator 114 angeordnete optische und/oder elektronische Elemente 108 und 109 entlang des optischen Pfads der Sendeeinheit auf. Beispielsweise kann es sich bei den Elementen 109 um optische Linsen handeln. Das Element 108 ist im Beispiel als feststehende Spiegeleinheit zur Umlenkung des Primärlichts 106 in Richtung der rotierbaren Spiegeleinheit 103 ausgebildet. Die rotierbare Spiegeleinheit 103 ist auf einem Rotor angeordnet. Hierbei ist die Rotationsachse 104 parallel zur ersten Richtung des Ausleuchtungsmusters ausgerichtet. Die Spiegeleinheit 103 rotiert um die Rotationsachse 104 entlang der Richtung 105. Das Primärlicht 106 wird mittels der Spiegeleinheit 103 senkrecht zur Rotationsachse 104, hier im Beispiel durch das optische Fenster 112 hindurch, ausgekoppelt. Das Primärlicht 106 wird auf diese Weise in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 ausgekoppelt. Im Sichtfeld kann das Primärlicht 106 auf ein sich dort befindliches Objekt 113 treffen.
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Das von einem solchen Objekt 113 reflektierte und/oder gestreute Licht kann als Sekundärlicht 107 von dem LIDAR-Sensor 100 empfangen werden. Hierzu weist der LIDAR-Sensor 100 eine Empfangseinheit mit einer auf dem Stator 114 angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit 102 auf. Insbesondere wird das Sekundärlicht 107 nach der Reflexion und/oder der Streuung, hier im Beispiel durch das optische Fenster 112 hindurch empfangen und mittels der Spiegeleinheit 103 senkrecht zur Rotationsachse 104 eingekoppelt. Das Sekundärlicht 107 wird in den LIDAR-Sensor 100, insbesondere in einen optischen Pfad der Empfangseinheit eingekoppelt. Das Sekundärlicht 107 bewegt sich entlang des optischen Pfads in Richtung der Einzelphotonendetektoreinheit 102. Der LIDAR-Sensor 100 weist weitere auf dem Stator 114 angeordnete optische und/oder elektronische Elemente 108 und 110 entlang des optischen Pfads der Empfangseinheit auf. Bei den Elementen 110 kann es sich beispielsweise um optische Linsen und/oder optische Filter handeln. Insbesondere kann eines der Elemente 110 ein sehr schmalbandiger optischer Wellenlängenfilter sein. Das Element 108 ist im Beispiel als feststehende Spiegeleinheit zur Umlenkung des Sekundärlicht 107 in Richtung der Einzelphotonendetektoreinheit 102 ausgebildet. Das Sekundärlicht 107 trifft auf die Einzelphotonendetektoreinheit 102. Das Sekundärlicht 107 kann beispielsweise in Form von einem oder mehreren Photonen von der Einzelphotonendetektoreinheit 102 detektiert werden. Die Einzelphotonendetektoreinheit 102 kann hierfür mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweisen, welche gleichzeitig aktivierbar sind. Die Einzelphotonendetektoreinheit 102 ist beispielsweise als SPAD- oder SiPM-Detektoreinheit ausgebildet.
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Um wenigstens ein Einzelphotonendetektionsereignis einem Empfangszeitpunkt zuzuordnen, weist der LIDAR-Sensor weiterhin eine Auswerteeinheit 115 auf. Die Auswerteeinheit 115 kann mit der Einzelphotonendetektoreinheit 102 derart verbunden sein, dass ein oder mehrere Einzelphotonendetektionsereignisse in Form eines Detektionssignals 117 an die Auswerteeinheit 115 gesendet werden. Auswerteeinheit 115 kann außerdem mit der Lasermustererzeugungseinheit 101 derart verbunden sein, dass ein Zeitpunkt der Aussendung von Primärlicht 106 in Form eines Zeitsignals 116 an die Auswerteeinheit 115 gesendet wird. Insbesondere kann ein Zeitpunkt der Aussendung eines Primärlichtpulses in Form des Zeitsignals 116 an die Auswerteeinheit 115 gesendet werden.
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Die Auswerteeinheit 115 kann zusätzlich als Ansteuerungseinheit 115 ausgebildet sein. Hierfür kann die Anstellungseinheit 115 mit der Lasermustererzeugungseinheit 101, mit der Einzelphotonendetektoreinheit 102 und/oder mit dem Rotor der rotierbaren Spiegeleinheit 103 verbunden sein. Im Beispiel der 1 ist dies der Fall. Die Ansteuerungseinheit 115 kann hier an die Lasermustererzeugungseinheit 101 ein Steuersignal 119 zur Ansteuerung der Lasermustererzeugungseinheit 101 senden. Die Ansteuerungseinheit 115 kann weiterhin an die Einzelphotonendetektoreinheit 102 ein Steuerungssignal 120 zur Ansteuerung der Einzelphotonendetektoreinheit 102 senden. Die Ansteuerungseinheit 115 kann weiterhin an den Rotor der rotierbaren Spiegeleinheit 103 ein Steuersignal 121 zur Ansteuerung der Rotation der Spiegeleinheit 103 senden.
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Die Spiegeleinheit 103 in 1 ist als ebene, einteilige Spiegeleinheit 103 mit zwei zur Rotationsachse 104 parallel ausgerichteten Spiegelflächen 122 und 123 ausgebildet.
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2 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors 100. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist sehr ähnlich zum ersten Ausführungsbeispiel, weswegen im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Für alle Komponenten, auf die im Weiteren nicht noch einmal eingegangen wird, gilt das in der Beschreibung der 1 Gesagte. So sind in 2 die Lasermustererzeugungseinheit 101 und die Einzelphotonendetektoreinheit 102 auf dem Stator 114 übereinander angeordnet, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus 1, bei dem die Lasermustererzeugungseinheit 101 und die Einzelphotonendetektoreinheit 102 nebeneinander auf dem Stator 114 angeordnet sind. Außerdem ist im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus 1 die Spiegeleinheit 103 in 2 als ebene, mehrteilige Spiegeleinheit 103 mit zwei zur Rotationsachse 104 parallel ausgerichteten Spiegelflächen 122 und 123 ausgebildet. Die Spiegeleinheit 103 weist hierbei zwei ebene Spiegelelemente 201 und 202 mit jeweils einer Spiegelfläche 122 bzw. 123 auf. Die zwei Spiegelelemente 201 und 202 sind parallel zueinander angeordnet. Die zwei Spiegelelemente 201 und 202 sind hierbei derart angeordnet, dass die zwei Spielflächen 122 und 123 voneinander wegweisen. Zwischen den zwei Spiegelelementen 201 und 202 kann eine elektrische Antriebseinheit angeordnet sein.
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In 3 sind die Beispiele 304, 305 und 306 möglicher Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld eines beispielsweise in 1 und 2 beschriebenen LIDAR-Sensors 100 gezeigt. Jedes der gezeigten Ausleuchtungsmuster 304, 305 und 306 weist eine erste Richtung 302 und eine zweite Richtung 303 auf, wobei die erste Richtung 302 an die zweite Richtung 303 orthogonal zueinander angeordnet sind. Die erste Richtung 302 des Ausleuchtungsmusters kann hierbei einer Richtung des Sichtfelds 301, insbesondere der vertikalen Richtung, entsprechen. Die zweite Richtung 303 des Ausleuchtungsmusters kann hierbei einer Richtung des Sichtfelds 301, insbesondere der horizontalen Richtung, entsprechen. Die Ausdehnung jedes Ausleuchtungsmusters 304, 305 und 306 ist entlang der ersten Richtung 302 größer als eine Ausdehnung jedes Ausleuchtungsmusters 304, 305 und 306 entlang der zweiten Richtung 303. Ausleuchtungsmuster 304 ist als Linie ausgebildet. Für ein solches Ausleuchtungsmuster 304 kann beispielsweise die rotierbaren Spiegeleinheit des LIDAR-Sensors eindimensional ausgebildet sein. Mittels des Ausleuchtungsmuster 304 kann eine hohe Abtastrate und/oder eine redundante Abtastung des Sichtfelds 301 realisiert werden. Das Ausleuchtungsmuster 305 ist als breitere Linie bzw. Rechteck ausgebildet. Bei einem solchen Ausleuchtungsmuster 305 könnte die Einzelphotonendetektoreinheit des LIDAR-Sensors als längliche zweidimensionale Detektoreinheit ausgebildet sein. Zum Beispiel könnte die Einzelphotonendetektoreinheit aus zwei direkt nebeneinander angeordneten eindimensionaler Anordnungen mehrerer Einzelphotonendetektorzellen ausgebildet sein. Das Ausleuchtungsmuster 305 bietet den Vorteil, dass das Sichtfeld 301 schneller, redundanter bzw. statistisch tiefer abgetastet werden kann. Das Ausleuchtungsmuster 306 ist als ein Muster bestehend aus den zwei Rechtecken 306-1 und 306-2 ausgebildet. Das Ausleuchtungsmuster 306 kann auch als eine vertikale Linie mit Hochkontrastlücken bezeichnet werden. Mittels des Ausleuchtungsmuster 306 kann eine verbesserte Trendfähigkeit auf der Einzelphotonendetektoreinheit des LIDAR-Sensors erreicht werden. Zudem ist das Ausleuchtungsmuster 306 für die Augensicherheit von Vorteil.
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4 zeigt als ein Ausführungsbeispiel das Verfahren 400 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines oben beschriebenen LIDAR-Sensors. Das Verfahren startet im Schritt 401. Im Schritt 402 kommt es zur Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit einer Sendeeinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld erzeugt, und wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. Im Schritt 403 kommt es zum Auskoppeln des Primärlichts mittels wenigstens einer um eine Rotationsachse rotierbaren und auf einem Rotor angeordneten Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist, und wobei das Auskoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. Im Schritt 404 kommt es zum Einkoppeln von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde mittels der Spiegeleinheit, wobei das Einkoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. Im Schritt 405 kommt es zum Empfangen des Sekundärlichts mittels wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit einer Empfangseinheit. Das Verfahren 400 endet im Schritt 406.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016219955 A1 [0002]
