DE102022209629A1

DE102022209629A1 - LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und Verfahren zum Abtasten eines Sichtfeldes

Info

Publication number: DE102022209629A1
Application number: DE102022209629.0A
Authority: DE
Inventors: Annette Frederiksen; Annemarie Holleczek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-03-14

Abstract

LIDAR-Sensor (100) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (201) aufweisend eine Sendeeinheit (103), welche dazu ausgebildet ist, mittels wenigstens einer Lichtquelle (1001, 1002) eine erste Abtastlinie (104-1) und eine zweite Abtastlinie (104-2) auszusenden; eine rotierbar ausgebildete Ablenkeinheit (107) mit wenigstens zwei Spiegelflächen (110-1, 110-2); und eine Steuereinheit (111), welche dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit (103) derart anzusteuern, dass die zwei Abtastlinien (104-1, 104-2) zeitlich nacheinander erzeugt werden. Hierbei ist die erste Abtastlinie (104-1) schräg bezüglich einer Abtastrichtung (205) ausgerichtet, und wobei ein Winkel der ersten Abtastlinie (104-1) bezüglich der Abtastrichtung (205) ein erster vordefinierter Winkel (701-1) ist; und die zweite Abtastlinie (104-2) schräg bezüglich der Abtastrichtung (205) ausgerichtet ist, und wobei ein Winkel der zweiten Abtastlinie (104-2) bezüglich der Abtastrichtung (205) ein vom ersten Winkel (701-1) abweichender zweiter vordefinierter Winkel (701-2) ist; und der erste Winkel (701-1) und der zweite Winkel (701-2) bezüglich der Abtastrichtung (205) entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zur Erfassung eines Sichtfeldes und ein Verfahren zum Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Die DE 102022113387 offenbart einen Lidar-Sensor, ein Umfelderfassungssystem und ein Fahrzeug, wobei der Lidar-Sensor aufweist: eine Sendeinheit, eine Empfangseinheit und eine Ablenkeinheit, wobei die Sendeeinheit eingerichtet ist, mittels wenigstens einer Lichtquelle wenigstens eine Abtastlinie zu erzeugen und in ein Umfeld des Lidar-Sensors auszusenden, wobei die Ablenkeinheit eingerichtet ist, die Abtastlinie entlang einer Abtastrichtung in dem Umfeld zu bewegen, wobei die Abtastlinie schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet ist, wobei die Empfangseinheit eingerichtet ist, im Umfeld des Lidar-Sensors reflektierte Anteile der Abtastlinie über die Ablenkeinheit zu empfangen und auf deren Basis ein Signal zu erzeugen und wobei der Lidar-Sensor eingerichtet ist, das Signal bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. Der LIDAR-Sensor weist eine Sendeeinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, mittels wenigstens einer Lichtquelle eine erste Abtastlinie und eine zweite Abtastlinie auszusenden. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin eine Empfangseinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, im Sichtfeld von einem Objekt reflektierte und/oder gestreute Anteile der zwei Abtastlinien zu empfangen und mittels wenigstens einer Detektoreinheit zu detektieren. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin eine rotierbar ausgebildete Ablenkeinheit mit wenigstens zwei Spiegelflächen auf, welche dazu ausgebildet ist, die ausgesendete erste und die ausgesendete zweite Abtastlinie entlang einer Abtastrichtung im Sichtfeld zu bewegen, und die empfangenen Anteile der zwei Abtastlinien in Richtung der Detektoreinheit abzulenken. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin eine Steuereinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit derart anzusteuern, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden. Die erste Abtastlinie ist hierbei schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet. Ein Winkel der ersten Abtastlinie ist bezüglich der Abtastrichtung ein erster vordefinierter Winkel. Die zweite Abtastlinie ist schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet. Ein Winkel der zweiten Abtastlinie ist bezüglich der Abtastrichtung ein vom ersten Winkel abweichender zweiter vordefinierter Winkel. Der erste Winkel und der zweite Winkel weisen bezüglich der Abtastrichtung entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag auf.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Sendeeinheit derart anzusteuern, dass die erste Abtastlinie auf eine erste Spiegelfläche der Ablenkeinheit trifft und dass die zweite Abtastlinie auf eine zweite, der ersten Spiegelfläche direkt benachbarte, Spiegelfläche trifft. Weiterhin ist die Detektoreinheit dazu ausgebildet, anhand der detektierten Anteile der zwei Abtastlinien ein Signal zu erzeugen.
Der LIDAR-Sensor ist beispielsweise an einem Fahrzeug wie einem PKW, einem LKW, einem Bus, einem Schienenfahrzeug oder an einem hiervon abweichenden Fahrzeug anordenbar und einsetzbar.
Die wenigstens eine Lichtquelle der Sendeeinheit kann als eine Laserlichtquelle ausgebildet sein. Die Laserlichtquelle kann zum Beispiel auf Basis einer oder mehrere Laserdioden ausgebildet sein. Eine bevorzugte Wellenlänge der Laserlichtquelle liegt im infraroten und weiter bevorzugt im nahinfraroten Wellenlängenbereich. Die Sendeeinheit kann neben der Emittereinheit noch optische Komponenten, wie optische Linsen, optische Filter, Spiegel o.ä. aufweisen. Als Licht wird insbesondere Strahlung im infraroten und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich verstanden.
Die Empfangseinheit kann neben der Detektoreinheit noch optische Komponenten, wie optische Linsen, optische Filter, Spiegel o.ä. aufweisen.
Die rotierbar ausgebildete Ablenkeinheit kann um eine Rotationsachse rotierbar ausgebildet sein. Die rotierbar ausgebildete Ablenkeinheit ist insbesondere als ein Prisma ausgebildet. Das Prisma kann eine polygonale Grund- und Deckfläche aufweisen. Die Grund- und Deckfläche sind insbesondere jeweils als ein regelmäßiges Polygon ausgebildet. Die Grund- und Deckfläche weisen insbesondere eine gleiche Anzahl an Ecken auf. Die wenigstens zwei Spiegelflächen sind insbesondere auf den Mantelflächen des Prismas angeordnet. Oder in anderen Worten können die Mantelflächen des Prismas als die wenigstens zwei Spiegelflächen ausgebildet sein. Insbesondere sind alle Mantelflächen des Prismas als Spiegelflächen ausgebildet.
Die Steuereinheit kann neben der Sendeeinheit auch zur Ansteuerung der rotierbar ausgebildeten Ablenkeinheit ausgebildet sein. Alternativ kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, ein Signal zu empfangen, welches einen aktuellen Drehwinkel der Ablenkeinheit repräsentiert. In Abhängigkeit der Ansteuerung der Ablenkeinheit oder der Information über den Drehwinkel der Ablenkeinheit kann die Steuereinheit die Sendeeinheit zur Aussendung der ersten Abtastlinie auf eine erste Spiegelfläche der Ablenkeinheit oder zur Aussendung der zweiten Abtastlinie auf eine zweite Spiegelfläche der Ablenkeinheit ansteuern.
Eine Bildrate ergibt sich aus der Summe zweier Abtastungen des Sichtfeldes, eine Abtastung mit der ersten, eine Abtastung mit der zweiten Abtastlinie. Die Summe der zwei Abtastungen kann also zu einem Signal zusammengefasst und gemeinsam ausgewertet werden. Je nachdem wie viele Spiegelflächen die Ablenkeinheit aufweist bzw. wie schnell die Ablenkeinheit rotiert, ergibt sich die Bildrate des LIDAR-Sensors. Der LIDAR-Sensor ist insbesondere dazu ausgebildet, das von der Detektoreinheit erzeugte Signal bereitzustellen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor vorzugsweise eine im Wesentlichen horizontale oder eine im wesentlichen vertikale Ausrichtung bezüglich eines durch den LIDAR-Sensor zu erfassenden Umfeldes aufweist, ohne eine mögliche Ausrichtung der Abtastrichtung dadurch einzuschränken. Für den Fall, dass die Abtastrichtung nicht horizontal oder vertikal bezüglich des Umfeldes ausgerichtet ist, ist eine Schrägstellung der Abtastlinien bevorzugt derart festgelegt, dass die Abtastlinien stets einen von 0° abweichenden vordefinierten Winkel bezüglich einer Horizontalen und bezüglich einer Vertikalen des Umfeldes aufweisen. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass die Abtastlinien nicht parallel zu horizontalen und vertikalen Konturen und/oder Ausdehnungen von Objekten im Umfeld (zum Beispiel Gebäuden, Straßenschildern, usw.) auf Objekte auftreffen, um auf diese Weise eine Unterscheidung von mittels des LIDAR-Sensors erfassten realen Objekten im Umfeld (Sichtfeld) und Fehldetektionen in der Empfangseinheit aufgrund von Übersprechen (englisch „Crosstalk“) zu ermöglichen. Die Beträge der Winkel der Abtastlinien bezüglich einer Vertikalen des Umfelds (d.h. vorteilhaft bezüglich der Lotrichtung) entsprechen beispielsweise jeweils einem Betrag zwischen größer 0° und kleiner 90°, bevorzugt einem Betrag zwischen 5° und 85°, weiter bevorzugt einem Betrag zwischen 20° und 70° und insbesondere bevorzugt einem Betrag zwischen 30° und 60°.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die ausgesendeten Abtastlinien jeweils schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet sind. Dadurch, dass die erste und die zweite Abtastlinie auf zwei direkt benachbarten Spiegelflächen treffen, kann sichergestellt werden, dass eine sequenzielle x-förmige Abtastung des Sichtfelds in diesem Bereich erreicht werden kann. Diese x-förmige Abtastung kann durch das Auftreffen der ersten und der zweiten Abtastlinie auf die zwei direkt benachbarten Spiegelflächen zeitlich schnell erreicht werden.
Ein optisches Übersprechen auf der Detektoreinheit kann wesentlich verringert oder gar vermieden werden. Bzw. ein optisches Übersprechen kann wesentlich besser identifiziert und von realen Objekten unterschieden werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Detektoreinheit als SPAD-Detektor mit sehr hoher Sensitivität ausgebildet ist. Hierdurch kann vermieden werden, dass fälschlicherweise Objekte im Sichtfeld des LIDAR-Sensors erkannt werden, die gar nicht existent sind. Eine sogenannte Falsch-positiv-Rate (FPR) kann deutlich reduziert werden. Insbesondere durch die sequenzielle x-förmige Abtastung ist eine bessere Identifizierung von Objekten und eine bessere Unterscheidung zu Übersprechen möglich als bspw. im Vergleich zu einer reinen Kreuz-Beleuchtung.
Dies kann insbesondere beim Einsatz eines LIDAR-Sensors in einem wenigstens teilweise autonom fahrenden Fahrzeug vorteilhafter Weise dazu führen, dass weniger unnötige Brems- oder Ausweichmanöver durchgeführt werden müssen. Andererseits können Objekte, die sich in der Nähe eines sehr stark reflektierenden anderen Objekts befinden, wesentlich zuverlässiger erkannt werden. Insbesondere können Objekte, die sich ober- und/oder unterhalb eines stark reflektierenden anderen Objekts befinden aufgrund der schräg ausgerichteten Abtastlinien wesentlich zuverlässiger erkannt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da viele Objekte in der Umwelt vertikale Kanten und/oder Begrenzungen aufweisen. Hierdurch verbessert sich insgesamt die Leistungsfähigkeit des LIDAR-Sensors.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, auf Basis des Signals ein in der Detektoreinheit erzeugtes Übersprechen zu identifizieren und/oder Objekte im Umfeld des LIDAR-Sensors zu ermitteln und diese von Signalanteilen zu unterscheiden, welche durch ein Übersprechen erzeugt werden.
Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA-Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet. Ein vorhandenes Übersprechen wird beispielsweise dadurch identifiziert, dass die in der Empfangseinheit empfangenen Abtastlinien eine Ausdehnung aufweisen, welche im Wesentlichen einer maximal erfassbaren Ausdehnung entsprechen und/oder welche einen vordefinierten Ausdehnungsschwellwert überschreiten, der mit einer hohen Wahrscheinlichkeit für ein Übersprechen korrespondiert. Alternativ oder zusätzlich lässt sich ein Übersprechen beispielsweise auf Basis eines Abgleichs von Detektionen für unterschiedliche Winkelpositionen (insbesondere von benachbarten Winkelpositionen der Abtastlinien bezüglich des Umfeldes und/oder auf Basis einer Streuung einer Abtastlinien in senkrechter Richtung zu den Abtastlinien und/oder auf Basis weiterer vordefinierter Kriterien für ein wahrscheinlich vorhandenes Übersprechen ermitteln. Das Ermitteln von Objekten im Umfeld des LIDAR-Sensors erfolgt vorzugsweise mittels aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren zur Objekterkennung. Eine Unterscheidung von realen Objekten und Detektionen, die durch Übersprechen verursacht werden, erfolgt beispielsweise durch einen Abgleich von Objektinformationen mit Informationen bezüglich eines Übersprechens, welche wie vorstehend beschrieben, ermittelbar sind. Hierbei lässt sich insbesondere die vorstehend beschriebene Tatsache nutzen, dass viele Objekte im Umfeld vertikale und/oder horizontale Kanten und/oder Begrenzungen und/oder Ausdehnungen aufweisen, wodurch sie von x-förmig detektiertem Übersprechen besonders gut unterscheidbar sind. Zudem bietet die jeweils schräge Ausrichtung der zwei Abtastlinien den Vorteil, dass Objekte, die vertikal und/oder horizontal neben einem Objekt angeordnet sind, das ein Übersprechen verursacht, mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht vollständig durch das Übersprechen verdeckt werden, und somit zumindest teilweise identifizierbar sind. Hierdurch lässt sich eine Zuverlässigkeit einer Objekterkennung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbessern, da beispielsweise Fahrzeuge und/oder Personen, die sich unterhalb, oberhalb, links oder rechts von einem Objekt befinden, welches ein Übersprechen verursacht (nachfolgend auch „Crosstalk verursachendes Objekt“ genannt), nach wie vor detektierbar sind. Entsprechend lässt sich durch eine Verwendung des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors eine Verkehrssicherheit erhöhen. Ferner ist es auf Basis der zwei schräggestellten Abtastlinien möglich, Crosstalk verursachende überfahrbare Objekte (z. B. sogenannte „bott's dots“) von Crosstalk verursachenden nicht überfahrbaren Objekten (z. B. Pylone) zu unterscheiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Empfangseinheit eine SPAD-basierte Empfangseinheit ist.
SPAD-basierte Empfangseinheiten werden häufig aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und einer damit einhergehenden hohen Reichweite von SPADbasierten LIDAR-Sensoren eingesetzt. Die hohe Empfindlichkeit stellt aber im Zusammenhang mit einer Erfassung hochreflektierender bzw. stark retroreflektierender Objekte im Umfeld des LIDAR-Sensors gleichzeitig ein Problem dar, da solche hochreflektierenden Objekte aufgrund von Streuungen im Empfangspfad usw. zu Fehlauslösungen von SPAD-Empfangspixeln führen können. Mit anderen Worten ist es möglich, dass ein hochreflektierendes Objekt (z. B. ein Verkehrsschild, beispielsweise einer Schilderbrücke usw.), dessen Ausdehnung kleiner ist als eine Ausdehnung der Abtastlinien beim Auftreffen auf das Objekt, nicht nur zu einer Auslösung von jenen SPAD-Pixeln der Empfangseinheit führt, welche mit einer Ausdehnung des durch die Abtastlinien beleuchteten Objektes korrespondieren, sondern zu einer ungewollten Auslösung zusätzlicher benachbarter SPAD-Pixeln führt, welche entsprechend zu Fehldetektionen von Objekten im Umfeld führen können. Bei dem erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor wird dieses Problem deutlich reduziert. Mit anderen Worten ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors besonders dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors eine SPAD-basierte Empfangseinheit ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit ein erstes holographisches optisches Element aufweist, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die erste Abtastlinie umzuwandeln und ein zweites holographisches optisches Element aufweist, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die zweite Abtastlinie umzuwandeln. Hierbei sind das erste und das zweite holographische optische Element jeweils schaltbar ausgebildet und aneinander angrenzend angeordnet.
Als schaltbare holographische optische Elemente (HOEs) können H-PDLCs (Holographic Polymer-Dispersed Liquid Crystals) genutzt werden. Dabei handelt es sich um spezielle holographische Materialien, die beim Anlegen einer Spannung ihren Zustand ändern. Die Funktion des HOE kann somit ein- und ausgeschaltet werden. Die zwei HOEs können mittels der Steuereinheit zeitlich nacheinander aktiv geschaltet werden. Die Schaltzeiten können hierbei im µs- bis ms-Bereich liegen. Schaltzeiten in diesem Zeitbereich sind damit ausreichend, um ein Umschalten der zwei HOEs zur Aussendung der ersten und der zweiten Abtastlinie auf zwei direkt benachbarte Spiegelflächen der Ablenkeinheit zu erreichen.
Am ersten HOE kann das Licht der Lichtquelle durch Beugung am Gitter in die erste schräg ausgebildete Abtastlinie umgewandelt werden. Am zweiten HOE kann das Licht der Lichtquelle durch Beugung am Gitter in die zweite schräg ausgebildete Abtastlinie umgewandelt werden.
Alternativ weist die Sendeeinheit ein erstes diffraktives oder holographisches optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die erste Abtastlinie umzuwandeln und ein zweites diffraktives oder holographisches optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die zweite Abtastlinie umzuwandeln, auf. Hierbei sind das erste diffraktive oder holographische optische Element und das zweite diffraktive oder holographische optische Element beabstandet voneinander angeordnet.
Insbesondere kann die Sendeeinheit bei dieser Alternative zwei Lichtquellen aufweisen, die zeitlich nacheinander angesteuert werden zur jeweiligen Aussendung von Licht. Licht der ersten Lichtquelle trifft somit insbesondere auf das erste diffraktive optische Element (DOE)/holographische optische Element (HOE). Licht der zweiten Lichtquelle trifft insbesondere auf das zweite DOE/HOE. In einer anderen Variante kann die Sendeeinheit nur eine Lichtquelle aufweisen, deren Licht mittels eines schaltbaren Elements entweder auf das erste DOE/HOE oder das zweite DOE/HOE umgelenkt wird. Das schaltbare Element kann bspw. als dichroitischer Spiegel oder als schaltbares HOE ausgebildet sein.
Am ersten DOE/HOE kann das Licht der (ersten) Lichtquelle durch Beugung am Gitter in die erste schräg ausgebildete Abtastlinie umgewandelt werden. Am zweiten DOE/HOE kann das Licht der (zweiten) Lichtquelle durch Beugung am Gitter in die zweite schräg ausgebildete Abtastlinie umgewandelt werden.
Alternativ weist die Sendeeinheit eine erste schräggestellte Lichtquelle zur Erzeugung der ersten Abtastlinie und eine zweite entgegengesetzt schräggestellte Lichtquelle zur Erzeugung der zweiten Abtastlinie und einen Strahlkombinierer, der die erste und die zweite Abtastlinie kombiniert, auf. Als Strahlkombinierer kommt hier insbesondere ein polarisierender Strahlteilerwürfel o. ä. in Frage, da dieser eine besonders hohe Effizienz beim Zusammenführen entsprechend unterschiedlich polarisierter Lichtquellen aufweist. Jeweilige mit dem Strahlteilerwürfel korrespondierende Polarisierungen der Lichtquellen können durch inhärente Polarisierungen der Lichtquellen und/oder mittels im Sendepfad angeordneter Waveplates usw. erreicht werden. Auch ein HOE ist als Strahlkombinierer möglich.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass verschiedene Möglichkeiten geschaffen werden, die Schrägstellung der zwei Abtastlinien zu erreichen. Die schräggestellten Lichtquellen können relativ einfach realisiert werden. Die Varianten mit den DOEs/HOEs ermöglichen eine flexible Gestaltung der optischen Pfade. Die HOEs können als Reflexions- oder Transmissionshologramme ausgeführt werden und ermöglichen beliebig wählbare Umlenkkonfiguration (Off-Axis-Winkel), da man nicht mehr an die Gesetzmäßigkeit Einfallswinkel = Ausfallswinkel gebunden ist. Dies ermöglicht sehr flexible und bauraumoptimierte Anordnungen innerhalb des LIDAR-Sensors. Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft die HOEs als Volumenhologramme auszuführen, da somit Beugungseffizienzen von bis zu 100% erreicht werden können. Die Herstellung der HOEs kann durch Belichten einer holografischen Polymerfolie mit einem Masterhologramm in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess geschehen und ist somit auch massenproduktionstauglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Empfangseinheit eine x-förmig ausgeprägte Detektoreinheit oder eine flächig ausgebildete Detektoreinheit oder ein x-förmiges oder teilzirkulares Zonenhologramm und eine linienförmig ausgebildete Detektoreinheit aufweist.
Die x-förmig ausgeprägte Detektoreinheit kann sich bspw. aus einer Mehrzahl einzelner Detektoren und/oder einzelner Empfangsflächen und/oder einzelner Empfangsbereiche zusammensetzen.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Möglichkeiten geschaffen werden, die schräg bzw. x-förmig reflektierten und/oder gestreuten Anteile zu empfangen und zu detektieren. Insbesondere die x-förmig ausgeprägte Detektoreinheit oder die flächig ausgebildete Detektoreinheit ermöglichen ein ziemlich sicheres Detektieren der im Sichtfeld reflektierten und/oder gestreuten Anteile der zwei Abtastlinien. Insbesondere die linienförmig ausgebildete Detektoreinheit hat den Vorteil fertigungstechnisch geringere Kosten zu verursachen.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zum Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren weist auf die Schritte: Erzeugen und Aussenden einer ersten Abtastlinie und einer zweiten Abtastlinie mittels wenigstens einer Lichtquelle einer Sendeeinheit, wobei die Sendeeinheit mittels einer Steuereinheit derart angesteuert wird, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden; Bewegen der ersten und der zweiten Abtastlinie entlang einer Abtastrichtung im Sichtfeld mittels einer rotierbar ausgebildeten Ablenkeinheit mit wenigstens zwei Spiegelflächen; Empfangen von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Anteilen der zwei Abtastlinien mittels einer Empfangseinheit; Ablenkung der empfangenen Anteile in Richtung einer Detektoreinheit der Empfangseinheit mittels der Ablenkeinheit; und Detektieren der empfangenen Anteile mittels der Detektoreinheit. Hierbei ist die erste Abtastlinie schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet. Ein Winkel der ersten Abtastlinie bezüglich der Abtastrichtung ist ein erster vordefinierter Winkel. Die zweite Abtastlinie ist schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet. Ein Winkel der zweiten Abtastlinie bezüglich der Abtastrichtung ist ein vom ersten Winkel abweichender zweiter vordefinierter Winkel. Der erste Winkel und der zweite Winkel weisen bezüglich der Abtastrichtung entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag auf.
Erfindungsgemäß steuert die Steuereinheit die Sendeeinheit derart an, dass die erste Abtastlinie auf eine erste Spiegelfläche der Ablenkeinheit trifft und dass die zweite Abtastlinie auf eine zweite, der ersten Spiegelfläche direkt benachbarte, Spiegelfläche trifft. Weiterhin weist das Verfahren den weiteren Schritt der Erzeugung eines Signals anhand der detektierten Anteile der zwei Abtastlinien mittels der Detektoreinheit auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren den weiteren Schritt der Identifikation von in der Detektoreinheit erzeugtem Übersprechen auf Basis des Signals mittels einer Auswerteeinheit auf. Das Verfahren weist zusätzlich oder alternativ den Schritt des Ermittelns von Objekten im Umfeld des LIDAR-Sensors und die Unterscheidung dieser Objekte von Signalanteilen, welche durch ein Übersprechen erzeugt werden, mittels der Auswerteeinheit auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit ein erstes holographisches optisches Element aufweist, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die erste Abtastlinie umzuwandeln und ein zweites holographisches optisches Element aufweist, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die zweite Abtastlinie umzuwandeln. Hierbei sind das erste und das zweite holographische optische Element jeweils schaltbar ausgebildet und aneinander angrenzend angeordnet. Das erste und das zweite holographisch optische Element werden mittels der Steuereinheit derart angesteuert, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Alternativ weist die Sendeeinheit ein erstes diffraktives oder holographisches optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die erste Abtastlinie umzuwandeln und ein zweites diffraktives oder holographisches optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die zweite Abtastlinie umzuwandeln, auf. Hierbei sind das erste diffraktive oder holographische optische Element und das zweite diffraktive oder holographische optische Element beabstandet voneinander angeordnet. Hierbei werden die wenigstens eine Lichtquelle oder ein schaltbares Element der Sendeeinheit mittels der Steuereinheit derart angesteuert, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Alternativ weist die Sendeeinheit eine erste schräggestellte Lichtquelle zur Erzeugung der ersten Abtastlinie und eine zweite entgegengesetzt schräggestellte Lichtquelle zur Erzeugung der zweiten Abtastlinie und einen Strahlkombinierer, der die erste und die zweite Abtastlinie kombiniert, auf. Hierbei werden die erste und die zweite Lichtquelle mittels der Steuereinheit derart angesteuert, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem maschinenlesbaren Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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.
Zeichnungen
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 Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors mit Beleuchtung nach Art des Standes der Technik;
2 Optisches Übersprechen mit einem LIDAR-Sensor nach Art des Standes der Technik im Falle kleiner, stark (retro-) reflektierender Objekte;
3 Optisches Übersprechen im Falle einer Schilderbrücke mit einem LIDAR-Sensor nach Art des Standes der Technik;
4 Optisches Übersprechen aufgrund eines stark reflektierenden Objekts mit einem LIDAR-Sensor nach Art des Standes der Technik und die Schwierigkeit andere Objekte in der Nähe zu erkennen;
5 ein mit Linien ausgeleuchtetes Sichtfeld mit einem LIDAR-Sensor nach Art des Standes der Technik und optisches Übersprechen aufgrund eines stark reflektierenden Objekts;
6 zwei Möglichkeiten eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
7 Abtastung des Sichtfeldes mit der ersten und der zweiten Abtastlinie;
8 Optisches Übersprechen mit einem LIDAR-Sensor aus 6 im Falle kleiner, stark (retro-) reflektierender Objekte;
9 Optisches Übersprechen aufgrund eines stark reflektierenden Objekts mit einem LIDAR-Sensor aus 6 und die Erkennung eines Objekts in der Nähe;
10 erstes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
11 zweites Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
12 drittes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
13 viertes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
14 erstes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
15 erstes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
16 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors.

1 zeigt beispielhaft das Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors nach Art des Standes der Technik. Mittels dieser Art des Abtastens kann das hier gezeigte Sichtfeld 201 abgetastet und erfasst werden. Das Sichtfeld 201 weist hierbei eine erste Ausdehnung 203 und eine zweite Ausdehnung 204 auf. Die erste Ausdehnung 203 kann hierbei eine vertikale Ausdehnung des Sichtfelds 201 sein. Die zweite Ausdehnung 204 kann hierbei eine horizontale Ausdehnung des Sichtfelds 201 sein. Die hier gezeigte Art des Abtastens kann beispielsweise mittels eines LIDAR-Sensors realisiert werden, der Primärlicht in Linienform über einen Ablenkspiegel in das Sichtfeld 201 aussendet. Die ausgesendete Linie 202 wird entlang der Abtastrichtung 205 im Sichtfeld 201 bewegt. Insbesondere wenn solch ein LIDAR-Sensor einen sehr sensitiven SPAD-Sensor als Detektoreinheit aufweist, können bei einer Erfassung von Objekten im Sichtfeld 201 vor allem dann Probleme auftreten, wenn im Sichtfeld stark (retro-)reflektierende Objekte vorhanden sind. Dies wird anhand der nachfolgenden 2 bis 5 näher erläutert.
2 veranschaulicht die Problematik des optischen Übersprechens (Cross-Talk) mit einem LIDAR-Sensor mit Linienbeleuchtung nach Art des Standes der Technik im Falle kleiner, stark (retro-)reflektierender Objekte. Gezeigt ist im oberen Teil der 2 das Fahrzeug 301, welches sich auf einer Fahrbahn 302 entlang einer Fahrtrichtung 304 fortbewegt. Das Fahrzeug 301 hat hierbei einen LIDAR-Sensor mit Linienbeleuchtung nach Art des Standes der Technik eingebaut, mittels dem ein Sichtfeld in Fahrtrichtung 304 vor dem Fahrzeug 301 erfasst werden kann. Befindet sich nun auf der Fahrbahn 302 die retroreflektierende Straßenmarkierung 303, so wird das vom LIDAR-Sensor emittierte, linienförmige Licht derart stark an der Straßenmarkierung 303 reflektiert, dass dieses durchaus sehr kleine Objekt in einer Punktwolke des LIDAR-Sensors als ein deutlich größerer, stabartiger Gegenstand erfasst wird. Der von diesem optischen Übersprechen betroffene Bereich ist durch den Bereich 305 gekennzeichnet. Die kleine retroreflektierende Straßenmarkierung 303 kann hierdurch fälschlicherweise als ein Pylon 306 oder ein Pfosten 307 erkannt werden.
3 veranschaulicht die Problematik des optisches Übersprechens im Falle einer Schilderbrücke mit einem LIDAR-Sensor mit Linienbeleuchtung nach Art des Standes der Technik. Wie in 2 ist auch hier ein Fahrzeug 301 gezeigt, welches sich auf der Fahrbahn 302 entlang der Fahrtrichtung 304 fortbewegt. Das Fahrzeug 301 hat hierbei einen LIDAR-Sensor mit Linienbeleuchtung nach Art des Standes der Technik eingebaut, mittels dem ein Sichtfeld in Fahrtrichtung 304 vor dem Fahrzeug 301 erfasst werden kann. Befindet sich nun eine Schilderbrücke 401 oberhalb der Fahrbahn 302, so wird mittels des LIDAR-Sensors nach Art des Stands der Technik nicht nur die Schilderbrücke 401 an sich erfasst. Vielmehr werden in einer Punktewolke des LIDAR-Sensors aufgrund des optischen Übersprechens auch die Bereiche 305 unter der Schilderbrücke 401 als falsch-positive Objekte erfasst. Dies kann auch für Bereiche oberhalb der Schilderbrücke auftreten (in 3 nicht extra eingezeichnet).
4 veranschaulicht die Problematik des optischen Übersprechens aufgrund eines stark reflektierenden Objekts mit einem LIDAR-Sensor mit Linienbeleuchtung nach Art des Standes der Technik und die Schwierigkeit andere Objekte in der Nähe zu erkennen. Im linken Teil der 4 läuft ein Mensch 502 unter dem Straßenschild 501 entlang. Im rechten Teil der 4 ist die mittels eines LIDAR-Sensors nach Art des Stand der Technik erfasste Punktewolke dieser Situation zu erkennen, wobei der Ausschnitt 503 noch einmal vergrößert dargestellt ist. In diesem rechten Teil der 4 ist erkennbar, dass das stark retroreflektierende Straßenschild 501 viele Messpunkte im Teilbereich 305-1 des gesamten, markierten Bereichs 305, jedoch auch viele falsch-positive Messpunkte im Bereich 305 bewirkt. Das retroreflektierende Straßenschild 501 kann deshalb auch als „Cross-Talk Causing Object“ (CTCO) bezeichnet werden. Der Mensch 502 kann im Bereich 305 nur sehr schwer im Teilbereich 305-2 erkannt werden. Diese Problematik ist auch in 5 noch einmal dargestellt.
5 zeigt ein mit den Linien 202 ausgeleuchtetes Sichtfeld 201 mit einem LIDAR-Sensor mit Linienbeleuchtung nach Art des Standes der Technik und optisches Übersprechen aufgrund eines stark reflektierenden Objekts. Das Sichtfeld 201 weist die vertikale Ausdehnung 203 und die horizontale Ausdehnung 204 auf. Die vom LIDAR-Sensor ausgesendeten Linien 202 sind hierbei parallel zur vertikalen Ausdehnung 203. Das Straßenschild 501 als CTCO ist ein sehr starker Reflektor, wodurch es im Bereich 305 zu optischem Übersprechen kommt, und der Mensch 502 unter dem Straßenschild 501 komplett hiervon verdeckt ist.
Um die Problematik des optischen Übersprechens zu eliminieren oder wenigstens deutlich zu reduzieren, kann der nachfolgend beschriebene LIDAR-Sensor eingesetzt werden.
6 zeigt zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 100. Bei beiden Ausführungsformen weist der LIDAR-Sensor 100 eine Sendeeinheit 103 auf, welche dazu ausgebildet ist, mittels wenigstens einer Lichtquelle eine erste Abtastlinie und eine zweite Abtastlinie auszusenden. Der Einfachheit halber ist jeweils nur die Abtastlinie 104-1 in vereinfachter Form angedeutet. Mögliche Ausführungsbeispiele der Sendeeinheit 103 sind in den 10 bis 13 gezeigt und werden dort beschrieben.
Weiterhin weist der LIDAR-Sensor 100 bei beiden Ausführungsformen eine Empfangseinheit 105 auf, welche dazu ausgebildet ist, im Sichtfeld von einem Objekt reflektierte und/oder gestreute Anteile der zwei Abtastlinien zu empfangen und mittels wenigstens einer Detektoreinheit zu detektieren. Der Einfachheit halber ist jeweils nur der reflektierte und/oder gestreute Anteile 106-1 der ersten Abtastlinie angedeutet. Die Empfangseinheit 105 ist insbesondere eine SPAD-basierte Empfangseinheit 105. Mögliche Ausführungsbeispiele der Empfangseinheit 105 sind in den 14 und 15 gezeigt und werden dort beschrieben.
Weiterhin weist der LIDAR-Sensor 100 eine rotierbar ausgebildete Ablenkeinheit 107 mit wenigstens zwei Spiegelflächen 110-1, 110-2 auf, welche dazu ausgebildet ist, die ausgesendete erste 104-1 und die ausgesendete zweite Abtastlinie entlang einer Abtastrichtung im Sichtfeld zu bewegen, und die empfangenen Anteile der zwei Abtastlinien in Richtung der Detektoreinheit abzulenken. Die Ablenkeinheit 107 ist insbesondere um die Rotationsache 108 herum rotierbar ausgebildet. Die Ablenkeinheit kann bspw. entlang der Rotationsrichtung 109 rotierbar ausgebildet sein.
Bei der im linken Teil der 6 gezeigten Ausführungsform eines LIDAR-Sensors 100 sind die Sendeeinheit 103 und die Empfangseinheit 105 auf derselben Seite der Ablenkeinheit 107 angeordnet. Insbesondere sind Sendeeinheit 103 und Empfangseinheit 105 übereinander gestapelt angeordnet. Der reflektierte und/oder gestreute Anteil einer jeden Abtastlinie trifft auf dieselbe Spiegelfläche wie die jeweils zugehörige ausgesendete Abtastlinie.
Bei der im rechten Teil der 6 gezeigten Ausführungsform eines LIDAR-Sensors 100 sind die Sendeeinheit 103 und die Empfangseinheit 105 auf verschiedenen Seite der Ablenkeinheit 107 angeordnet. Insbesondere sind Sendeeinheit 103 und Empfangseinheit 105 einander gegenüberliegend, mit der Ablenkeinheit 107 dazwischen, angeordnet. Der reflektierte und/oder gestreute Anteil einer jeden Abtastlinie trifft auf eine andere Spiegelfläche als die jeweils zugehörige ausgesendete Abtastlinie.
Die LIDAR-Sensoren 100 weisen in beiden Ausführungsformen jeweils eine Steuereinheit 111 auf, welche dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit 103 derart anzusteuern, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden. Die Steuereinheit 111 ist dazu ausgebildet, die Sendeeinheit 103 derart anzusteuern, dass die erste Abtastlinie 104-1 auf eine erste Spiegelfläche 110-1 der Ablenkeinheit 107 trifft und dass die zweite Abtastlinie auf eine zweite 110-2, der ersten Spiegelfläche 110-1 direkt benachbarte, Spiegelfläche trifft. Weiterhin ist die Detektoreinheit dazu ausgebildet ist, anhand der detektierten Anteile der zwei Abtastlinien ein Signal zu erzeugen.
Die LIDAR-Sensoren weisen in beiden Ausführungsformen weiterhin ein Gehäuse 101 auf, in welchem ein Sichtfenster 102 angeordnet ist, durch welches die zwei Abtastlinien in die Umgebung ausgesendet werden können und durch welches die in der Umgebung reflektierten und/oder gestreuten Anteile der zwei Abtastlinien wieder in den LIDAR-Sensor 100 eintreten können.
7 zeigt die genaue Abtastung des Sichtfeldes 201 mit der ersten 104-1 und der zweiten Abtastlinie 104-2 eines LIDAR-Sensors 100 aus 6, sprich wie die erste 104-1 und die zweite Abtastlinie 104-2 ausgebildet sind und wie sie im Sichtfeld 201 entlang der Abtastrichtung 205 bewegt werden.
So ist die erste Abtastlinie 104-1 schräg bezüglich der Abtastrichtung 205 ausgerichtet. Der Winkel der ersten Abtastlinie 104-1 bezüglich der Abtastrichtung 205 ist ein erster vordefinierter Winkel 701-1. Durch das Auftreffen der ersten Abtastlinie 104-1 auf eine erste Spiegelfläche 110-1 der Ablenkeinheit 107 des LIDAR-Sensors 100 wird die erste Abtastlinie 104-1 entlang der Abtastrichtung 205 im Sichtfeld 201 bewegt. Das Sichtfeld 201 wird mittels der ersten Abtastlinie 104-1 abgetastet. Dies ist im linken Teil der 7 gezeigt.
Die zweite Abtastlinie 104-2 ist ebenfalls schräg bezüglich der Abtastrichtung 205 ausgerichtet. Hierbei ist ein Winkel der zweiten Abtastlinie 104-2 bezüglich der Abtastrichtung 205 ein vom ersten Winkel 701-1 abweichender zweiter vordefinierter Winkel 701-2. Außerdem weisen der erste Winkel 701-1 und der zweite Winkel 701-2 bezüglich der Abtastrichtung 205 entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag aufweisen. Der erste Winkel 701-1 und der zweite Winkel 701-2 weisen insbesondere den gleichen Betrag auf. Durch das Auftreffen der zweiten Abtastlinie 104-2 auf eine zweite Spiegelfläche 110-2 der Ablenkeinheit 107 des LIDAR-Sensors 100 wird die zweite Abtastlinie 104-2 ebenfalls entlang der Abtastrichtung 205 im Sichtfeld 201 bewegt. Das Sichtfeld 201 wird mittels der zweiten Abtastlinie 104-1 abgetastet. Dies ist im rechten Teil der 7 gezeigt.
Dadurch, dass die erste 104-1 und die zweite Abtastlinie 104-2 auf zwei direkt benachbarte Spiegelflächen 110-1, 110-2 treffen, kann eine x-förmige Abtastung des Sichtfelds 205 erreicht werden.
Eine Bildrate 703 ergibt sich aus der Summe der zwei dargestellten Abtastungen des Sichtfeldes 205, einmal mit der ersten 104-1, einmal mit der zweiten Abtastlinie 104-2. Die Summe der zwei Abtastungen kann dann zu einem Signal zusammengefasst und gemeinsam ausgewertet werden.
Die LIDAR-Sensoren 100 aus 6 können weiterhin eine, hier nicht gezeigte, Auswerteeinheit aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, auf Basis des Signals ein in der Detektoreinheit erzeugtes Übersprechen zu identifizieren und/oder Objekte im Umfeld des LIDAR-Sensors 100 zu ermitteln und diese von Signalanteilen zu unterscheiden, welche durch ein Übersprechen erzeugt werden. Diese wird anhand der 8 und 9 näher beschrieben.
8 zeigt den Effekt, der mittels des in 6 beschriebenen LIDAR-Sensors und dessen in 7 beschriebenen Abtastung auf das optische Übersprechen im Falle kleiner, stark (retro-)reflektierender Objekte erzeugt werden kann. Auch in 8 befinden sich wieder retroreflektierende Straßenmarkierungen 303, ein Pylon 306 und ein Pfosten 307 auf einer Fahrbahn 302. Hierbei ist nicht die gesamte Abtastung mittels der ersten 104-1 und 104-2 Abtastlinie des LIDAR-Sensors 100 gezeigt, sondern nur beispielhaft die reflektierten und/oder gestreute Anteilen 106-1, 106-2 der zwei Abtastlinien, welche hier zusammen ebenso x-förmig ausgebildet sind. Die Bereiche, die in diesem Beispiel von optischen Übersprechen betroffen sind, sind durch die Rechtecke 801 markiert. Es ist erkennbar, dass aufgrund der oben beschriebenen Abtastung bei einem Pylon 306 mehr optisches Übersprechen generiert wird als bei einer Straßenmarkierung 303. Entsprechend werden bei dem Pylon 306 mehr falsch-positive Messpunkt generiert als bei der Straßenmarkierung 303. Aufgrund dieses Unterschiedes kann eine Straßenmarkierung 303 wesentlich einfacher von einem Pylon 306 unterschieden werden. Ein Fahrzeug kann die Straßenmarkierung 303 als kleines, überfahrbares Objekt erkennen. Grundlose Brems- oder Ausweichmanöver können vermieden werden.
9 zeigt den Effekt, der mittels des in 6 beschriebenen LIDAR-Sensors 100 und dessen in 7 beschriebener Abtastung auf das optische Übersprechen im Falle eines stark reflektierenden Objekts und die Erkennung eines Objekts in der Nähe erzeugt werden kann. Die 9 ähnelt hierbei der 5, nur dass dieses Mal das Sichtfeld 201, in dem sich das Straßenschild 501 und der Mensch 502 befinden, mittels der in 7 beschriebenen Art abgetastet wird. Wiederrum sind beispielhaft die reflektierten und/oder gestreuten Anteile 106-1, 106-2 der zwei Abtastlinien, welche hier zusammen ebenso x-förmig ausgebildet sind, gezeigt. Das stark retroreflektierende Verkehrsschild 501 wird x-förmig beleuchtet, so dass auch das optische Übersprechen 801 mittels der Detektoreinheit des LIDAR-Sensors 100 entsprechend detektiert wird. Der Mensch 502 ist aufgrund dieser Art der Abtastung so gut wie gar nicht von dem optischen Übersprechen 801 betroffen. Der Mensch 502 kann hierdurch zuverlässig detektiert werden.
Die 10 bis 13 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Sendeeinheit 103 eines in 6 beschriebenen LIDAR-Sensors 100.
10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit 103 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 100, wobei die Sendeeinheit 103 ein erstes holographisches optisches Element 1005 aufweist, welches dazu ausgebildet ist, Licht 1003 der Lichtquelle 1001 in die erste Abtastlinie 104-1 umzuwandeln und ein zweites holographisches optisches Element 1006, welches ausgebildet ist, Licht 1003 der Lichtquelle 1001 in die zweite Abtastlinie 104-2 umzuwandeln. Hierbei sind das erste 1005 und das zweite 1006 holographische optische Element jeweils schaltbar ausgebildet und aneinander angrenzend angeordnet. Die HOEs können mit anderen Worten mittels der Steuereinheit zeitlich nacheinander aktiv geschaltet werden.
Der Einfachheit halber ist hier nur die Sendeeinheit 103 und nicht der gesamte LIDAR-Sensor inklusive z.B. der Ablenkeinheit gezeigt. Dennoch kann die Ansteuerung der Sendeeinheit 103 mittels der Steuereinheit des LIDAR-Sensors folgender Maßen erklärt werden: So kann die Steuereinheit zunächst, im Zeitraum t₁, das erste HOE 1005 aktiv schalten, so dass die um den ersten Winkel schräg zur Abtastrichtung ausgerichtete erste Abtastlinie 104-1 auf eine erste Spiegelfläche der Ablenkeinheit des LIDAR-Sensors trifft und entlang der Abtastrichtung im Sichtfeld bewegt wird. Sobald die Ablenkeinrichtung derart rotiert ist, dass das Licht 1003 der Lichtquelle 1001 auf die zweite, der ersten Spiegelfläche direkt benachbarte Spiegelfläche trifft, schaltet die Steuereinheit auf das zweite HOE 1006 um. Nun, im Zeitraum t₂, kann die um den zweiten Winkel schräg zur Abtastrichtung ausgerichtete zweite Abtastlinie 104-2 auf die zweite Spiegelfläche der Ablenkeinheit des LIDAR-Sensors treffen und entlang der Abtastrichtung im Sichtfeld bewegt werden.
11 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit 103 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 100, wobei die Sendeeinheit 103 ein erstes diffraktives oder holographisches optisches Element 1101, welches dazu ausgebildet ist, Licht 1003 einer ersten Lichtquelle 1001 in die erste Abtastlinie 104-1 umzuwandeln, aufweist, und ein zweites diffraktives oder holographisches optisches Element 1102, welches ausgebildet ist, Licht 1004 einer zweiten Lichtquelle 1002 in die zweite Abtastlinie 104-2 umzuwandeln. Hierbei sind das erste diffraktive oder holographische optische Element 1101 und das zweite diffraktive oder holographische optische Element 1102 beabstandet voneinander angeordnet sind. Die Ansteuerung der Sendeeinheit 103 mittels der Steuereinheit des LIDAR-Sensors erfolgt hierbei vergleichbar wie beim Beispiel aus 10, nur dass bei dieser Variante die zwei Lichtquellen 1001 und 1002 zeitlich nacheinander (im Zeitraum t₁ und t₂) angesteuert werden.
12 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit 103 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 100, wobei die Sendeeinheit 103 ein erstes diffraktives oder holographisches optisches Element 1101, welches dazu ausgebildet ist, Licht 1003 der Lichtquelle 1001 in die erste Abtastlinie 104-1 umzuwandeln, aufweist, und ein zweites diffraktives oder holographisches optisches Element 1102, welches ausgebildet ist, Licht 1003 der Lichtquelle 1001 in die zweite Abtastlinie 104-2 umzuwandeln. Hierbei sind das erste diffraktive oder holographische optische Element 1101 und das zweite diffraktive oder holographische optische Element 1102 beabstandet voneinander angeordnet. Die Sendeeinheit 102 weist in diesem Beispiel weiterhin das schaltbare Element 1201 auf. Die Ansteuerung der Sendeeinheit 103 mittels der Steuereinheit des LIDAR-Sensors erfolgt hierbei vergleichbar, wie beim Beispiel aus 10, nur dass bei dieser Variante das schaltbare Element 1201 angesteuert wird, derart, dass das Licht 1003 der Lichtquelle 1001 zeitlich nacheinander auf das erste DOE/HOE 1101 (im Zeitraum t₁) oder das zweite DOE/HOE 1102 (im Zeitraum t₂) umgelenkt wird.
13 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sendeeinheit 103 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 100, wobei die Sendeeinheit 103 eine erste schräggestellte Lichtquelle 1301 zur Erzeugung der ersten Abtastlinie 104-1 und eine zweite entgegengesetzt schräggestellte Lichtquelle 1302 zur Erzeugung der zweiten Abtastlinie 104-2 und einen Strahlkombinierer 1302, der die erste und die zweite Abtastlinie 104-1, 104-2 kombiniert, aufweist. Die Schrägstellung der Lichtquellen 1301 und 1302 ist aufgrund der Draufsicht auf die Sendeeinheit 103 nicht direkt erkennbar. Die Ansteuerung der Sendeeinheit 103 mittels der Steuereinheit des LIDAR-Sensors erfolgt hierbei vergleichbar wie beim Beispiel aus 10, nur dass bei dieser Variante die zwei Lichtquellen 1301 und 1302 zeitlich nacheinander (im Zeitraum t₁ und t₂) angesteuert werden.
14 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit 105 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors, welche hier ein x-förmiges Zonenhologramm 1402 und eine linienförmig ausgebildete Detektoreinheit 1401 aufweist. Das x-förmige Zonenhologramm 1402 ist dort in der Empfangseinheit 105 angeordnet, wo ansonsten eine Detektoreinheit (z. B. eine x-förmig ausgeprägte Detektoreinheit) platziert wäre. Die mittels der Empfangseinheit 105 empfangenen Anteile 106-1, 106-2 der zwei Abtastlinien treffen auf das x-förmige Zonenhologramm 1402, welches dazu ausgebildet ist, die Anteile auf die linienförmig ausgebildete Detektoreinheit 1401 umzulenken. Die linienförmige Ausbildung der Detektoreinheit 1401 ist hierbei dadurch möglich, dass die Anteile 106-1, 106-2 sequenziell auf die Detektoreinheit 1401 umgelenkt werden. Der Anteil 106-1 kann auf selbe Pixel der linienförmig ausgebildeten Detektoreinheit 1401 treffen, wie im Anschluss der Anteil 106-2.
15 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit 105 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors, welche hier ein teilzirkulares Zonenhologramm 1403 und eine linienförmig ausgebildete Detektoreinheit 1401 aufweist. Das teilzirkulare Zonenhologramm 1403 ist dort in der Empfangseinheit 105 angeordnet, wo ansonsten eine Detektoreinheit platziert wäre. Die mittels der Empfangseinheit 105 empfangenen Anteile 106-1, 106-2 der zwei Abtastlinien treffen auf das teilzirkulare Zonenhologramm 1403, welches dazu ausgebildet ist, die Anteile auf die linienförmig ausgebildete Detektoreinheit 1401 umzulenken. Das teilzirkulare Zonenhologramm 1403 hat insbesondere den Vorteil, dass es mit einem geringeren Justageaufwand im optischen Pfad der Empfangseinheit 105 platziert werden kann.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 1600 zum Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren startet in Schritt 1601.
Im Schritt 1602 kommt es zum Erzeugen und Aussenden einer ersten Abtastlinie und einer zweiten Abtastlinie mittels wenigstens einer Lichtquelle einer Sendeeinheit des LIDAR-Sensors, wobei die Sendeeinheit mittels einer Steuereinheit derart angesteuert wird, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Im Schritt 1603 kommt es zum Bewegen der ersten und der zweiten Abtastlinie entlang einer Abtastrichtung im Sichtfeld mittels einer rotierbar ausgebildeten Ablenkeinheit mit wenigstens zwei Spiegelflächen.
Im Schritt 1604 kommt es zum Empfangen von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Anteilen der zwei Abtastlinien mittels einer Empfangseinheit.
Im Schritt 1605 kommt es zur Ablenkung der empfangenen Anteile in Richtung einer Detektoreinheit der Empfangseinheit mittels der Ablenkeinheit.
Im Schritt 1606 kommt es zum Detektieren der empfangenen Anteile mittels der Detektoreinheit.
Hierbei ist die erste Abtastlinie schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet ist, und ein Winkel der ersten Abtastlinie ist bezüglich der Abtastrichtung ein erster vordefinierter Winkel. Weiterhin ist die zweite Abtastlinie schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet, und ein Winkel der zweiten Abtastlinie ist bezüglich der Abtastrichtung ein vom ersten Winkel abweichender zweiter vordefinierter Winkel. Der erste Winkel und der zweite Winkel weisen außerdem bezüglich der Abtastrichtung entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag auf.
Zudem steuert die Steuereinheit die Sendeeinheit derart an, dass die erste Abtastlinie auf eine erste Spiegelfläche der Ablenkeinheit trifft und dass die zweite Abtastlinie auf eine zweite, der ersten Spiegelfläche direkt benachbarte, Spiegelfläche trifft.
Das Verfahren 1600 weist zudem den weiteren Schritt der Erzeugung 1607 eines Signals anhand der detektierten Anteile der zwei Abtastlinien mittels der Detektoreinheit auf.
Das Verfahren 1600 endet in Schritt 1610.
Optional weist das Verfahren 1600 noch den Schritt der Identifikation 1608 von in der Detektoreinheit erzeugtem Übersprechen auf Basis des Signals mittels einer Auswerteeinheit, und/oder den Schritt des Ermittelns 1609 von Objekten im Umfeld des LIDAR-Sensors und Unterscheidung dieser Objekte von Signalanteilen, welche durch ein Übersprechen erzeugt werden mittels der Auswerteeinheit, auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102022113387 [0002]

Claims

LIDAR-Sensor (100) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (201) aufweisend • eine Sendeeinheit (103), welche dazu ausgebildet ist, mittels wenigstens einer Lichtquelle (1001, 1002) eine erste Abtastlinie (104-1) und eine zweite Abtastlinie (104-2) auszusenden; • eine Empfangseinheit (105), welche dazu ausgebildet ist, im Sichtfeld (201) von einem Objekt reflektierte und/oder gestreute Anteile (106-1, 106-2) der zwei Abtastlinien (104-1, 104-2) zu empfangen und mittels wenigstens einer Detektoreinheit (1401) zu detektieren; • eine rotierbar ausgebildete Ablenkeinheit (107) mit wenigstens zwei Spiegelflächen (110-1, 110-2), welche dazu ausgebildet ist, die ausgesendete erste (104-1) und die ausgesendete zweite Abtastlinie (104-2) entlang einer Abtastrichtung (205) im Sichtfeld (201) zu bewegen, und die empfangenen Anteile (106-1, 106-2) der zwei Abtastlinien (104-1, 104-2) in Richtung der Detektoreinheit (1401) abzulenken; und • eine Steuereinheit (111), welche dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit (103) derart anzusteuern, dass die zwei Abtastlinien (104-1, 104-2) zeitlich nacheinander erzeugt werden; wobei • die erste Abtastlinie (104-1) schräg bezüglich der Abtastrichtung (205) ausgerichtet ist, und wobei ein Winkel der ersten Abtastlinie (104-1) bezüglich der Abtastrichtung (205) ein erster vordefinierter Winkel (701-1) ist; und • die zweite Abtastlinie (104-2) schräg bezüglich der Abtastrichtung (205) ausgerichtet ist, und wobei ein Winkel der zweiten Abtastlinie (104-2) bezüglich der Abtastrichtung (205) ein vom ersten Winkel (701-1) abweichender zweiter vordefinierter Winkel (701-2) ist; und • der erste Winkel (701-1) und der zweite Winkel (701-2) bezüglich der Abtastrichtung (205) entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass • die Steuereinheit (111) dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit (103) derart anzusteuern, dass die erste Abtastlinie (104-1) auf eine erste Spiegelfläche (110-1) der Ablenkeinheit (107) trifft und dass die zweite Abtastlinie (104-2) auf eine zweite (110-2), der ersten Spiegelfläche (110-1) direkt benachbarte, Spiegelfläche trifft; und • dass die Detektoreinheit (1401) dazu ausgebildet ist, anhand der detektierten Anteile (106-1, 106-2) der zwei Abtastlinien (104-1, 104-2) ein Signal zu erzeugen.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei der LIDAR-Sensor (100) weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, • auf Basis des Signals ein in der Detektoreinheit (1401) erzeugtes Übersprechen (801) zu identifizieren, und/oder • Objekte im Umfeld des LIDAR-Sensors (100) zu ermitteln und diese von Signalanteilen zu unterscheiden, welche durch ein Übersprechen (801) erzeugt werden.
LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangseinheit (105) eine SPAD-basierte Empfangseinheit ist.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sendeeinheit (103) aufweist: • ein erstes holographisches optisches Element (1005), welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle (1001) in die erste Abtastlinie (104-1) umzuwandeln und ein zweites holographisches optisches Element (1006), welches ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle (1001) in die zweite Abtastlinie (104-2) umzuwandeln, und wobei das erste (1005) und das zweite (1006) holographische optische Element jeweils schaltbar ausgebildet und aneinander angrenzend angeordnet sind; oder • ein erstes diffraktives oder holographisches optisches Element (1101), welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle (1001, 1002) in die erste Abtastlinie (104-1) umzuwandeln und ein zweites diffraktives oder holographisches optisches Element (1102), welches ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle (1001, 1002) in die zweite Abtastlinie (104-2) umzuwandeln, und wobei das erste diffraktive oder holographische optische Element (1101) und das zweite diffraktive oder holographische optische Element (1102) beabstandet voneinander angeordnet sind; oder • eine erste schräggestellte Lichtquelle (1301) zur Erzeugung der ersten Abtastlinie (104-1) und eine zweite entgegengesetzt schräggestellte Lichtquelle (1302) zur Erzeugung der zweiten Abtastlinie (104-2) und einen Strahlkombinierer (1303), der die erste (104-1) und die zweite Abtastlinie (104-2) kombiniert.
LIDAR-Sensor (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (105) aufweist: • eine x-förmig ausgeprägte Detektoreinheit; oder • eine flächig ausgebildete Detektoreinheit; oder • ein x-förmiges (1402) oder teilzirkulares (1403) Zonenhologramm und eine linienförmig ausgebildete Detektoreinheit (1401).
Verfahren (1600) zum Abtasten eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR-Sensors aufweisend die Schritte • Erzeugen und Aussenden (1602) einer ersten Abtastlinie und einer zweiten Abtastlinie mittels wenigstens einer Lichtquelle einer Sendeeinheit, wobei die Sendeeinheit mittels einer Steuereinheit derart angesteuert wird, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden; • Bewegen (1603) der ersten und der zweiten Abtastlinie entlang einer Abtastrichtung im Sichtfeld mittels einer rotierbar ausgebildeten Ablenkeinheit mit wenigstens zwei Spiegelflächen; • Empfangen (1604) von im Sichtfeld von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Anteilen der zwei Abtastlinien mittels einer Empfangseinheit; • Ablenkung (1605) der empfangenen Anteile in Richtung einer Detektoreinheit der Empfangseinheit mittels der Ablenkeinheit; und • Detektieren (1606) der empfangenen Anteile mittels der Detektoreinheit; wobei • die erste Abtastlinie schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet ist, und wobei ein Winkel der ersten Abtastlinie bezüglich der Abtastrichtung ein erster vordefinierter Winkel ist; und • die zweite Abtastlinie schräg bezüglich der Abtastrichtung ausgerichtet ist, und wobei ein Winkel der zweiten Abtastlinie bezüglich der Abtastrichtung ein vom ersten Winkel abweichender zweiter vordefinierter Winkel ist; und • der erste Winkel und der zweite Winkel bezüglich der Abtastrichtung entgegengesetzte Vorzeichen und einen im Wesentlichen identischen Betrag aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass • die Steuereinheit die Sendeeinheit derart ansteuert, dass die erste Abtastlinie auf eine erste Spiegelfläche der Ablenkeinheit trifft und dass die zweite Abtastlinie auf eine zweite, der ersten Spiegelfläche direkt benachbarte, Spiegelfläche trifft; und • das Verfahren den weiteren Schritt der Erzeugung (1607) eines Signals anhand der detektierten Anteile der zwei Abtastlinien mittels der Detektoreinheit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend den Schritt oder die Schritte: • Identifikation (1608) von in der Detektoreinheit erzeugtem Übersprechen auf Basis des Signals mittels einer Auswerteeinheit, und/oder • Ermitteln (1609) von Objekten im Umfeld des LIDAR-Sensors und Unterscheidung dieser Objekte von Signalanteilen, welche durch ein Übersprechen erzeugt werden mittels der Auswerteeinheit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei • die Sendeeinheit ein erstes holographisches optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die erste Abtastlinie umzuwandeln und ein zweites holographisches optisches Element, welches ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die zweite Abtastlinie umzuwandeln, aufweist, und wobei das erste und das zweite holographische optische Element jeweils schaltbar ausgebildet und aneinander angrenzend angeordnet sind, und wobei das erste und das zweite holographisch optische Element mittels der Steuereinheit derart angesteuert werden, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden; oder wobei • die Sendeeinheit ein erstes diffraktives oder holographisches optisches Element, welches dazu ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die erste Abtastlinie umzuwandeln und ein zweites diffraktives oder holographisches optisches Element, welches ausgebildet ist, Licht der wenigstens einen Lichtquelle in die zweite Abtastlinie umzuwandeln, aufweist, und wobei das erste diffraktive oder holographische optische Element und das zweite diffraktive oder holographische optische Element beabstandet voneinander angeordnet sind, und die wenigstens eine Lichtquelle oder ein schaltbares Element der Sendeeinheit mittels der Steuereinheit derart angesteuert wird oder werden, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden; oder wobei • die Sendeeinheit eine erste schräggestellte Lichtquelle zur Erzeugung der ersten Abtastlinie und eine zweite entgegengesetzt schräggestellte Lichtquelle zur Erzeugung der zweiten Abtastlinie und einen Strahlkombinierer, der die erste und die zweite Abtastlinie kombiniert, aufweist, und wobei die erste und die zweite Lichtquelle mittels der Steuereinheit derart angesteuert werden, dass die zwei Abtastlinien zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.