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Hintergrund
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Light Detection and Ranging (LIDAR) ist ein Fernerfassungsverfahren zum Bestimmen von Entfernungen (variablen Entfernungen) durch Anvisieren eines Objekts mit Licht (z.B. Laserlicht) und Messen der Zeit, die das reflektierte Licht benötigt, um zu einem Empfänger zurückzukehren. Scannende LIDAR-Sensoren tasten ihre Umgebung ab, indem sie die Umgebung mit einem kollimierten Laserstrahl und einem Scansubsystem mit Spiegeln oder Prismen sequentiell scannen. Der Vorteil einer Verwendung von Licht, das in einem kleinen Winkel kollimiert ist, besteht darin, dass die Reichweite im Vergleich zu Ansätzen, die die gesamte Szene auf einmal durchleuchten (so genanntes Flash-LIDAR), erheblich größer ist. Der Nachteil ist, dass das Scannen der Szene zusätzliche Zeit erfordert, insbesondere wenn sich das Sichtfeld sowohl horizontal als auch vertikal erstreckt. Die Scanzeit hängt vom horizontalen und vertikalen Sichtfeld sowie von der horizontalen und vertikalen Auflösung und der Reichweite ab. Die Scanzeit bestimmt die maximale Anzahl von Einzelbildern (Frames) (vollen Scans), die pro Sekunde gesammelt werden können.
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Um das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Reichweite zu verbessern, ist es außerdem sinnvoll, dass auch der Empfänger dasselbe Scansubsystem nutzt. Der Empfänger „schaut“ dann im Wesentlichen in dieselbe Richtung, aus der das Licht in die Szene gesendet wurde. Eine solche Anordnung erfordert jedoch große Scansubsysteme, um eine ausreichend große Öffnung (Apertur) für den Empfänger zu realisieren. Dies schließt typischerweise die Verwendung von kleinen sogenannten MEMS (Microelectromechanical System)-Spiegeln für ein solches System aus.
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Um ein gewünschtes horizontales und vertikales Sichtfeld, eine horizontale und vertikale Auflösung, einen Scanbereich, und eine Einzelbildrate zu erreichen, wird daher eine verbesserte Vorrichtung bereitgestellt, die einen makroskopischen Polygonspiegel oder ein makroskopisches Prisma und einen MEMS-Spiegel aufweist, die so angeordnet sind, dass ein horizontales und vertikales Laserscanmuster implementiert wird und dass der makroskopische Scanmechanismus auch für den Empfänger verwendet wird.
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Kurzdarstellung
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Ausführungsformen stellen ein Lichtscansystem bereit, aufweisend: einen Sender, der dazu ausgelegt ist, einen Sendelichtstrahl entlang eines Sendepfads zu senden; einen MEMS (Microelectromechanical System)-Spiegel, der auf dem Sendepfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, um eine erste Scanachse zu schwingen, um den Sendelichtstrahl in einer ersten Dimension eines Sichtfeldes zu lenken; einen Makroscanner, der auf dem Sendepfad und auf einem Empfängerpfad angeordnet ist, wobei der Makroscanner dazu ausgelegt ist, um eine zweite Scanachse zu drehen, um den Sendelichtstrahl in einer zweiten Dimension des Sichtfeldes zu lenken, wobei der Makroscanner ferner dazu ausgelegt ist, von dem Sichtfeld einen Empfangslichtstrahl zu empfangen, der aus dem Sendelichtstrahl durch Rückstreuung erzeugt wird, und wobei der Makroscanner dazu ausgelegt ist, den Empfangslichtstrahl ferner entlang des Empfängerpfades zu lenken; und einen Fotodetektor, der auf dem Empfängerpfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, den Empfangslichtstrahl von dem Makroscanner zu empfangen und ein Messsignal zu erzeugen, das für den Empfangslichtstrahl repräsentativ ist.
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Ausführungsformen stellen ferner ein Lichtscansystem bereit, aufweisend: eine Vielzahl von Lichtquellen, die dazu ausgelegt sind, gleichzeitig eine Vielzahl von Lichtstrahlen entlang eines Sendepfads auszusenden, um einen Fächer (Fan) von Sendelichtstrahlen zu erzeugen; einen MEMS (Microelectromechanical System)-Spiegel, der auf dem Sendepfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, um eine erste Scanachse zu schwingen, um den Fächer von Sendelichtstrahlen in einer ersten Dimension eines Sichtfeldes zu lenken; einen Makroscanner, der auf dem Sendepfad und auf einem Empfängerpfad angeordnet ist, wobei der Makroscanner dazu ausgelegt ist, um eine zweite Scanachse zu drehen, um den Fächer von Sendelichtstrahlen in einer zweiten Dimension des Sichtfeldes zu lenken, wobei der Makroscanner ferner dazu ausgelegt ist, von dem Sichtfeld einen Fächer von Empfangslichtstrahlen zu empfangen, der von dem Fächer von Sendelichtstrahlen durch Rückstreuung erzeugt ist, und wobei der Makroscanner dazu ausgelegt ist, den Fächer von Empfangslichtstrahlen ferner entlang des Empfängerpfades zu lenken; und ein Array von Fotodetektoren, die auf dem Empfängerpfad angeordnet und dazu ausgelegt sind, den Fächer von Empfangslichtstrahlen von dem Makroscanner zu empfangen und eine Vielzahl von Messsignalen basierend auf dem Fächer von Empfangslichtstrahlen zu erzeugen.
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Figurenliste
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- 1A ist eine schematische Darstellung eines horizontalen LIDAR-Scansystems;
- 1B ist eine schematische Darstellung eines vertikalen LIDAR-Scansystems;
- 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines LIDAR-Scansystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 3A ist eine Draufsicht eines Strahlscansystems mit Mikro- und Makroscannern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 3B ist eine Draufsicht eines Strahlscansystems mit Mikro- und Makroscannern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 4 zeigt ein Fotodetektorarray gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
- 5 zeigt ein Scanmuster von Laserstrahlen, die gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in die Szene gesendet werden;
- 6 zeigt ein Scanmuster eines Fächers (Fan) von Laserstrahlen, die gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in die Szene gesendet werden; und
- 7 veranschaulicht eine Darstellung diskreter Senderichtungen in einem Abschnitt eines Sichtfeldes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsformen nur der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Während beispielsweise Ausführungsformen beschrieben sein können, die eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassen, ist dies nicht so zu verstehen, dass alle diese Merkmale oder Elemente für die Umsetzung der Ausführungsformen erforderlich sind. Stattdessen können in anderen Ausführungsformen einige der Merkmale oder Elemente weggelassen oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich zu den explizit gezeigten und beschriebenen Merkmalen oder Elementen können weitere Merkmale oder Elemente bereitgestellt sein, beispielsweise herkömmliche Komponenten von Sensorvorrichtungen.
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Merkmale aus verschiedenen Ausführungsformen können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein. In einigen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form von Blockdiagrammen und nicht im Detail dargestellt, um die Ausführungsformen nicht unklar zu machen.
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Ferner werden gleichwertige oder ähnliche Elemente oder Elemente mit gleichwertiger oder ähnlicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit gleichwertigen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Da gleiche oder funktional äquivalente Elemente in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente mit denselben Bezugszeichen entfallen. Daher sind die Beschreibungen für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen untereinander austauschbar.
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Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können drahtgebundene Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anders angegeben. Darüber hinaus können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche Zwischenelemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen Zwischenelementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel das Senden einer bestimmten Art von Signal oder einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen beibehalten wird.
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In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordnungszahlen enthalten, wie „erste“, „zweite“, und/oder dergleichen, verschiedene Elemente modifizieren. Solche Elemente sind jedoch nicht durch die obigen Ausdrücke begrenzt. So schränken die obigen Ausdrücke beispielsweise nicht die Reihenfolge und/oder die Bedeutung der Elemente ein. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zur Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Beispielsweise bezeichnen ein erstes Kästchen und ein zweites Kästchen unterschiedliche Kästchen, obwohl beide Kästchen sind. Als weiteres Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und ebenso könnte ein zweites Element auch als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Ausführungsformen beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann, zum Beispiel, elektromagnetische Strahlung umfassen, wie sichtbares Licht, Infrarot (IR)-Strahlung, oder eine andere Art von Beleuchtungssignal, einen Strom, oder eine Spannung, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Insbesondere beziehen sich die Ausführungsformen auf ein LIDAR (Light Detection and Ranging)-System mit einem makroskopischen Scanmechanismus und einem MEMS (Microelectromechanical System)-Spiegel, die so angeordnet sind, dass ein horizontales und vertikales Laserscanmuster implementiert ist, und auf eine solche Weise, dass der makroskopische Scanmechanismus auch für den Empfänger verwendet wird. Der makroskopische Scanmechanismus kann ein prismatischer oder pyramidaler Polygonspiegel, ein schwingender Spiegel, ein Nutationsspiegel, ein Scanmechanismus unter Verwendung diffraktiver optischer Elemente sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus wird der Laserstrahl zu einem Fächer (Fan) oder einem Balken aus mehreren Strahlen geformt, und der Empfänger ist so gebaut, dass er ein Array von Detektoren enthält, um mehrere Messungen gleichzeitig (d.h. parallel) durchzuführen.
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In LIDAR-Systemen sendet eine Lichtquelle Licht in ein Sichtfeld (FOV, Field of View) und das Licht wird von einem oder mehreren Objekten durch Rückstreuung reflektiert. Das ausgesendete Licht kann zum Beispiel gepulstes Licht oder eine kontinuierliche Welle sein. Insbesondere ist LIDAR ein Time-of-Flight (TOF)-System, in dem das Licht (z.B. Laserstrahlen aus Infrarotlicht) in das Sichtfeld ausgesendet wird, und eine Pixelarray detektiert und misst die reflektierten Strahlen. Beispielsweise empfängt eine Array von Fotodetektoren Reflektionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden.
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Derzeit kann ein Fotodetektorarray zur Messung des reflektierten Lichts verwendet werden. Das Fotodetektorarray kann ein Array sein, das aus mehreren Zeilen und/oder mehreren Spalten von Fotodetektoren (Pixeln) besteht. Jede Fotodetektorzeile, Fotodetektorspalte, oder Gruppe benachbarter Fotodetektoren kann als Messsignal in Form von analogen Rohdaten ausgelesen werden. Jedes Messsignal kann Daten von einem entsprechenden Fotodetektor oder einer Gruppe von Fotodetektoren enthalten.
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Unterschiede in den Rückkehrzeiten für jeden Lichtimpuls über mehrere Pixel des Pixelarrays können dann verwendet werden, um digitale 3D-Darstellungen einer Umgebung zu erstellen oder andere Sensordaten zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Lichtquelle einen einzelnen Lichtimpuls aussenden, und ein Zeit-Digital-Wandler (TDC), der elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt ist, kann von dem Zeitpunkt, an dem der Lichtimpuls ausgesendet wird, was einem Startsignal entspricht, bis zu einem Zeitpunkt zählen, bei dem der reflektierte Lichtimpuls bei dem Empfänger (d.h. bei dem Pixelarray) empfangen wird, was einem Stoppsignal entspricht. Die „Laufzeit“ („time-of-flight“) des Lichtimpulses wird dann in eine Entfernung umgerechnet. In einem anderen Beispiel kann ein Analog-Digital-Wandler (ADC) elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt sein (z.B. indirekt gekoppelt mit dazwischenliegenden Elementen) für eine Impulsdetektion und eine ToF-Messung. Beispielsweise kann ein ADC verwendet werden, um ein Zeitintervall zwischen Start-/Stoppsignalen mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen.
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Ein Scan wie ein schwingender horizontaler Scan (z.B. von links nach rechts und von rechts nach links in einem Sichtfeld) kann eine Szene auf kontinuierliche Weise beleuchten. Jedes Abfeuern des Laserstrahls durch die Lichtquellen kann in einer Scanlinie im „Sichtfeld“ resultieren. Durch Aussenden aufeinanderfolgender Lichtimpulse in verschiedene Scanrichtungen kann ein als Sichtfeld bezeichneter Bereich gescannt werden, und in dem Bereich befindliche Objekte können detektiert und abgebildet werden. Das Sichtfeld stellt somit eine Scanebene mit einem Projektionszentrum dar. Es könnte auch ein Rasterscan verwendet werden. Wie bereits erwähnt, könnte das gesendete Licht auch eine kontinuierliche Welle sein, und es sind auch andere Mittel zur Berechnung der Laufzeit möglich.
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1A ist eine schematische Darstellung eines LIDAR-Scansystems 100a, das ein horizontales Scannen durchführt. Das LIDAR-Scansystem 100a ist eine optische Scanvorrichtung, die einen Sender, mit einer Beleuchtungseinheit 10, einer Senderoptik 11, und einem eindimensionalen (1D) MEMS-Spiegel 12 (1D-MEMS-Scanner), und einen Empfänger, mit einer Primäroptik 14, und einem optischen Empfänger 15 enthält. Der optische Empfänger 15 ist in der Abbildung ein 2D-Fotodetektorarray 15. Der Empfänger kann ferner Empfängerschaltungen enthalten, wie Datenerfassungs-/Ausleseschaltungen und Datenverarbeitungsschaltungen, wie in der 2 ferner beschrieben wird. Das LIDAR-Scansystem 100a verwendet gepulste Modulation, ähnlich wie die oben beschriebene LIDAR-Technik, um eine Entfernung zu einem 3D-Objekt zu messen, indem die absolute Zeit gemessen wird, die ein Lichtimpuls benötigt, um von einer Quelle in die 3D-Szene und nach einer Reflektion zurück zu gelangen.
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Zurückkommend auf die 1A ist das Fotodetektorarray 15 so angeordnet, dass ein beabsichtigtes Sichtfeld vertikal auf die vertikale Ausdehnung des Fotodetektorarrays 15 abgebildet wird. Ein empfangener Lichtstrahl wird abhängig von dem vertikalen Winkel des empfangenen Lichtstrahls nur eine bestimmte Zeile oder Gruppe oder Zeilen des Detektorarrays treffen. Das vorgesehene Sichtfeld wird auch horizontal auf die horizontale Ausdehnung eines 2D-Fotodetektorarrays abgebildet.
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Insbesondere kann ein Sendersichtfeld eine Vielzahl diskreter Sendewinkelbereiche umfassen, die von dem Sender (z.B. von dem MEMS-Spiegel 12) ausgehen. Der Mittelpunkt jedes diskreten Winkelbereichs stellt einen Sendewinkel/eine Senderichtung des abgefeuerten Laserstrahls dar. Der MEMS-Spiegel 12 kann eine diskrete Anzahl von Sendepositionen (d.h. Drehwinkel) aufweisen, die jeweils einem oder mehreren der diskreten Sendewinkelbereiche entsprechen, bei denen Licht gesendet wird. Ein Feuern einer Lichtquelle kann zeitlich so abgestimmt werden, dass sie mit einer bestimmten Sendeposition des MEMS-Spiegels 12 oder einem bestimmten Sendewinkelbereich zusammenfällt. Somit stellt jede Sendeposition eine Senderichtung des abgefeuerten Laserstrahls dar, und eine Senderichtung kann eingestellt werden, indem ein Zeitpunkt des Abfeuerns einer Lichtquelle so angepasst wird, dass er mit einer Sendeposition des MEMS-Spiegels 12 zusammenfällt.
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Im Falle eines horizontalen Scannens kann jeder diskrete Sendewinkel sowohl auf eine Sendeposition des MEMS-Spiegels 12 als auch auf eine oder mehrere Pixelspalten des Fotodetektorarrays 15 abgebildet werden. Somit sollte Licht, das bei einem bestimmten Sendewinkelbereich gesendet wird, auf die entsprechende(n) zugeordnete(n) Pixelspalte(n) des Fotodetektorarrays 15 einfallen. Folglich hat jede Lichtquelle (d.h. jeder Laserkanal) ein Sendetiming, das auf einen bestimmten Sendewinkelbereich oder eine Sendeposition abgebildet wird und das ferner auf eine Pixelspalte oder -spalten des Fotodetektorarrays 15 abgebildet wird.
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Jede Lichtquelle ist auch auf eine Pixelzeile oder eine Gruppe von Pixelzeilen des Fotodetektorarrays 15 abgebildet. Somit können einzelne Pixel basierend auf einer Lichtquelle und ihres Feuerns aktiviert werden, die mit einem bestimmten Sendewinkelbereich übereinstimmt. Infolgedessen ist jedes Pixel des Fotodetektorarrays 15 auf eine Lichtquelle und einen bestimmten Sendewinkelbereich abgebildet, wobei der bestimmte Sendewinkelbereich auf eine bestimmte Sendeposition des MEMS-Spiegels 12 abgebildet ist.
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Abbildungen können für jede Lichtquelle und für jedes Pixel existieren. Jede Abbildung kann im Speicher des Systemcontrollers 23 (siehe 2) gespeichert werden, zum Beispiel in Form einer Look-Up-Tabelle. Kalibrieren des Senders und/oder des Empfängers kann ein Aktualisieren einer in einer oder mehreren Look-Up-Tabellen gespeicherten Abbildungsinformation beinhalten.
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In diesem Beispiel enthält die Beleuchtungseinheit 10 drei Lichtquellen (z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden), die linear in Form einer einzelnen Balkenformation ausgerichtet sind und dazu ausgelegt sind, Licht auszusenden, welches verwendet wird, das Sichtfeld nach Objekten zu scannen. Die Lichtquellen können als eine einzelne Einheit (d.h. gleichzeitig als eine einzelne Laserdiode) oder bei unterschiedlichen Zeitpunkten als separate Laserdioden gefeuert werden.
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Das von den Lichtquellen emittierte Licht ist typischerweise Infrarotlicht, obwohl auch Licht mit einer anderen Wellenlänge verwendet werden kann. Wie in der Ausführungsform der 1A zu sehen ist, wird die Form des von den Lichtquellen emittierten Lichts in einer Richtung senkrecht zur Senderichtung gespreizt, um einen Lichtstrahl mit einer länglichen Form senkrecht zu einer Senderichtung auszubilden. Das von den Lichtquellen ausgesendete Beleuchtungslicht wird auf die Sendeoptik 11 gerichtet, die dazu ausgelegt ist, jeden Laser auf einen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren, der in einer Dimension scannt. Die Sendeoptik 11 kann, zum Beispiel, eine Linse oder ein Prisma sein.
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Bei der Reflektion durch den MEMS-Spiegel 12 wird das Licht der Lichtquellen vertikal ausgerichtet, um für jeden emittierten Laserschuss eine eindimensionale vertikale Scanlinie SL aus Infrarotlicht oder einen vertikalen Balken aus Infrarotlicht auszubilden. Jede Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 trägt zu einem anderen vertikalen Bereich der vertikalen Scanlinie SL bei. Somit können die Lichtquellen gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden, um einen Lichtimpuls mit mehreren vertikalen Segmenten zu erhalten, wobei jedes vertikale Segment einer entsprechenden Lichtquelle entspricht. Jeder vertikale Bereich oder jedes vertikale Segment der vertikalen Scanlinie SL kann jedoch auch unabhängig aktiv oder inaktiv sein, indem eine entsprechende Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 ein- oder ausgeschaltet wird. Somit kann eine teilweise oder vollständige vertikale Scanlinie SL aus Licht von dem System 100 in das Sichtfeld ausgegeben werden. Die Scanlinie SL kann auch als ein Fächer von Laserstrahlen bezeichnet werden.
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Es wird auch darauf hingewiesen, dass eine horizontale Breite jedes Laserstrahls einem diskreten Winkelbereich entspricht, bei dem der Laserstrahl in das Sichtfeld in der horizontalen Richtung projiziert wird. Die Breite jedes Strahls kann der Breite einer Pixelspalte des Fotodetektorarrays 15 entsprechen. Es ist jedoch vorzuziehen, dass die Breite jedes Strahls, und somit der diskrete Winkelbereich, bei dem der Laserstrahl projiziert wird, kleiner ist als die Breite einer Pixelspalte.
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Dementsprechend ist der Sender des Systems 100a eine optische Anordnung, die dazu ausgelegt ist, basierend auf den Laserpulsen Laserstrahlen zu erzeugen, wobei die Laserstrahlen eine längliche Form haben, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Senderichtung der Laserstrahlen erstreckt. Wie aus der 1A ersichtlich ist, ist jede der Lichtquellen einem anderen vertikalen Bereich in dem Sichtfeld zugeordnet, so dass jede Lichtquelle eine vertikale Scanlinie nur in den der Lichtquelle zugeordneten vertikalen Bereich beleuchtet. Beispielsweise leuchtet die erste Lichtquelle in einen ersten vertikalen Bereich und die zweite Lichtquelle leuchtet in einen zweiten vertikalen Bereich, der sich von dem ersten vertikalen Bereich unterscheidet.
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Auch wenn drei Laserquellen gezeigt sind, wird gewürdigt, dass die Anzahl der Laserquellen nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel kann die vertikale Scanlinie SL von einer einzelnen Laserquelle, zwei Laserquellen oder mehr als drei Laserquellen erzeugt werden.
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Der MEMS-Spiegel 12 ist ein mechanisch beweglicher Spiegel (d.h. ein MEMS-Mikrospiegel), der auf einem Halbleiterchip (nicht dargestellt) integriert ist. Der MEMS-Spiegel 12 ist aus demselben Halbleitersubstrat hergestellt, das den Chip ausbildet. Auf diese Weise werden der Spiegelkörper des MEMS-Spiegels 12 und der Chip als ein einzelnes Element mit einer einteiligen integralen Konstruktion ausgebildet. Eine reflektierende Beschichtung kann dann auf den Spiegelkörper aufgebracht werden, um eine Spiegeloberfläche auszubilden. Im Gegensatz dazu ist ein Makroscanspiegel größer als ein MEMS-Spiegel und hat mehrere mechanische Teile (d.h. er hat keinen einteiligen integralen Aufbau).
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Der MEMS-Spiegel 12 gemäß dieser Ausführungsform ist dazu ausgelegt, um eine einzelne Scanachse zu drehen, und man kann sagen, dass er nur einen Freiheitsgrad zum Scannen hat. Im Unterschied zu 2D-MEMS-Spiegeln (2D-MEMS-Scannern) ist in dem 1D-MEMS-Spiegel die einzelne Scanachse an einem nicht drehenden Substrat befestigt und behält daher ihre räumliche Ausrichtung während der Schwingung des MEMS-Spiegels bei. Aufgrund dieser einzelnen Drehachse wird der MEMS-Spiegel 12 als 1D-MEMS-Spiegel oder 1D-MEMS-Scanner bezeichnet.
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Der MEMS-Spiegel 12 ist dazu ausgelegt, „von Seite zu Seite“ um eine einzelne Scanachse 13 zu schwingen, so dass das von dem MEMS-Spiegel 12 reflektierte Licht (d.h. die vertikale Scanlinie des Lichts) in einer horizontalen Scanrichtung hin und her schwingt. Eine Scanperiode oder eine Schwingungsperiode ist, zum Beispiel, durch eine vollständige Schwingung von einem ersten Rand des Sichtfeldes (z.B. linke Seite) zu einem zweiten Rand des Sichtfeldes (z.B. rechte Seite) und dann wieder zurück zu dem ersten Rand definiert.
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Somit wird das Sichtfeld in der horizontalen Richtung durch den vertikalen Lichtbalken gescannt, indem der Winkel des MEMS-Spiegels 12 auf seiner Scanachse 13 verändert wird. Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 12 dazu ausgelegt sein, zwischen +/-15 Grad in einer horizontalen Scanrichtung zu schwingen, um das Licht über +/-30 Grad (d.h. 60 Grad) zu lenken, die den horizontalen Scanbereich des Sichtfelds ausmachen. Somit kann das Sichtfeld zeilenweise durch eine Drehung des MEMS-Spiegels 12 über seinen Bewegungsgrad gescannt werden. Eine solche Abfolge durch den Bewegungsgrad (z.B. von -15 Grad bis +15 Grad oder umgekehrt) wird als ein einzelner Scan bezeichnet. Somit werden für jede Scanperiode zwei aufeinanderfolgende Scans verwendet. Mehrere Scans können verwendet werden, um Entfernungs- und Tiefenkarten sowie 3D-Bilder durch eine Verarbeitungseinheit zu erzeugen. Die horizontale Auflösung der Tiefenkarten und Bilder hängt ab von der Größe der inkrementellen Schritte im Drehwinkel des MEMS-Spiegels 12, die zwischen den Scans vorgenommen werden, sowie von der horizontalen Strahldivergenz des Lasersenders.
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Es wird gewürdigt, dass der Grad der Drehung nicht auf +/-15 Grad beschränkt ist, und das Sichtfeld kann je nach Anwendung vergrößert oder verkleinert werden. Somit ist ein eindimensionaler Scanspiegel dazu ausgelegt, um eine einzelne Scanachse zu schwingen und die Laserstrahlen bei verschiedenen Richtungen in ein Sichtfeld zu lenken. Eine Sendetechnik enthält daher ein Senden der Lichtstrahlen in das Sichtfeld von einem Sendespiegel, der um eine einzelne Scanachse schwingt, so dass die Lichtstrahlen als eine vertikale Scanlinie SL in das Sichtfeld projiziert werden, die sich horizontal über das Sichtfeld bewegt, wenn der Sendespiegel um die einzelne Scanachse schwingt.
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Nach dem Auftreffen auf ein oder mehrere Objekte wird der gesendete vertikale Lichtbalken durch Rückstreuung zurück zum LIDAR-Scansystem 100a als eine reflektierte vertikale Linie reflektiert, wo die zweite optische Komponente 14 (z.B. eine Linse oder ein Prisma) das reflektierte Licht empfängt. Die zweite optische Komponente 14 lenkt das reflektierte Licht auf das Fotodetektorarray 15, welches das reflektierte Licht als eine Empfangslinie RL empfängt und dazu ausgelegt ist, elektrische Messsignale zu erzeugen. Die elektrischen Messsignale können zum Erzeugen einer 3D-Karte der Umgebung und/oder anderer Objektdaten basierend auf dem reflektierten Licht verwendet werden (z.B. über TOF-Berechnungen und - Verarbeitung).
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Die Empfangslinie RL ist als eine vertikale Lichtsäule gezeigt, die sich entlang einer der Pixelspalten in Längsrichtung der Pixelspalte erstreckt. Die Empfangslinie hat drei vertikale Bereiche, die den vertikalen Bereichen der in der 1A dargestellten vertikalen Scanlinie SL entsprechen. Während sich die vertikale Scanlinie SL horizontal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich die vertikale Lichtsäule RL, die auf das Fotodetektorarray 15 einfällt, ebenfalls horizontal über das Fotodetektorarray 15. Der reflektierte Lichtstrahl RL bewegt sich von einer ersten Kante des Fotodetektorarrays 15 zu einer zweiten Kante des Fotodetektorarrays 15, wenn sich die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL ändert. Die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL entspricht einer Senderichtung der Scanlinie SL. Somit können LIDAR-Sender Licht als einen schmalen Laserimpuls bei verschiedenen Positionen in einem Sichtfeld abfeuern, wobei jede Abfeuerposition einer Pixelspalte des Fotodetektorarrays 15 entspricht.
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Das Fotodetektorarray 15 kann aus einer beliebigen Anzahl von Fotodetektortypen bestehen; einschließlich APDs (Avalanche Photodiodes), Fotozellen, und/oder anderen Fotodiodenvorrichtungen. Bildgebende Sensoren, wie CCDs (Charge-Coupled Devices), können die Fotodetektoren sein. In den hierin bereitgestellten Beispielen ist das Fotodetektorarray 15 ein zweidimensionales (2D) APD-Array, das ein Array von APD-Pixeln umfasst. Die Aktivierung der Fotodioden kann mit den von der Beleuchtungseinheit 10 ausgesendeten Lichtimpulsen synchronisiert sein.
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Das Fotodetektorarray 15 empfängt reflektierende Lichtimpulse als die Empfangslinie RL und erzeugt als Antwort darauf elektrische Signale. Da der Zeitpunkt des Sendens jedes Lichtimpulses von der Beleuchtungseinheit 10 bekannt ist und da sich das Licht mit einer bekannten Geschwindigkeit bewegt, kann eine Laufzeitberechnung unter Verwendung der elektrischen Signale die Entfernung von Objekten von dem Fotodetektorarray 15 bestimmen. Eine Tiefenkarte kann die Abstandsinformation darstellen.
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In einem Beispiel löst ein Verarbeitungsschaltkreis, wie ein Mikrocontroller, ein FPGA (Field Programmable Logic Array), oder ein Prozessor, für jede Entfernungsmessung einen Laserimpuls von jeder der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 aus und startet außerdem einen Timer in einer Zeit-Digital-Wandler (TDC) integrierten Schaltung (IC). Der Laserimpuls breitet sich durch die Sendeoptik aus, wird vom Zielfeld reflektiert und von einer oder mehreren Empfangsfotodioden des Fotodetektorarrays 15 erfasst. Jede Empfangsfotodiode sendet einen kurzen elektrischen Impuls aus, der von der analogen Ausleseschaltung ausgelesen wird. Jedes Signal, das von der analogen Ausleseschaltung ausgelesen wird, kann durch einen elektrischen Signalverstärker verstärkt werden.
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Ein Komparator-IC erkennt den Impuls und sendet ein digitales Signal an den TDC, um den Timer zu stoppen. Der TDC verwendet eine Taktfrequenz, um jede Messung zu kalibrieren. Der TDC sendet die seriellen Daten der Differenzzeit zwischen den digitalen Start- und Stoppsignalen an den Verarbeitungsschaltkreis, der etwaige Lesefehler herausfiltert, mehrere Zeitmessungen mittelt, und die Entfernung zum Ziel bei dieser bestimmten Feldposition berechnet. Durch Aussenden aufeinanderfolgender Lichtimpulse in verschiedene Richtungen, die durch den MEMS-Spiegel 12 festgelegt werden, kann ein Bereich (d.h. ein Sichtfeld) gescannt werden, ein dreidimensionales Bild kann erzeugt werden, und Objekte können innerhalb des Bereichs detektiert werden.
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Die Signalverarbeitungskette des Empfängers kann auch einen ADC für jede Fotodiode oder für eine Gruppe von Fotodioden enthalten. Der ADC ist dazu ausgelegt, die analogen elektrischen Signale von den Fotodioden oder der Gruppe von Fotodioden in ein digitales Signal umzuwandeln, das für die weitere Datenverarbeitung verwendet wird.
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Anstelle eines Verwendens des TDC-Ansatzes können auch ADCs zur Signaldetektion und ToF-Messung verwendet werden. Zum Beispiel kann jeder ADC verwendet werden, um ein analoges elektrisches Signal von einer oder mehreren Fotodioden zu detektieren, um ein Zeitintervall zwischen einem Startsignal (d.h., einem Zeitpunkt eines gesendeten Lichtimpulses entsprechend) und einem Stoppsignal (d.h., einem Zeitpunkt des Empfangs eines analogen elektrischen Signals bei einem ADC entsprechend) mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen.
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Wenn ein Laserenergieimpuls als eine vertikale Scanlinie SL von der Oberfläche des MEMS-Spiegels 12 in das Sichtfeld eintritt, erscheinen Reflektionsimpulse, wenn das Laserlicht ein Objekt im Sichtfeld beleuchtet. Diese Reflektionsimpulse erreichen das Fotodetektorarray 15 als eine vertikale Lichtsäule, die, zum Beispiel, die Breite eines Fotodetektorpixels und eine Länge haben kann, die sich vertikal zumindest teilweise entlang einer Pixelspalte des Fotodetektorarrays 15 in einer Längsrichtung erstreckt.
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Das Fotodetektorarray 15 ist dazu ausgelegt, Messsignale (elektrische Signale) zu erzeugen, die zum Erzeugen einer 3D-Karte der Umgebung basierend auf dem reflektierten Licht verwendet werden (z.B. über TOF-Berechnungen und Verarbeitung). Wie oben erwähnt, kann das Fotodetektorarray 15 beispielsweise ein Array von Fotodioden oder eine andere Lichterfassungskomponente sein, die in der Lage ist, Licht zu detektieren und zu messen und daraus elektrische Signale zu erzeugen.
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Obwohl in der 1A nicht dargestellt, kann das LIDAR-Scansystem 100a auch einen Makroscanspiegel oder eine andere Makroscanstruktur enthalten, die zum Lenken der Lichtstrahlen in der vertikalen Richtung verwendet wird, während der MEMS-Spiegel 12 zum Lenken der Lichtstrahlen in der horizontalen Richtung verwendet wird.
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1B ist eine schematische Darstellung eines vertikalen LIDAR-Scansystems 100b, das ein vertikales Scannen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen durchführt. Insbesondere ist das LIDAR-Scansystem 100b dem LIDAR-Scansystem 100a ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Scanrichtung um 90° gedreht ist, so dass sich die Scanlinie SL und die Empfangslinie RL in der vertikalen Richtung bewegen (d.h. von oben nach unten oder von unten nach oben). Die Scanlinie ist somit eine horizontale Scanlinie SL, die in das Sichtfeld projiziert wird, die sich vertikal über das Sichtfeld bewegt, wenn der Sendespiegel um die einzelne Scanachse schwingt. Ferner, da sich die horizontale Scanlinie SL vertikal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich auch die horizontale Lichtsäule RL, die auf das Fotodetektorarray 15 fällt, vertikal über das Fotodetektorarray 15.
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Obwohl in 1B nicht dargestellt, kann das LIDAR-Scansystem 100b auch einen Makroscanspiegel oder eine andere Makroscanstruktur enthalten, die zur Lenkung der Lichtstrahlen in der horizontalen Richtung verwendet wird, während der MEMS-Spiegel 12 zur Lenkung der Lichtstrahlen in der vertikalen Richtung verwendet wird.
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Es wird gewürdigt, dass, während einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Verwenden des MEMS-Spiegels 12 für ein vertikales Scannen und einer Makroscanstruktur für ein horizontales Scannen beschrieben werden, die jeweiligen Scanrichtungen durch Ändern der Ausrichtung ihrer jeweiligen Scanachsen umgeschaltet werden können. In jedem Fall sind die Scanachse des MEMS-Spiegels 12 und die Scanachse der Makroscanstruktur im Wesentlichen orthogonal zueinander, um ein Scannen in zwei Dimensionen zu erreichen.
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2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Scansystems 200 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Insbesondere zeigt die 2 zusätzliche Merkmale des LIDAR-Scansystems 200, einschließlich beispielhafter Verarbeitungs- und Steuersystemkomponenten wie einem MEMS-Treiber, einer Empfängerschaltung, und einem Systemcontroller. Zusätzlich zu dem in den 1A und 1B gezeigten MEMS-Spiegel 12 enthält das LIDAR-Scansystem 200 einen Makroscanner 26 (z.B. einen drehenden Polygonspiegel oder ein drehendes Prisma), der Lichtstrahlen in eine Scanrichtung orthogonal zur Scanrichtung des MEMS-Spiegels 12 lenkt. Es wird ferner gewürdigt, dass der Makroscanner 26 sowohl entlang des Sendepfads (d.h. eines Sendepfads) als auch des Empfangspfads (d.h. eines Rückpfads) angeordnet ist. Somit steht der Makroscanner 26 in einer koaxialen Beziehung sowohl zu einem gesendeten Lichtstrahl als auch zu einem reflektierten Lichtstrahl, der über Rückstreuung empfangen wird.
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Das LIDAR-Scansystem 200 enthält eine Sendereinheit 21, die für einen Senderpfad des Systems 200 verantwortlich ist, und eine Empfängereinheit 22, die für einen Empfängerpfad des Systems 200 verantwortlich ist. Das System enthält auch einen Systemcontroller 23, der dazu ausgelegt ist, Komponenten der Sendereinheit 21 und der Empfängereinheit 22 zu steuern, und Rohdaten von der Empfängereinheit 22 zu empfangen und darauf eine Verarbeitung durchzuführen (z.B. über digitale Signalverarbeitung), um Objektdaten (z.B. Punktwolkendaten) zu erzeugen. Der Systemcontroller 23 enthält somit mindestens einen Prozessor und/oder eine Verarbeitungsschaltung (z.B. Komparatoren, TDCs, ADCs, FPGAs, und digitale Signalprozessoren (DSPs)) einer Signalverarbeitungskette zum Verarbeiten von Daten, sowie eine Steuerschaltung, wie einen Mikrocontroller oder ein FPGA, die zur Erzeugung von Steuersignalen ausgelegt sind. Die Steuerschaltung kann auch als Teil der Verarbeitungsschaltung integriert sein.
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Die Sendereinheit 21 enthält die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12, einen MEMS-Treiber 25, der dazu ausgelegt ist, den MEMS-Spiegel 12 zu treiben, und den Makroscanner 26.
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Der MEMS-Treiber 25 betätigt und erfasst die Drehposition des MEMS-Spiegels 12 und stellt Positionsinformationen (z.B. Neigungswinkel oder Grad der Drehung um die Drehachse) des MEMS-Spiegels 12 an den Systemcontroller 23 bereit. Basierend auf diesen Positionsinformationen werden Laserquellen der Beleuchtungseinheit 10 von dem Systemcontroller 23 ausgelöst, und die Fotodioden werden aktiviert, um ein reflektiertes Lichtsignal zu erfassen und somit zu messen. Der Systemcontroller 23 kann sich auf die in Look-Up-Tabellen gespeicherten relevanten Abbildungsinformationen beziehen, um den Zeitpunkt für das Feuern einer bestimmten Lichtquelle und den Zeitpunkt für die Aktivierung einer bestimmten Fotodiode zu bestimmen, und dementsprechend Steuersignale an die Beleuchtungseinheit 10 und an das Fotodetektorarray 15 zu senden. Somit resultiert eine höhere Genauigkeit bei der Positionserfassung des MEMS-Spiegels in einer genaueren und präziseren Steuerung anderer Komponenten des LIDAR-Systems.
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Ein Makrotreiber 27 ist ebenfalls bereitgestellt, um den Makroscanner 26 um eine Scanachse anzutreiben. Der Makroscanner 26 kann dazu ausgelegt sein, sich kontinuierlich bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit um seine Scanachse 28 zu drehen. Der Makrotreiber 27 kann dazu ausgelegt sein, eine Drehgeschwindigkeit und/oder einen absoluten Drehwinkel des Makroscanners 26 zu messen, zum Beispiel, unter Verwendung eines Geschwindigkeitssensors und/oder eines Winkelsensors. Der Makrotreiber 27 kann dann die Drehgeschwindigkeit und/oder den absoluten Drehwinkel an den Systemcontroller 23 bereitstellen, der wiederum sicherstellt, dass die Drehposition des Makroscanners 26 mit dem gewünschten Scanmuster der gesendeten Lichtstrahlen übereinstimmt. Der Systemcontroller 23 kann die Drehgeschwindigkeit des Makroscanners 26 basierend auf den empfangenen Rückmeldeinformationen durch Steuern des Makrotreibers 27 anpassen.
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Der Systemcontroller 23 ist ferner dazu ausgelegt, die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12, und den Makroscanner 26 zu steuern, um eine kalibrierte Scantechnik zu implementieren. Das Abfeuern von Laserstrahlen von der Beleuchtungseinheit 10 wird mit mindestens einem von einer Drehposition (Winkelposition) des MEMS-Spiegels 12 und einer Drehposition des Makroscanners 26 koordiniert, um Laserstrahlen in das Sichtfeld zu senden basierend, zum Beispiel, auf einem gewünschten Zeitintervall und/oder einer gewünschten Senderichtung. Die Senderichtung kann eine XY-Koordinate in einer XY-Koordinatenebene sein, die sowohl horizontale als auch vertikale Richtungen enthält.
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Die Empfängereinheit 22 enthält das Fotodetektorarray 15, eine Empfängerschaltung 24, die eine analoge Ausleseschaltung enthält, und den Makroscanner 26. Es wird gewürdigt, dass der Makroscanner 26 Teil sowohl der Sendereinheit 21 als auch der Empfängereinheit 22 ist, da ein Abschnitt des Sendepfads und des Empfangspfads mit dem Makroscanner 26 gemeinsam genutzt wird.
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Die Beleuchtungseinheit 10 kann N Lichtquellen enthalten, die N Lichtstrahlen (Impulse) aussenden, die jeweils einem von N Fotodetektoren eines N-Fotodetektorarrays entsprechen. Bei gleichzeitiger Auslösung erzeugen die N Lichtquellen einen breiten Lichtstrahl, der aus der Kombination der diskreten N Lichtstrahlen besteht. Die analoge Ausleseschaltung enthält einen analogen Ausgangskanal für jeden der N Fotodetektoren. Die N analogen Ausgangskanäle sind dazu ausgelegt, Messsignale auszulesen, die von einem entsprechenden Fotodetektor des Fotodetektorarrays 15 empfangen wurden.
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Somit kann die Empfängerschaltung 24 die analogen elektrischen Signale von den Fotodetektoren des Fotodetektorarrays 15 empfangen und die elektrischen Signale als analoge Rohdaten an einen Analog-Digital-Wandler (ADC) senden. Bevor der ADC die elektrischen Signale empfängt, können die elektrischen Signale einen Verstärker (z.B. einen Transimpedanzverstärker (TIA, Transimpedance Amplifier)) durchlaufen, der die elektrischen Signale von, zum Beispiel, Strom in Spannung umwandelt. Der ADC ist dazu ausgelegt, die analogen Rohdaten in digitale Rohdaten zur weiteren Verarbeitung umzuwandeln. Der Verstärker und/oder der ADC können in den Systemcontroller 23 oder die Empfängerschaltung 24 integriert sein, oder können als separate Schaltungen zwischen die Empfängerschaltung 24 und den Systemcontroller 23 geschaltet sein.
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Die Empfängerschaltung 24 kann auch Auslösesteuersignale von dem Systemcontroller 23 empfangen, die eine Aktivierung eines oder mehrerer Fotodetektoren auslösen. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Verstärkungseinstellungssteuersignale zum Steuern der Verstärkung eines oder mehrerer Fotodetektoren empfangen.
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Der Systemcontroller 23 enthält eine Signalverarbeitungsschaltung, die die digitalen Rohdaten sowie serielle Daten einer Differenzzeit zwischen digitalen Start- und Stoppsignalen empfängt, die von einem ADC erzeugt werden, und die empfangenen Daten verwendet, um Flugzeitinformationen für jede Feldposition innerhalb des Sichtfelds zu berechnen, um Objektdaten (z.B. Punktwolkendaten) zu erzeugen, und um eine 3D-Punktwolke zu erzeugen.
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Insbesondere kann die Signalverarbeitungsschaltung des Systemcontrollers 23 dazu ausgelegt sein, ein Objekt basierend auf den von den Fotodetektoren des Fotodetektorarrays 15 erzeugten elektrischen Signalen zu detektieren. Basierend auf der Detektion kann der Signalverarbeitungsschaltkreis eine geschätzte Position des Objekts in dem Sichtfeld bestimmen, einschließlich Richtung und Tiefe.
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3A und 3B sind Draufsichten eines Strahlscansystems 300 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. 3A und 3B dienen zur Veranschaulichung, dass verschiedene Anordnungen in Bezug auf einen Empfängerspiegel 32 möglich sind. In beiden Anordnungen wird jedoch der Makroscanner 26 für das Senden und Empfangen von Licht verwendet.
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Der MEMS-Spiegel 12 ist ein 1D-MEMS-Spiegel, der dazu ausgelegt ist, bei einer hohen Frequenz (z.B. einer Resonanzfrequenz von 2 kHz) um seine Scanachse 13 zu schwingen. In diesem Beispiel wird der MEMS-Spiegel 12 für vertikales Scannen verwendet, so dass mehrere Lichtstrahlen gemäß einem vertikalen Strahlwinkel gelenkt werden. Da nur das ausgehende Laserlicht abgelenkt wird, reicht ein vergleichsweise kleiner MEMS-Spiegel aus, um die Lichtleistung zu senden. Dies ermöglicht einen kleinen Formfaktor.
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Im Gegensatz dazu ist der Makroscanner 26 ein Polygonspiegel, der sich kontinuierlich um 360° um seine Scanachse 28 dreht, die orthogonal zur Scanachse 13 ist. Jede Oberfläche des Makroscanners 26 ist eine reflektierende Oberfläche, die dazu ausgelegt ist, die Lichtstrahlen in das Sichtfeld zu lenken. In diesem Beispiel wird der Makroscanner 26 für ein horizontales Scannen verwendet, so dass die mehreren Lichtstrahlen gemäß einem horizontalen Abstrahlwinkel gelenkt werden. Der Makroscanner 26 wird auch dazu verwendet, reflektierte und rückgestreute Lichtstrahlen von dem Sichtfeld zu empfangen und sie entlang eines Empfängerpfades zu dem Fotodetektorarray 15 zu lenken. Der MEMS-Spiegel 12 ist dazu ausgelegt, einen Fächer von Laserstrahlen von der Beleuchtungseinheit 10 zu empfangen und den Fächer von Laserstrahlen bei einem vertikalen Ablenkwinkel oder Neigungswinkel gemäß seiner Drehposition um seine Scanachse 13 zu lenken. Die Beleuchtungseinheit 10 ist dazu ausgelegt, den Fächer aus Laserstrahlen bei einem von dem Systemcontroller 23 gesteuerten Auslösezeitpunkt auszusenden, wobei der Auslösezeitpunkt einem gewünschten vertikalen Ablenkwinkel entspricht. Der Fächer aus Laserstrahlen könnte als ein Satz einzelner Strahlen oder als eine durchgehende Linie ausgeführt werden. In diesem Beispiel besteht der Fächer aus Laserstrahlen aus 16 einzelnen Strahlen, die von 16 Lichtquellen erzeugt werden. Alternativ könnte der Makroscanner 26 auch ein pyramidenförmiger Polygonspiegel, ein schwingender Spiegel, ein Nutationsspiegel, oder ein Scanmechanismus unter Verwendung diffraktiver optischer Elemente sein.
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Der MEMS-Spiegel 12 ist dazu ausgelegt, den Fächer von Laserstrahlen in Richtung der Post-Scan-Optik 31 abzulenken. Die Post-Scan-Optik 31 kann einen Strahlkollimator enthalten, der dazu ausgelegt ist, den Fächer von Laserstrahlen zu empfangen und die divergierenden Strahlen in einen breiteren Strahl paralleler Strahlen umzuwandeln, indem er das von dem MEMS-Spiegel 12 empfangene Licht kollimiert und den breiteren Strahl an einen Empfängerspiegel 32 weiterleitet. Hier sind die Strahlen B1 und BN eines N-Strahlensystems dargestellt, wobei die Ellipse dazwischen liegende Strahlen darstellt. Zusammen kombinieren die Strahlen B1-BN, um den Laserfächer aus N Strahlen auszubilden. In einer alternativen Ausführungsform, wie einem zweiachsigen System, kann ein Empfängerspiegel nicht benötigt sein.
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Im Allgemeinen refokussiert die Post-Scan-Optik 31 den Laserfächer auf den Makroscanner 26. Das Laserlicht kann durch den Empfängerspiegel 32 durch ein oder mehrere Löcher in dem Empfängerspiegel 32 laufen. Alternativ kann der Laserfächer auch oberhalb oder unterhalb des Empfängerspiegels 32 verlaufen, wodurch der Empfängerspiegel 32 vollständig umgangen wird.
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Ein Strahlteiler ist eine optische Vorrichtung, die einen Lichtstrahl (d.h. einfallendes Licht) in zwei Teile teilt, welche die gleiche optische Leistung (d.h. Signalstärke) haben können oder nicht. Beispielsweise kann einfallendes Licht, sei es von dem MEMS-Spiegel 12 empfangenes Sendelicht (TX) oder über den Makroscanner 26 aus der Umgebung empfangenes Licht (RX), in durchgelassenes Licht, das bei einem gleichen Winkel wie das einfallende Licht durchgelassen wird, und in reflektiertes Licht, das bei einem anderen Winkel reflektiert wird (z.B. typischerweise bei 45°, was in einer 90°-Ablenkung von dem gesendeten Strahl resultiert), aufgeteilt werden. Das Reflektionsvermögen des Hauptkörpers des Strahlteilers ist konfigurierbar. Beispielsweise kann der Hauptkörper des Strahlteilers 5 % reflektierend sein, was dazu führt, dass 5 % des einfallenden Lichts reflektiert und 95 % des einfallenden Lichts durch ihn hindurchgelassen werden. Man kann somit sagen, dass der Hauptkörper eines Strahlteilers eine Reflektivität von X % hat, wobei X eine beliebige Zahl größer als Null ist.
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Der Empfängerspiegel 32 kann beispielsweise ein Plattenstrahlteiler sein, wie in der 3A gezeigt, wobei sein Hauptkörper eine Platte oder ein Substrat ist, das ein dielektrischer Spiegel, ein Dünnfilm-Polarisator, ein dichroitischer Spiegel, oder dergleichen sein kann. Der Hauptkörper kann ein Glassubstrat oder anderes Material sein, das die gewünschte Reflektivität von X % bereitstellt.
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Als Strahlteiler hat der Empfängerspiegel 32 eine Senderseite (TX) mit einer ersten Hauptoberfläche 32a, die so angeordnet ist, dass sie Sendelicht von dem MEMS-Spiegel 12 empfängt, und der Strahlteiler ist dazu ausgelegt, einen Prozentsatz des Sendelichts an den Makroscanner 26 weiterzuleiten. Der Strahlteiler hat eine Empfängerseite (RX) mit einer zweiten Hauptoberfläche 32b, die so angeordnet ist, dass sie Licht von dem Makroscanner 26 (d.h. empfangen von der Umgebung) empfängt und einen Teil des RX-Lichts zu dem Fotodetektor 15 leitet. Somit ist der Strahlenteiler in einem Sendestrahlenpfad eines TX-Lichtstrahls und in einem Empfangsstrahlenpfad eines RX-Lichtstrahls angeordnet.
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Darüber hinaus enthält der Strahlteiler eine reflektierende Beschichtung, die auf der zweiten Hauptoberfläche 32b des Strahlteilers bei der RX-Seite angeordnet ist. Bei der reflektierenden Beschichtung kann es sich um eine Spiegelbeschichtung oder ein Spiegelsubstrat handeln, das 100 % Reflektivität aufweist. Das heißt, sie reflektiert 100 % des auf sie einfallenden Lichts (d.h. 100 % oder einen ganzen Teil des RX-Lichtstrahls). Es wird gewürdigt, dass die reflektierende Beschichtung in einigen Konfigurationen oder in anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Reflektivität von weniger als 100 % haben kann.
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Der Empfängerspiegel 32 in der 3B enthält mindestens eine Öffnung (Apertur) 34, die in dem Hauptkörper des Empfängerspiegels 32 definiert ist. Das heißt, die Öffnungen 34 können kleine Löcher sein, die sich von der ersten Hauptoberfläche 32a zur zweiten Hauptoberfläche 32b erstrecken und die zweite Hauptoberfläche des Strahlenteilers bei der RX-Seite freilegen, wodurch TX-Licht durch den Empfängerspiegel 32 von der TX-Seite in Richtung des Makroscanners 26 gelangen kann.
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Eine Öffnung 34 kann ein rechteckiger Schlitz oder Streifen sein, um einen Durchgang des Fächers von Laserlicht von der TX-Seite zu ermöglichen. Somit kann die Öffnung 34 die Form eines länglichen rechteckigen Schlitzes oder Streifens haben, um der Form des Laserlichts zu entsprechen.
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Der drehende Makroscanner 26 lenkt den Laserfächer in die Szene hinaus und führt einen horizontalen Scan durch. Der ausgehende Laserfächer besteht aus N Strahlen, die horizontal zueinander angeordnet sind. Mit anderen Worten, wobei der Laserfächer eine Linie ist (z.B. eine horizontale Scanlinie SL) mit einer länglichen Abmessung, die sich in der horizontalen Dimension erstreckt und deren Trajektorie entsprechend den vertikalen und horizontalen Strahlenwinkeln gesteuert wird, die von dem MEMS-Spiegel 12 bzw. Makroscanner 26 ausgerichtet werden. Wenn das Licht von der Szene zurückkehrt, lenkt der Makroscanner 26 das Licht zurück auf den Empfängerspiegel 32, von wo aus es durch die Empfängeroptik 35 auf das Fotodetektorarray 15 gelenkt wird. Die große Öffnung 36 des Makroscanners 26 sorgt dafür, dass eine große Lichtmenge eingefangen wird, um eine große Reichweite zu ermöglichen.
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Die Öffnung 36 des Makroscanners 26 bezieht sich auf die Breite in der horizontalen Dimension einer reflektierenden Empfangsfläche des Makroscanners 26. Die Größe der Öffnung 36 entspricht der Lichtmenge, die von der Szene empfangen und auf den Empfangsspiegel 32 gerichtet werden kann. Die Größe der Öffnung 36 kann sich ändern, wenn sich der Winkel der reflektierenden Empfangsfläche während der Drehung des Makroscanners 26 ändert. Die Größe der Öffnung 36 ist immer deutlich größer als die Größe des MEMS-Spiegels 12. Infolgedessen ist der gesendete Fächer von Laserstrahlen TX kleiner als der empfangene Fächer von Laserstrahlen RX. Wenn der Makroscanner 26 zum vertikalen Scannen verwendet wird, würde sich die Öffnung 36 des Makroscanners 26 auf die Breite in der vertikalen Dimension einer reflektierenden Empfangsfläche des Makroscanners 26 beziehen.
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Die Empfängeroptik 35 kann einen Strahlkollimator enthalten, der dazu ausgelegt ist, den rückgestreuten Fächer von Laserstrahlen (d.h. die RX-Lichtstrahlen) von dem Empfängerspiegel 32 zu empfangen und den Fächer von Laserstrahlen in einen engeren Strahl auf das Fotodetektorarray 15 zu fokussieren.
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Das Fotodetektorarray 15 enthält ein Array von Fotodetektoren, einen Fotodetektor für jeden Laserstrahl des Fächers von Laserstrahlen. Insbesondere sind die Fotodetektoren horizontal zueinander angeordnet für den Makroscanner 26, der ein horizontales Scannen durchführt. Jeder Fotodetektor ist auf einen der Laserstrahlen des empfangenen Fächers von Laserstrahlen abgebildet. Auf diese Weise können mehrere Messungen parallel durchgeführt werden, bis zu so vielen, wie Fotodetektoren vorhanden sind.
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4 zeigt das Fotodetektorarray 15 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, wobei N=16. Somit enthält das Fotodetektorarray 15 sechzehn Fotodetektoren 15-1 bis 15-16 als vertikale Balken, die horizontal in Spalten angeordnet sind. Jeder Fotodetektor 15-1 bis 15-16 ist so angeordnet, dass er einen der Laserstrahlen B1 bis BN empfängt, die den empfangenen Fächer oder die empfangenen Laserstrahlen bilden (d.h. die Empfangslinie RL). Die Kreuzungspunkte der empfangenen Fächer- oder Laserstrahlen auf dem Fotodetektorarray 15 sind gezeigt. Die empfangenen Fächer- oder Laserstrahlen bewegen sich vertikal über das Fotodetektorarray 15, basierend auf dem Ablenkwinkel des MEMS-Spiegels 12. Das Timing des Auftreffens (z.B. in Bezug auf das Auslösetiming des TX-Strahls) und die detektierte Lichtintensität bei jedem Kreuzungspunkt können von dem Empfänger verwendet werden, um die Richtungen der Abstandsmessung und somit die Punkte/Richtungen der Szene zu bestimmen, die gerade erfasst werden.
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Es ist zu beachten, dass es eine Grenze gibt, wieviel Lichtleistung der Laserfächer in die Szene emittieren kann, was durch thermische Beschränkungen oder Überlegungen zur Augensicherheit bedingt sein kann. Somit ist es möglich für den Systemcontroller 23 gezielt einige Laserstrahlen zu deaktivieren (d.h. einige Lichtquellen auszuschalten), um die Leistung der übrigen Laserstrahlen zu erhöhen. Dies kann verwendet werden, den Detektionsbereich des Systems auf Kosten einer geringeren Auflösung zu vergrößern.
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5 zeigt ein Scanmuster von Laserstrahlen, die gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in die Szene gesendet werden. Das Scanmuster zeigt eine Trajektorie in dem Sichtfeld gemäß einem horizontalen Strahlungswinkel und einem vertikalen Strahlungswinkel beim Ausgang des Scansystems (z.B. beim Ausgang des Makroscanners 26). Während der Makroscanner 26 um seine Scanachse 28 dreht, bewegt er den Laserstrahl linear von links nach rechts (oder umgekehrt), der MEMS-Spiegel 12 bewegt den Laserstrahl in einem sinusförmigen vertikalen Muster auf und ab. In diesem speziellen Fall deckt das Sichtfeld horizontal 60° und vertikal 20° ab. Die Figur zeigt die Bewegungen nur eines der Strahlen des Fächers von Laserstrahlen. Mit anderen Worten ist das Scanmuster beispielhaft für eine einzelne Lichtquelle, die aufeinanderfolgende Lichtstrahlen bei unterschiedlichen Auslösezeiten abfeuert, da sich die Strahlentrajektorie basierend auf der Bewegung des MEMS-Spiegels 12 und des Makroscanners 26 ändert. Somit steuert der MEMS-Spiegel 12 die nacheinander abgefeuerten Lichtstrahlen oder die nacheinander abgefeuerten Laserfächer in einem sinusförmigen Muster, und der Makroscanner ist dazu ausgelegt, die nacheinander abgefeuerten Lichtstrahlen oder die nacheinander abgefeuerten Laserfächer linear über das Sichtfeld zu lenken.
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6 zeigt ein Scanmuster eines Fächers von Laserstrahlen, die gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in die Szene gesendet werden. Jeder der Laserstrahlen des Fächers von Laserstrahlen folgt einem ähnlichen Scanmuster wie in der 5 gezeigt. Allerdings ist jeder Laserstrahl zu jedem gegebenen Zeitpunkt gegenüber den anderen Laserstrahlen horizontal verschoben. Mit anderen Worten ist jeder Laserstrahl eines Fächers von Laserstrahlen, der von dem Makroscanner 26 ausgesendet wird, auf einen anderen horizontalen Strahlwinkel relativ zu den anderen Laserstrahlen gerichtet. „Jeder gegebene Zeitpunkt“ bezieht sich auf einen gleichen vertikalen Strahlwinkel oder eine gleiche Laserfächerübertragung.
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Wenn beispielsweise der vertikale Strahlwinkel bei 0° ist aufgrund der Position des MEMS-Spiegels 12 (d.h. der Ablenkungswinkel des MEMS-Spiegels 12 um seine Scanachse 13 ist 0°), wird jeder Strahl innerhalb des gesendeten Fächers von Laserstrahlen bei einem anderen horizontalen Strahlwinkel gesendet, während er bei einem vertikalen Strahlwinkel von 0° gesendet wird. Dieses Prinzip kann auch leichter bei den vertikalen Einstrahlungswinkeln von 10° und -10° zu erkennen sein. Das Ergebnis ist ein dichtes Scanmuster.
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Die Verwendung eines Laserfächers mit einem MEMS-Spiegel 12, der das Scannen in einer Dimension steuert, und einem Makroscanner 26, der das Scannen in der anderen Dimension steuert, ermöglicht gleichzeitig ein großes Sichtfeld und eine dichte Punktwolke.
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Wie oben erwähnt, können LIDAR-Systeme das Prinzip der direkten Laufzeit (Time-of-Flight) verwenden. Die Laserquellen senden sehr kurze Impulse aus, und der Empfänger detektiert die zurückkehrenden Impulse. Die Zeit, die die Impulse für die Rückkehr benötigen, ist ein Maß für die Entfernung. In einem scannenden LIDAR-System ist es wichtig, die richtigen Zeitpunkte für das Auslösen der Laser festzulegen, da dies die Richtungen bestimmt, in denen sie in die Szene gesendet werden.
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7 zeigt eine Darstellung diskreter Senderichtungen (TX) in einem Abschnitt eines Sichtfelds gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Jede TX-Richtung hat eine horizontale Strahlwinkelkomponente und eine vertikale Strahlwinkelkomponente. Die Darstellung zeigt insbesondere verfügbare Senderichtungen gemäß einem vorkonfigurierten Scanmuster. Jede verfügbare Senderichtung entspricht einem Auslösezeitpunkt, bei dem die Lichtquellen ausgelöst werden, um den Laserfächer relativ zur Position des MEMS-Spiegels 12 und des Makroscanners 26 um ihre Scan-Achsen zu erzeugen. Die verfügbaren Senderichtungen bilden ein Raster aus Zeilen und Spalten.
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Zusätzlich zu den verfügbaren Senderichtungen zeigt das Diagramm Positionen innerhalb des Scanmusters, bei denen ein Laserstrahl ausgelöst wird. Der Auslösezeitpunkt entspricht ebenfalls dem Auslösezeitpunkt des Laserfächers, wobei der Einfachheit halber nur ein Laserstrahl referenziert wird. Wie zu erkennen ist, wird der Laserstrahl nur auf den geraden Zeilen während eines Aufwärtsscans ausgelöst (d.h., während sich der MEMS-Spiegel 12 in einer Drehrichtung von - 10° bis 10° bewegt), und der Laserstrahl wird nur auf den ungeraden Zeilen ausgelöst während eines Abwärtsscans (d.h., während sich der MEMS-Spiegel 12 in einer Drehrichtung von 10° bis -10° bewegt), oder andersherum. Dieses AuslöseTiming-Muster implementiert ein viel homogeneres Scanmuster und gewährleistet ein gleichmäßiges Scannen der Szene.
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Mit anderen Worten ist der Systemcontroller 23 dazu ausgelegt, ein Scanmuster zu realisieren, das ein Gitter von Sendekoordinaten umfasst, wobei das Gitter von Sendekoordinaten ungerade Zeilen und gerade Zeilen umfasst, wobei jede Sendekoordinate eine erste Strahlwinkelkomponente in einer ersten Dimension und eine zweite Strahlwinkelkomponente in einer zweiten Dimension aufweist. Der Systemcontroller 23 ist dazu ausgelegt, die Lichteinheit 10 zu steuern, um eine Vielzahl von Sendelichtstrahlen bei unterschiedlichen Auslösezeiten zu senden, um die Vielzahl von Sendelichtstrahlen bei unterschiedlichen Sendekoordinaten zu senden. Darüber hinaus ist der MEMS-Spiegel 12 dazu ausgelegt, zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten Drehrichtung zu schwingen, wenn er um seine Scanachse 13 schwingt. Der Systemcontroller 23 ist dazu ausgelegt, erste Sendelichtstrahlen von aufeinanderfolgend abgefeuerten Sendelichtstrahlen nur bei ersten Auslösezeiten auszulösen, die den geraden Zeilen entsprechen, während sich der MEMS-Spiegel in der ersten Drehrichtung dreht. Der Systemcontroller 23 ist dazu ausgelegt, zweite Lichtstrahlen von nacheinander abgefeuerten Sendelichtstrahlen nur bei zweiten Auslösezeiten auszulösen, die den ungeraden Zeilen entsprechen, während sich der MEMS-Spiegel in die zweite Drehrichtung dreht. Aufeinanderfolgend abgefeuerte Sendelichtstrahlen können sich auf eine Vielzahl von Laserfächern beziehen, die bei unterschiedlichen Sendezeiten abgefeuert werden.
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Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können von einer Hardwarevorrichtung (oder unter Verwendung einer solchen) ausgeführt werden, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer, oder einer elektronischen Schaltung. In einigen Ausführungsformen können einige oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
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Es ist ferner anzumerken, dass die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarten Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die über Mittel zur Durchführung der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren verfügt. Ferner ist klar, dass die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden können, dass sie sich innerhalb der spezifischen Reihenfolge befinden. Die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen schränkt diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge ein, es sei denn, solche Handlungen oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne Handlung mehrere Teilhandlungen enthalten oder in mehrere Teilhandlungen unterteilt sein. Solche Unterhandlungen können in die Offenbarung dieser einzelnen Handlung einbezogen werden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
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Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware, oder einer Kombination davon implementiert werden. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken in einem oder mehreren Prozessoren implementiert werden, einschließlich eines oder mehrerer Mikroprozessoren, DSPs (Digital Signal Processors), ASICs (Application-Specific Integrated Circuits), FPGAs (Field Programmable Logic Arrays), PLC (Programmable Logic Controller), oder anderer gleichwertiger integrierter oder diskreter Logikschaltungen, sowie beliebiger Kombinationen solcher Komponenten. Der Begriff „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltung“ kann sich im Allgemeinen auf jede der vorgenannten Logikschaltungen beziehen, allein oder in Kombination mit anderen Logikschaltungen oder anderen gleichwertigen Schaltungen. Eine Steuereinheit einschließlich Hardware kann auch eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung ausführen. Eine Steuereinheit kann elektrische Signale und digitale Algorithmen verwenden, um ihre rezeptiven, analytischen, und steuernden Funktionen auszuführen, die auch Korrekturfunktionen enthalten können. Solche Hardware, Software, und Firmware kann in derselben Vorrichtung oder in separaten Vorrichtungen implementiert werden, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen.
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Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Offenbarung können als nicht-flüchtiges, computerlesbares Aufzeichnungsmedium implementiert werden, auf dem ein Programm aufgezeichnet ist, das Verfahren/Algorithmen verkörpert, um den Prozessor anzuweisen, die Verfahren/Algorithmen durchzuführen. Somit können auf einem nicht-flüchtigen, computerlesbaren Aufzeichnungsmedium elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sein, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeiten (oder zusammenarbeiten können), so dass die jeweiligen Verfahren/Algorithmen ausgeführt werden. Das nicht-flüchtige, computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann, zum Beispiel, eine CD-ROM, DVD, Blu-ray®-Disc, ein RAM, ein ROM, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein FLASH-Speicher, oder eine elektronische Speichervorrichtung sein.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen offenbart wurden, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbarten Konzepte erreichen, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen erfüllen, in geeigneter Weise ersetzt werden können. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläutert sind, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch wenn diese nicht ausdrücklich erwähnt sind. Derartige Modifikationen des allgemeinen Erfindungskonzepts sollen durch die beigefügten Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente abgedeckt werden.
