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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Erfassen eines Sichtfeldes und ein Verfahren zur Erfassung eines Sichtfeldes.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2017 115 710 A1 offenbart eine LIDAR-Anordnung mit einem Laser-Sender zum Senden von Pulsen einer Laserstrahlung auf ein Messobjekt und einem Empfänger zum Empfangen von von dem Messobjekt rückgestreuter Pulse der Laserstrahlung, wobei der Laser-Sender zum Senden einer Pulsfolge, bei denen aufeinanderfolgende Pulse jeweils eine bestimmte optische Frequenzverschiebung zueinander aufweisen, ausgebildet ist, und wobei der Empfänger ein dispersives Element zum räumlichen Aufteilen der Pulse je nach optischer Frequenz durch frequenzabhängige Ablenkung und einen ortsauflösenden optischen Matrix-Sensor aufweist, auf dem die durch das dispersive Element räumlich aufgeteilten Pulse abgebildet werden.
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Bekannt ist zudem aus
US 2016/0240579 A1 eine kombinierte SPAD/RGB (engl. single photon avalanche diode) Sensorik mit separaten Detektoren, wo eine „farbensehende“ Sensorik vorgeschlagen wird, bei der RGB-Pixel mit SPAD-Pixeln zu einer Einheit verbunden sind. Dabei werden die RGB-Pixel und SPAD-Pixel einzeln und separat ausgelesen und die Daten erst im Nachgang im Rahmen einer Signalverarbeitung kombiniert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem optischen Sensor zum Erfassen eines Sichtfeldes. Der optische Sensor umfasst eine Sendeeinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abstandsmessstrahlung in das Sichtfeld auszusenden; und eine Empfangseinheit, welche dazu ausgebildet ist, Abstandsmessstrahlung, welche im Sichtfeld reflektiert und/oder gestreut wurde, zu empfangen und zu detektieren. Hierbei weist die Empfangseinheit ein dispersives Element zum spektralen Aufteilen von empfangener Strahlung auf. Weiterhin weist die Empfangseinheit einen Detektor auf, der dazu ausgebildet ist, die durch das dispersive Element spektral aufgeteilte Strahlung zu detektieren.
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Erfindungsgemäß ist die Empfangseinheit weiterhin dazu ausgebildet, Umgebungsstrahlung zeitlich synchron zur Abstandsmessstrahlung zu empfangen und zu detektieren. Weiterhin umfasst der optische Sensor eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, die zeitlich synchron detektierte Abstandsmessstrahlung und Umgebungsstrahlung zu einem Tiefenbild zusammenzusetzen.
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Die Sendeeinheit umfasst hierbei insbesondere eine Lasereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Abstandsmessstrahlung auszusenden. Die Lasereinheit kann dazu ausgebildet sein, monochromatische Abstandsmessstrahlung auszusenden. Die ausgesendete Abstandsmessstrahlung kann zum Beispiel Strahlung mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich sein. Die Lasereinheit kann dazu ausgebildet sein, Abstandsmessstrahlung als gebündelten Laserstrahl auszusenden. Alternativ kann die Lasereinheit dazu ausgebildet sein, die Abstandsmessstrahlung zum Beispiel in der Form einer Linie oder als ein Muster auszusenden. Hierdurch ist im gleichen Zeitraum im Vergleich zur Aussendung eines gebündelten Laserstrahls eine Ausleuchtung eines größeren Bereichs des Sichtfelds möglich.
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Die Empfangseinheit kann derart verstanden werden, dass sie ausgebildet ist, eine Mischung aus Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen zu empfangen. Die Empfangseinheit kann derart verstanden werden, dass sie ausgebildet ist, Abstandsmessstrahlung, welche im Sichtfeld reflektiert und/oder gestreut wurde, und Umgebungsstrahlung zu empfangen. Empfangene Strahlung kann somit als empfangene Abstandsmessstrahlung und empfangene Umgebungsstrahlung verstanden werden. Die empfangene Abstandsmessstrahlung kann hierbei eine Wellenlänge aufweisen, die einer Wellenlänge der ausgesendeten Abstandsmessstrahlung entspricht. Umgebungsstrahlung kann auch als Umgebungslicht bezeichnet werden. Umgebungsstrahlung ist insbesondere eine Mischung aus Strahlung verschiedener Wellenlängen. Die empfangene Umgebungsstrahlung kann hierbei Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Spektrums oder im Infrarotbereich sein, oder eine Mischung aus Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Spektrums und des Infrarotbereichs.
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Das dispersive Element ist beispielsweise als ein Prisma, ein optisches Gitter, ein holographisches optisches Element (HOE), ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet. Das dispersive Element kann aus wenigstens einem Metamaterial ausgebildet sein. Insbesondere ein Prisma stellt hierbei eine kostengünstige Variante dar. Das dispersive Element ist insbesondere dazu ausgebildet, empfangene Abstandsmessstrahlung und empfangene Umgebungsstrahlung spektral aufzuteilen. Das dispersive Element ist insbesondere dazu ausgebildet, empfangene Abstandsmessstrahlung und Umgebungsstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen spektral aufzuteilen und räumlich getrennt auf den Detektor abzubilden.
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Durch das eine dispersive Element können viele, einzelne Farbkanäle unterschieden werden. Es ist keine Begrenzung zum Beispiel auf RGB (Rot, Grün, Blau) notwendig.
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Die von der Empfangseinheit empfangene und von dem dispersiven Element spektral aufgeteilte Strahlung kann von dem Detektor detektiert werden. Der Detektor ist somit insbesondere dazu ausgebildet, die empfangene Abstandsmessstrahlung und die empfangene Umgebungsstrahlung zu detektieren. Das dispersive Element bewirkt hierbei insbesondere, dass die empfangene Strahlung auf unterschiedliche Bereiche des Detektors abgebildet wird. Insbesondere kann die empfangene Abstandsmessstrahlung auf einen ersten Bereich des Detektors und die empfangene Umgebungsstrahlung auf einen zweiten Bereich des Detektors abgebildet werden. Der zweite Bereich des Detektors kann weiterhin in Unterbereiche aufgeteilt sein, wobei spektral aufgeteilte Umgebungsstrahlung in Abhängigkeit der spektralen Aufteilung auf verschiedene Unterbereiche abgeildet werden kann. Der Detektor kann als Zeilendetektor ausgebildet sein, zum Beispiel, wenn die Sendeeinheit einen gebündelten Laserstrahl aussendet. Der Detektor kann alternativ als Flächendetektor ausgebildet sein, zum Beispiel wenn die Sendeeinheit Abstandsmessstrahlung in der Form einer Linie oder als ein Muster aussendet. Der Detektor kann derart ausgebildet sein, dass innerhalb der Zeile des Zeilendetektors bzw. innerhalb einer Zeile des Flächendetektors eine Wellenlänge der detektierbaren empfangenen Strahlung von einer Seite zur anderen Seite der Zeile abnimmt. Das dispersive Element kann dazu ausgebildet sein, empfangene Strahlung spektral aufzuteilen und derart auf eine Zeile des Zeilendetektors bzw. derart auf eine Zeile des Flächendetektors abzubilden, dass eine Wellenlänge der abgebildeten Strahlung von einer Seite zur anderen Seite der Zeile abnimmt.
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Das mittels der Auswerteeinheit zusammengesetzte Tiefenbild kann auch als dreidimensionale Bildinformation aufgefasst werden. Das Tiefenbild weist insbesondere Bildinformationen und Abstandsinformationen auf. Anders ausgedrückt entsteht eine 3D-Punktewolke als Tiefenbild mit kombinierter Farbinformation der Umgebung.
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Durch die vorliegende Erfindung wird ein optischer Sensor vorgestellt, bei dem ein LIDAR-Sensor und eine Kamera in einem Gerät, sozusagen als 2-in-1-Umweltsensor, vereint sind. Der beschriebene optische Sensor kann zum Beispiel in Fahrzeugen zum Realisieren von automatisierten bzw. autonomen Fahren eingesetzt werden. Er stellt hierbei eine günstigere Variante im Vergleich zum Einsatz eines separaten LIDAR-Sensors und einer separaten Kamera dar. Es kann empfangene Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen detektiert werden ohne den Bedarf einer zusätzlichen, breitbandigen Sendeeinheit. Zudem kann im Vergleich zu zwei Sensoren oder zwei Empfangspfaden die Baugröße des optischen Sensors deutlich verringert werden. Es entstehen geringere Kosten und eine Justage bzw. Kalibrierung einer in einem Fahrzeug angebrachten einzelnen Kamera zu einem in demselben Fahrzeug angebrachten einzelnen LIDAR-Sensor entfällt. Anders ausgedrückt wird ein „farbensehender“ LIDAR-Sensor realisiert, bei dem eine Intensität der empfangenen Strahlung in mehreren Farbkanälen aufgelöst wird. Durch die spektrale Aufteilung der Abstandsmessstrahlung und der Umgebungsstrahlung können zusätzliche Objekteigenschaften erfasst werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht unter anderem darin, dass für den Empfang der Abstandsmessstrahlung und der Umgebungsstrahlung der gleiche optische Pfad verwendet werden kann. Die Detektion der Abstandsmessstrahlung und der Umgebungsstrahlung auf den Detektor findet zeitgleich statt. Hierdurch ist ein zeitsynchrones Zusammensetzen eines Tiefenbildes mit Bildinformation und Abstandsinformation in einem Schritt möglich. Eine Synchronisation der detektierten Abstandsmessstrahlung und der detektierten Umgebungsstrahlung durch einen Zeitgeber entfällt. Die Aufnahme eines Tiefenbildes kann somit wesentlich schneller erfolgen, als wenn Intensitäts- und Farbpixel einzeln und separat ausgelesen werden müssten. Die zeitsynchronen, zusätzlichen Farbinformationen zur 3D-Punktewolke können Algorithmen für die Objektdetektion (zum Beispiel basierend auf deep learning) verbessern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Detektor wenigstens einen ersten Einzeldetektor umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Abstandsmessstrahlung zu detektieren, und wenigstens einen zweiten Einzeldetektor, der dazu ausgebildet ist, die Umgebungsstrahlung zu detektieren. Mit anderen Worten umfasst der Detektor wenigstens zwei Kategorien von Einzeldetektoren. Insbesondere ist die erste Kategorie dazu ausgebildet, Abstandsmessstrahlung zu detektieren und die zweite Kategorie ist insbesondere dazu ausgebildet, Umgebungsstrahlung zu detektieren. Der erste Bereich des Detektors kann somit wenigstens einen ersten Einzeldetektor umfassen, der dazu ausgebildet ist, die Abstandsmessstrahlung zu detektieren. Der zweite Bereich des Detektors kann somit wenigstens einen zweiten Einzeldetektor umfassen, der dazu ausgebildet ist, die Umgebungsstrahlung zu detektieren. Der wenigstens eine erste Einzeldetektor ist insbesondere dazu ausgebildet, Abstandsmessstrahlung mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich, zum Beispiel im nahen oder im mittleren Infrarotbereich zu detektieren. Der wenigstens eine zweite Einzeldetektor ist insbesondere dazu ausgebildet, Umgebungsstrahlung mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Spektrums oder im nahen Infrarotbereich zu detektieren. Der Detektor kann hierbei auch mehrere erste Einzeldetektoren und/oder mehrere zweite Einzeldetektoren aufweisen. Insbesondere kann der zweite Bereich des Detektors in Unterbereiche aufgeteilt sein, wobei jeder Unterbereich wenigstens einen zweiten Einzeldetektor umfasst. Hierbei kann jeder Unterbereich dazu ausgebildet sein, Umgebungsstrahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu detektieren. Insbesondere ist der Detektor derart ausgebildet, dass benachbart zu einem ersten Einzeldetektor mehrere zweite Einzeldetektoren in einer Zeile angeordnet sind. Hierbei kann der direkt zum ersten Einzeldetektor angeordnete zweite Einzeldetektor ausgebildet sein, Umgebungsstrahlung mit der höchsten Wellenlänge und der am weitesten vom ersten Einzeldetektor angeordnete zweite Einzeldetektor ausgebildet sein, Umgebungsstrahlung mit der niedrigsten Wellenlänge zu detektieren. Insbesondere können ein erster Einzeldetektor und mehrere zweite Einzeldetektoren derart in einer Zeile angeordnet sein, dass innerhalb einer Zeile eine Wellenlänge der detektierbaren, empfangenen Strahlung von einer Seite zur anderen Seite der Zeile abnimmt. Das dispersive Element kann dazu ausgebildet sein, empfangene Strahlung spektral aufzuteilen und derart auf eine solche Zeile abzubilden, dass eine Wellenlänge der abgebildeten Strahlung von einer Seite zur anderen Seite der Zeile abnimmt.
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Der wenigstens eine erste Einzeldetektor und der wenigstens eine zweite Einzeldetektor können in einem integrierten Detektor umfasst sein. Ein solcher integrierter Detektor kann auf einer durchgängigen Detektortechnologie basieren. Der Detektor kann als Halbleiterdetektor, zum Beispiel aus GaAs/InP oder aus Silizium mit GaAs/InP, ausgebildet sein. Alternativ können der wenigstens eine erste Einzeldetektor und der wenigstens eine zweite Einzeldetektor räumlich direkt nebeneinander angeordnet sein. Der wenigstens eine erste Einzeldetektor der wenigstens eine zweite Einzeldetektor können hierbei auf verschiedenen Detektortechnologien basieren.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine Auflösung der Bildinformation und Abstandsinformation sehr einfach, aber auch sehr präzise möglich ist. Es wird ein multispektraler Detektor zur Verfügung gestellt. Insbesondere als integrierter Detektor kann dieser sehr kostengünstig hergestellt werden. Bei Verwendung von direkt nebeneinander angeordneten Einzeldetektoren, basierend beispielsweise auf verschiedenen Detektortechnologien, können verschiedene Anforderungen an den wenigstens einen ersten Einzeldetektor und an den wenigstens einen zweiten Einzeldetektor besser berücksichtigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Einzeldetektor als SPAD-Diode oder als APD ausgebildet ist; und wobei der zweite Einzeldetektor als SPAD-Diode, oder als Photodiode, PIN-Diode, APD, CCD-Diode, SiPM, PMT oder CMOS-Diode ausgebildet ist. SPAD steht hierbei für Englisch „Single-photon Avalanche Diode“, PIN-Diode für Englisch „Positive Intrinsic Negative Diode“, APD für „Avalanche-Photodiode“, CCD für „Charge-Coupled Device“, SiPM für „Silizium Photomultiplier“, PMT für „Photomultiplier tube“ und CMOS für „Complementary Metal-Oxide-Semiconductor“.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass für die Erfassung von Abstandsinformationen sehr sensitive Dioden als erste Einzeldetektoren genutzt werden können. Diese sehr sensitiven Dioden werden um die Erfassung von Farbinformationen der Umgebung mittels der zweiten Einzeldetektoren erweitert. Sind hierbei die zweiten Einzeldetektoren als Photodiode, PIN-Diode, APD, CCD oder CMOS-Diode ausgebildet, kann der Detektor kostengünstig gehalten werden. Sind die zweiten Einzeldetektoren auch als SPAD-Dioden ausgebildet, kann auch zur Erfassung der Farbinformationen die hohe Sensitivität dieser Dioden ausgenutzt werden. Hier kann zum Beispiel auch Umgebungsstrahlung mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts anhand einer Einzelphotonenzählung erfasst werden. Es ist möglich, je nach Anforderung an den Detektor bzgl. einer Auflösung oder Dämpfung unterschiedliche Kombinationen an Einzeldetektoren zu nutzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Empfangseinheit weiterhin mehrere Wellenlängenfilter aufweist, welche in einem Strahlengang der Empfangseinheit zwischen dem dispersiven Element und dem Detektor angeordnet sind und die jeweils dazu ausgebildet sind, die spektral aufgeteilte Strahlung in Abhängigkeit einer Filtereigenschaft eines jeweiligen Wellenlängenfilters spektral zu filtern. Insbesondere sind mehrere Wellenlängenfilter derart in einer Zeile angeordnet, dass innerhalb dieser Zeile eine Wellenlänge der durchgelassenen Strahlung von einer Seite zur anderen Seite der Zeile abnimmt. Hierbei können die Filtereigenschaften der Wellenlängenfilter beispielsweise auch derart ausgebildet sein, dass Strahlung einer für die Gesamtfunktionalität des optischen Sensors vorteilhaften Wellenlängenzusammensetzung durchgelassen wird. Die Filtereigenschaften der Wellenlängenfilter können beispielsweise derart ausgebildet sein, dass insbesondere Strahlung im grünen Spektrum durchgelassen wird. Die Filtereigenschaften der Wellenlängenfilter können beispielsweise derart ausgebildet sein, dass insbesondere Infrarotstrahlung durchgelassen wird.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das spektrale Aufteilen unterstützt wird. Mögliche Streulichteffekte und damit optisches Übersprechen zwischen den Bereichen oder auch zwischen den Unterbereichen des Detektors bzw. zwischen in einer Zeile angeordneten Einzeldetektoren kann besser vermieden werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung der sehr sensitiven SPAD-Dioden. So kann beispielsweise mittels des dispersiven Elements eine erste, grobe Wellenlängenaufteilung (zum Beispiel 100 nm Breite) erreicht werden und durch die Wellenlängenfilter eine zweite, feinere Wellenlängenaufteilung (zum Beispiel 10 oder 20 nm).
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das dispersive Element um eine Drehachse rotierbar ausgebildet ist. Hierdurch kann es möglich sein, das dispersive Element in wenigstens zwei verschiedenen Rotationspostitionen in einem Strahlengang der Empfanseinheit anzuordnen. So kann beispielsweise in einer ersten Rotationsposition des dispersiven Elements eine spektrale Aufteilung der empfangenen Strahlung in Infrarot-Anteile und Anteile im sichtbaren Bereich des Spektrums erfolgen. In einer zweiten Rotationsposition kann hingegen zum Beispiel eine spektrale Aufteilung der empfangenen Strahlung in Anteile im nahen und in Anteile im mittleren bis fernen Infrarot erfolgen.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das spektrale Aufteilen von empfangener Strahlung adaptiv angepasst werden kann. Mittels einer Steuereinheit kann beispielsweise das dispersive Element derart angesteuert werden, dass es in einer der wenigstens zwei verschiedenen Rotationspositionen angeordnet ist. Hierdurch kann der optische Sensor zum Beispiel auch nach einem Einsatz in einem Fahrzeug noch für verschiedene Anforderungen anpassbar sein. Alternativ kann das Anpassen auch in einem Produktionsprozess des optischen Sensors erfolgen. Dies ermöglicht die einfache Produktion optischer Sensoren mit verschiedenen Wellenlängenempfindlichkeiten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Sensor weiterhin eine Ablenkeinheit zur Ablenkung der ausgesendeten Abstandsmessstrahlung unter einem vorgebbaren Winkel in das Sichtfeld und zur Ablenkung der empfangenen Strahlung in Richtung des Detektors umfasst. Das Sichtfeld kann hierdurch mit einem gebündelten Laserstrahl oder mit einer Linie oder als Muster ausgebildeter Abstandsmessstrahlung abgetastet werden.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass größere Bereich des Sichtfeldes erfasst werden können.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zum Erfassen eines Sichtfeldes mittels eines optischen Sensors. Das Verfahren umfasst die Schritte der Aussendung von Abstandsmessstrahlung in das Sichtfeld mittels einer Sendeeinheit; des Empfangens von Abstandsmessstrahlung, welche im Sichtfeld reflektiert und/oder gestreut wurde, mittels einer Empfangseinheit und des Detektierens der empfangenen Abstandsmessstrahlung mittels eines Detektors der Empfangseinheit.
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Erfindungsgemäß weist das Verfahren die weiteren Schritte des Empfangens von Umgebungsstrahlung mittels der Empfangseinheit, zeitlich synchron zur Abstandsmessstrahlung; des spektralen Aufteilens von empfangener Abstandsmessstrahlung und empfangener Umgebungsstrahlung mittels eines dispersiven Elements; des Detektierens der Umgebungsstrahlung mittels des Detektors zeitlich synchron zur Abstandsmessstrahlung; und des Zusammensetzens der zeitlich synchron detektierten Abstandsmessstrahlung und Umgebungsstrahlung mittels einer Auswerteeinheit des optischen Sensors zu einem Tiefenbild; auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren den weiteren Schritt der Rotation des dispersiven Elements um eine Drehachse umfasst. Hierdurch kann das dispersive Element in eine von wenigstens zwei verschiedenen Rotationspostitionen in einem Strahlengang der Empfanseinheit gedreht werden.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem maschinenlesbaren Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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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 Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors zum Erfassen eines Sichtfeldes;
- 2 Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit eines optischen Sensors;
- 3: Filtereigenschaften von Wellenlängenfiltern einer Empfangseinheit eines optischen Sensors;
- 4: Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Erfassen eines Sichtfeldes mittels eines optischen Sensors.
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1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 100 zum Erfassen eines Sichtfeldes 105. Der hier gezeigte optische Sensor 100 umfasst die Sendeeinheit 101, welche dazu ausgebildet ist, Abstandsmessstrahlung 104 in das Sichtfeld 105 auszusenden. Weiterhin umfasst der optische Sensor 100 die Empfangseinheit 102, welche dazu ausgebildet ist, Abstandsmessstrahlung 108, welche im Sichtfeld 105 reflektiert und/oder gestreut wurde, zu empfangen und zu detektieren. Die Empfangseinheit 102 weist das dispersive Element 113 zum spektralen Aufteilen von empfangener Strahlung 108, 109 auf. Die Empfangseinheit 102 weist außerdem den Detektor 110 auf, der dazu ausgebildet ist, die durch das dispersive Element 113 spektral aufgeteilte Strahlung 108, 109 zu detektieren. Empfangseinheit 102 ist weiterhin dazu ausgebildet, Umgebungsstrahlung 109 zeitlich synchron zur Abstandsmessstrahlung 108 zu empfangen und zu detektieren. Empfangene Strahlung kann somit als empfangene Abstandsmessstrahlung 108 und empfangene Umgebungsstrahlung 109 verstanden werden. Weiterhin umfasst der optische Sensor 100 eine Auswerteeinheit 117 welche dazu ausgebildet ist, die zeitlich synchron detektierte Abstandsmessstrahlung 108 und Umgebungsstrahlung 109 zu einem Tiefenbild zusammenzusetzen.
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Wie in 1 erkennbar, kann die Sendeeinheit 101 zur Aussendung von Abstandsmessstrahlung 104 die Lasereinheit 103 aufweisen. Die Sendeeinheit 101 kann außerdem die Sendeoptik 120 aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die Abstandsmessstrahlung 104 vor dem Aussenden in das Sichtfeld zu formen und/oder umzulenken. Weiterhin können die Sendeeinheit 101 und die Empfangseinheit 102 eine gemeinsame Optik 114 aufweisen. Die gemeinsame Optik 114 kann beispielsweise die Ablenkeinheit 116 zur Ablenkung der ausgesendeten Abstandsmessstrahlung 104 unter einem vorgebaren Winkel in das Sichtfeld 105 aufweisen. Die Ablenkeinheit 116 kann mit anderen Worten dazu ausgebildet sein, ein Abtasten des Sichtfelds 105 mittels der ausgesendeten Abstandsmessstrahlung 104 zu bewirken. Hierdurch kann beispielsweise eine Szene 106 mit einem Objekt 107 im Sichtfeld 105 mittels der Abstandsmessstrahlung 104 abgetastet werden. Die gemeinsame Optik 114 kann weiterhin die Aperturoptik 115 aufweisen, durch welche die ausgesendete Abstandsmessstrahlung 104 den optischen Sensor 100 verlässt. An dem Objekt 107 reflektierte und/oder gestreute Abstandsmessstrahlung 108 kann anschließend von der Empfangseinheit 102 des optischen Sensors 100 erfasst werden.
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Die Abstandsmessstrahlung 108 kann wiederum über die Aperturoptik 115 in den optischen Sensor 100 gelangen und mittels der Ablenkeinheit 116 in Richtung des Detektors 110 abgelenkt werden. Wie bereits oben beschrieben gelangt außerdem Umgebungsstrahlung 109 über die Aperturoptik 115 in den optischen Sensor 100 und wird ebenfalls mittels der Ablenkeinheit 116 in Richtung des Detektors 110 abgelenkt. Der Detektor 110 weist im gezeigten Beispiel die ersten Einzeldetektoren 111 und die zweiten Einzeldetektoren 112 auf. Zusätzlich umfasst die Empfangseinheit 102 im hier gezeigten Beispiel die Empfangsoptik 121, welche die empfangene Strahlung 108, 109 formen und/oder umlenken kann, und die Wellenlängenfilter 122. Weitere Details und mögliche Ausgestaltungen der Empfangseinheit 102 werden bei der 2 näher beschrieben.
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Die Auswerteeinheit 117 kann über die Steuerleitung 118 mit der Sendeeinheit 101 verbunden sein. Insbesondere kann eine Verbindung zur Lasereinheit 103 vorhanden sein. Hierdurch können beispielsweise Informationen zur ausgesendeten Abstandsmessstrahlung 104 von der Sendeeinheit 101 über die Steuerleitung 118 an die Auswerteeinheit 117 übermittelt werden. Die Auswerteeinheit 117 kann außerdem über die Steuerleitung 119 mit der Empfangseinheit 102 verbunden sein. Insbesondere kann eine Verbindung zum Detektor 110 vorhanden sein. Hierdurch können Informationen zur detektierten Abstandsmessstrahlung 108 und zur detektierten Umgebungsstrahlung 109 an die Auswerteeinheit 117 übermittelt werden.
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2 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit 102 eines optischen Sensors 100, wie er zum Beispiel in 1 gezeigt wurde. Im gezeigten Beispiel ist die vom optischen Sensor 100 ausgesendete Abstandsmessstrahlung 104 in der Form einer Linie ausgebildet. Entsprechend ist auch die empfangene Abstandsmessstrahlung 108 beispielhaft als Parallelogramm dargestellt. Ebenso ist die empfangene Umgebungsstrahlung 109 als Parallelogramm dargestellt. Die Parallelogramme sollen den zeitlichen Verlauf einer Laserlinie bzw. einer Bildspalte der passiven Umgebungsstrahlung darstellen. Die Pfeile 201 symbolisieren den optischen Pfad entlang dem die empfangene Strahlung 108, 109 zum Detektor 110 gelangt. Entlang des optischen Pfades 201 hinter einem hier nicht gezeigten Objektiv, jedoch vor den Detektor 107 ist das Prisma 113 angeordnet. Das Prisma als dispersives Element 113 ist dazu ausgebildet, die empfangene Strahlung 108, 109 spektral in die Anteile 203-A, 203-B, 203-C und 203-D aufzuteilen. Die empfangene Strahlung 108, 109 kann zum Beispiel aus Infrarotanteilen und sichtbaren Anteilen besteht. Die Wellenlänge der empfangenen Abstandsmessstrahlung 108 weist hierbei insbesondere die gleiche Wellenlänge wie die von der Sendeeinheit 101 ausgesendete Abstandsmessstrahlung 104 auf. Die Wellenlänge der empfangenen Abstandsmessstrahlung 108 kann beispielsweise im Infrarotbereich liegen. Die empfangene Umgebungsstrahlung 109 kann beispielsweise eine Mischung aus Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen im sichtbaren Bereich sein. Aber auch die Detektion empfangener Strahlung anderer Wellenlängenbereiche ist denkbar. Beeinflusst werden kann die Wellenlänge der letztlich mittels des Detektors detektierten Strahlung zum Beispiel zusätzlich durch hier nicht gezeigte Wellenlängenfilter, welche im Strahlengang der Empfangseinheit 102 zwischen dem dispersiven Element 113 und dem Detektor 110 angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können Wellenlängenbereiche von auf dem Detektor auftreffender Strahlung 203-A bis 203-D auch dadurch angepasst werden, dass das Prisma 113 um eine Drehachse 202 rotierbar ausgebildet ist. So kann je nach Rotationsposition des Prismas 113 spektral aufgeteilte Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche auf den Detektor 110, insbesondere auf Bereiche bzw. Unterbereiche Detektors 110, abgebildet werden.
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Der hier beispielhaft gezeigte Detektor 110 weist eine Spalte mit vier ersten Einzeldetektoren 111, eine Spalte mit vier zweiten Einzeldetektoren 112-1, eine Spalte mit vier zweiten Einzeldetektoren 112-2 und eine Spalte mit vier zweiten Einzeldetektoren 112-3 auf. Hierbei sind jeweils ein erster Einzeldetektor 111, ein zweiter Einzeldetektor 112-1, ein zweiter Einzeldetektor 112-2 und ein zweiter Einzeldetektor 112-3 in einer Zeile angeordnet. Der Detektor 110 ist im hier gezeigten Beispiel somit als Flächendetektor mit vier Zeilen und vier Spalten ausgebildet. Die Anzahl der Zeilen und Spalten ist hierbei rein beispielhaft und kann in anderen optischen Sensoren 100 auch andere Werte aufweisen. In einer Variante des optischen Sensors 100, bei dem die Sendeeinheit Abstandsmessstrahlung 104 als einen gebündelten Laserstrahl aussendet, kann der Detektor 110 auch als Zeilendetektor ausgebildet sein. Ein solcher Zeilendetektor könnte beispielsweise einen ersten Einzeldetektor 111 und entlang einer Zeile einen ersten zweiten Einzeldetektor 112-1 und entlang der Zeile gegebenenfalls weitere zweite Einzeldetektoren 112-2 bis 112-x aufweisen.
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Die von dem Prisma 113 spektrale aufgeteilte Strahlung 203-A bis 203-D wird räumlich auf unterschiedliche Bereiche des Flächendetektors 110 abgebildet. So kann beispielsweise die Strahlung 203-A der empfangenen Abstandsmessstrahlung 108 entsprechen. Die Strahlung 203-A kann auf einen ersten Bereich des Flächendetektors 110, welcher die ersten Einzeldetektoren 111 umfasst, abgebildet werden. Die Strahlung 203-B bis 203-D kann der spektral aufgeteilten Umgebungsstrahlung 109 entsprechen. Die Strahlung 203-B bis 203-D kann auf einen zweiten Bereich des Detektors 110, welcher die zweiten Einzeldetektoren 112-1 bis 112-3 umfasst, abgebildet werden. Darüber hinaus kann die Spalte der zweiten Einzeldetektoren 112-1 als ein erster Unterbereich des zweiten Bereichs des Detektors 110 aufgefasst werden. Auf diesen ersten Unterbereich wird im hier gezeigten Beispiel der Anteil 203-B der spektral aufgeteilten Umgebungsstrahlung 109 abgebildet. Entsprechendes gilt für den Anteil 203-C, welcher auf einen durch die Spalte der zweiten Einzeldetektoren 112-2 ausgebildeten Unterbereich des Detektors 110 abgebildet wird. Und entsprechendes gilt auch für den Anteil 203-D, welcher auf einen durch die Spalte der zweiten Einzeldetektoren 112-3 ausgebildeten Unterbereich des Detektors 110 abgebildet wird. Das dispersive Element 113 kann im hier gezeigten Beispiel dazu ausgebildet sein, empfangene und spektral aufgeteilte Strahlung 203-A bis 203-D derart auf eine Zeile des Flächendetektors 110 abzubilden, dass eine Wellenlänge der abgebildeten Strahlung 203-A bis 203-D von einer Seite (hier zum Beispiel der linken Seite des gezeigten Detektors 110) zur anderen Seite der Zeile (hier zum Beispiel der linken Seite des gezeigten Detektors 110) abnimmt.
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Mittels der in 1 bzw. 2 beschriebenen Empfangseinheit 102 bzw. mittels des Detektors 110 kann empfangene Abstandsmessstrahlung 108 und empfangene Umgebungsstrahlung 109 zeitlich synchron detektiert werden. Hierdurch kann mittels der Auswerteeinheit 117 sehr schnell und einfach ein Tiefenbild sowohl mit Abstandsinformationen als auch mit Bildinformationen zusammengesetzt werden.
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Wie bereits beschrieben, kann ein hier vorgestellter optischer Sensor 100 Wellenlängenfilter 122 im Strahlengang der Empfangseinheit 102 aufweisen, welche zwischen dem dispersiven Element 113 und dem Detektor 110 angeordnet sind. 3 zeigt beispielhaft Filtereigenschaften solcher Wellenlängenfilter 122. Aufgetragen im Diagramm ist die relative Sensitivität 301 über der Wellenlänge 302 für drei Wellenlängenfilter 303, 304 und 305. Hierbei sind die Filtereigenschaften des Wellenlängenfilters 303 derart, dass der Wellenlängenfilter 303 durchlässig für Strahlung im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums ist. Die Filtereigenschaften des Wellenlängenfilters 304 sind derart, dass der Wellenlängenfilter 304 durchlässig für Strahlung im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums ist. Der Wellenlängenfilter 305 ist als ein Infrarot-Kanten Filter ausgebildet, der für Strahlung mit einer Wellenlänge insbesondere über 650 nm durchlässig ist. Derartige Wellenlängenfilter im Empfangsstrahlengang eines hier vorgestellten optischen Sensors 100 können das spektrale Aufteilen der empfangenen Strahlung unterstützen und mögliche Streulichteffekte und optisches Übersprechen zwischen den Bereichen bzw. Unterbereichen des Detektors 110 vermeiden helfen.
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4 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 400 zum Erfassen eines Sichtfeldes mittels eines optischen Sensors. Der optische Sensor kann hierbei ein wie in der 1 beschriebener optischer Sensor 100 sein. Verfahren 400 startet im Schritt 401. Im Schritt 402 kommt es zur Aussendung von Abstandsmessstrahlung in das Sichtfeld des optischen Sensors mittels einer Sendeeinheit. Im Schritt 403 kommt es zum Empfangen von Abstandsmessstrahlung, welche im Sichtfeld reflektiert und/oder gestreut wurde, mittels einer Empfangseinheit. Zeitlich synchron dazu kommt es im Schritt 404 zum Empfangen von Umgebungsstrahlung mittels der Empfangseinheit. Die empfangene Abstandsmessstrahlung und die empfangene Umgebungsstrahlung werden im Schritt 406 mittels eines dispersiven Elements spektral aufgeteilt. Im Schritt 407 kommt es zum Detektieren der empfangenen Abstandsmessstrahlung mittels eines Detektors der Empfangseinheit. Zeitlich synchron dazu kommt es im Schritt 408 zum Detektieren der Umgebungsstrahlung mittels des Detektors. Im Schritt 409 kommt es zum Zusammensetzen der zeitlich synchron detektierten Abstandsmessstrahlung und Umgebungsstrahlung mittels einer Auswerteeinheit des optischen Sensors zu einem Tiefenbild. Das Verfahren 400 endet im Schritt 410.
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Das Verfahren 400 kann weiterhin den Schritt 405 umfassen, bei dem es zu einer Rotation des dispersiven Elements um eine Drehachse kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017115710 A1 [0002]
- US 2016/0240579 A1 [0003]
