DE102022210079A1

DE102022210079A1 - Method for operating a LiDAR sensor system

Info

Publication number: DE102022210079A1
Application number: DE102022210079.4A
Authority: DE
Inventors: Annette Frederiksen; Mirko Hattass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems (10) mit einer eine Sendeeinheit (20) darstellenden Laserdiodenmatrix (12) aus einzelnen Laserdioden (18) und einer eine Empfangseinheit (22) darstellenden Detektorpixelmatrix (24) einzelner Detektorpixel (40). Die einzelnen Laserdioden (18) der Sendeeinheit (20) werden mittels eines Steuergeräts (70) einzeln angesteuert, und zwar gemäß den nachfolgenden Verfahrensschritten:a) Ansteuern einzelner Laserdioden (18) oder von Gruppen einzelner Laserdioden (18) der Laserdiodenmatrix (12) mittels des Steuergeräts (70) derart, dassb) die angesteuerten einzelnen Laserdioden (18) oder die Gruppen einzelner Laserdioden (18) in einem Mindestabstand (114) auf der Laserdiodenmatrix (12) zueinander liegen,c) von den einzelnen angesteuerten Laserdioden (18) emittierte Strahlenbündel werden über eine Sendeoptik (32) übertragen undd) es erfolgt eine Abbildung der Strahlenbündel als räumlich getrennte Punkte (108), die einen Abstand (104) zueinander auf der Retina (46) des menschlichen Auges (42) aufweisen.Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens in einem LiDAR-Sensorsystem (10) zum Schutz des menschlichen Auges (42) vor übermäßigem Wärmeeintrag.The invention relates to a method for operating a LiDAR sensor system (10) with a laser diode matrix (12) consisting of individual laser diodes (18) representing a transmitting unit (20) and a detector pixel matrix (24) of individual detector pixels (40) representing a receiving unit (22). ). The individual laser diodes (18) of the transmitting unit (20) are controlled individually by means of a control device (70), in accordance with the following method steps: a) controlling individual laser diodes (18) or groups of individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) by means of of the control device (70) in such a way that b) the controlled individual laser diodes (18) or the groups of individual laser diodes (18) are at a minimum distance (114) from one another on the laser diode matrix (12), c) emitted by the individual controlled laser diodes (18). Bundles of rays are transmitted via a transmitting optics (32) and d) the bundles of rays are imaged as spatially separated points (108) which are at a distance (104) from one another on the retina (46) of the human eye (42). the invention relates to the use of the method in a LiDAR sensor system (10) to protect the human eye (42) from excessive heat input.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems mit einer eine Sendeeinheit darstellenden Laserdiodenmatrix aus einzelnen Laserdioden und einer eine Empfangseinheit darstellenden Detektorpixelmatrix einzelner Detektorpixel, wobei die einzelnen Laserdioden der Sendeeinheit mittels eines Steuergeräts einzeln angesteuert werden. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens in einem LiDAR-Sensorsystem zum Schutz des menschlichen Auges vor übermäßigem Wärmeeintrag.The invention relates to a method for operating a LiDAR sensor system with a laser diode matrix of individual laser diodes representing a transmitting unit and a detector pixel matrix of individual detector pixels representing a receiving unit, the individual laser diodes of the transmitting unit being controlled individually by means of a control device. Furthermore, the invention relates to the use of the method in a LiDAR sensor system to protect the human eye from excessive heat input.

Stand der TechnikState of the art

LiDAR-Systeme zur Vermessung von Abständen in einer Szene werden durch verschiedene Techniken ermöglicht. Grundsätzlich basiert ein LiDAR-System auf dem Aussenden von Strahlung in eine Szenerie und der Vermessung rückgestreuter Strahlung. Ein sehr häufig eingesetztes Prinzip ist das Time-of-Flight-Prinzip, bei dem ein Lichtpuls ausgesendet wird und die Zeitdifferenz bis zum Eintreffen der Reflexion bestimmt wird. Um eine vollständige Szene zu vermessen, wird dafür ein Laserpuls in verschiedene Richtungen ausgesendet und mit einer passenden Empfangsoptik und - elektronik detektiert. Es existieren verschiedene Methoden, um einen Strahl in eine Szene zu senden. Hierfür können Systeme zum Einsatz kommen, die entweder die Lichtquelle bewegen, insbesondere rotieren, oder auch einen Strahl mittels eines Spiegels ablenken. Weiterhin existieren LiDAR-Sensorysteme, die keine bewegten Elemente aufweisen, sondern durch die sequentielle optische Abbildung einer Anordnung von Laserdioden die Szene ausleuchten.LiDAR systems for measuring distances in a scene are made possible by various techniques. Basically, a LiDAR system is based on emitting radiation into a scene and measuring backscattered radiation. A very frequently used principle is the time-of-flight principle, in which a light pulse is emitted and the time difference until the reflection arrives is determined. In order to measure a complete scene, a laser pulse is sent out in different directions and detected with appropriate receiving optics and electronics. There are various methods for sending a beam into a scene. Systems can be used for this that either move the light source, in particular rotate it, or deflect a beam using a mirror. There are also LiDAR sensor systems that do not have moving elements, but rather illuminate the scene through the sequential optical imaging of an arrangement of laser diodes.

Um möglichst schnell zu einer Aufnahme der Szene zu kommen, werden typischerweise mehrere oder sogar alle Laserdioden gleichzeitig ausgelöst. Dies führt zu einer hohen Gesamtenergie des ausgesendeten Laserpulses. Da gleichzeitig auch eine hohe Reichweite des Systems erreicht werden soll, d. h. auch bei großen Abständen noch ein signifikantes Reflexionsmaterial entsteht, werden hier Energien erreicht, die relevant für die Sicherheit des menschlichen Auges sind. Aus diesen und weiteren technischen Gründen wird zumeist nur eine Spalte oder eine Zeile in einer Laserdiodenmatrix ausgesendet, um die Gesamtenergie, die innerhalb eines kleinen Winkelbereichs liegt, entsprechend zu minimieren. Der hierfür aktuell relevante Standard ist in der IEC-60825-1:2014 (Ed. 3.0) niedergelegt. Insbesondere ist der Winkelbereich < 5 mrad relevant, da hier die auf der Retina des menschlichen Auges angesammelte Energie thermisch zusammenwirkt und gesundheitliche Schäden verursachen könnte.In order to capture the scene as quickly as possible, several or even all laser diodes are typically triggered at the same time. This leads to a high total energy of the emitted laser pulse. Since at the same time a high range of the system should be achieved, i.e. H. Even at large distances a significant reflection material is created, energies are achieved here that are relevant for the safety of the human eye. For these and other technical reasons, usually only one column or one row is emitted in a laser diode matrix in order to correspondingly minimize the total energy, which lies within a small angular range. The standard currently relevant for this is set out in IEC-60825-1:2014 (Ed. 3.0). The angular range < 5 mrad is particularly relevant because here the energy accumulated on the retina of the human eye interacts thermally and could cause damage to health.

In der Lasersicherheitsbewertung von Bildern der Retina des menschlichen Auges ist ein wichtiger Parameter durch den Abstand von Spots auf der Retina voneinander gegeben. Insbesondere der Effekt, der sich durch die Wärmeleitung einstellt, ist von erheblicher Bedeutung. Haben die Spots auf der Retina einen ausreichenden Abstand zueinander, so können sie als thermisch unabhängig voneinander angesehen werden. Ein Parameter, der beschreibt, wie weit die Wärmeleitung greift ist α_max. α_max ist in der internationalen Lasersicherheitsnorm IEC 60825-1:2014 definiert und zeitabhängig. Die Zeitabhängigkeit ist wie folgt definiert: $\begin{array}{l} α_{max} = 5 mrad für t < 625 μ s Pulsdauer, \\ 200 t^{0,5} mrad für 625 μ s \leq t \leq 0,25 s Pulsdauer, \\ 100 mrad für t > 0,25 s Pulsdauer . \end{array}$

In the laser safety assessment of images of the retina of the human eye, an important parameter is the distance between spots on the retina. In particular, the effect caused by heat conduction is of considerable importance. If the spots on the retina are sufficiently far apart, they can be viewed as thermally independent of each other. A parameter that describes how far the heat conduction extends is α _max . α _max is defined in the international laser safety standard IEC 60825-1:2014 and is time-dependent. The time dependency is defined as follows:

\begin{array}{l} α_{Max} = 5 mrad for t < 625 μ s pulse duration, \\ 200 t^{0.5} mrad for 625 μ s \leq t \leq 0.25 s pulse duration, \\ 100 mrad for t > 0.25 s pulse duration . \end{array}

Diese Verhaltensweise des biologischen Gewebes, insbesondere der Retina des menschlichen Auges, wurde durch Experimente und Simulationsmodelle ermittelt (Quelle: Schulmeister, K., Stuck, B.E., Lund, D.J., Sliney, D.H., Review of thresholds and recommendations for revised exposure limits for laser and optical radiation for thermally induced retinal injury. Health Physics, 2011, Februar, 100(2) - 210-20 . Der Grund für die Zeitabhängigkeit des Parameters α_max liegt in der komprimierten Kühlung. Bei gleicher retinaler Bestrahlungsstärke kommt es bei unterschiedlichen Spotgrößen zu unterschiedlichen Temperaturerhöhungen aufgrund der Wärmeleitungsprozesse.This behavior of biological tissue, especially the retina of the human eye, was determined through experiments and simulation models (source: Schulmeister, K., Stuck, BE, Lund, DJ, Sliney, DH, Review of thresholds and recommendations for revised exposure limits for laser and optical radiation for thermally induced retinal injury. Health Physics, 2011, February, 100(2) - 210-20 . The reason for the time dependence of the parameter α _max lies in the compressed cooling. With the same retinal irradiance, different spot sizes lead to different temperature increases due to the heat conduction processes.

Aus WO 2018/169 758 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für ein LiDAR-System bekannt, die eine Vielzahl von Laserquellen, beispielsweise VCSIL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) enthält. Dabei werden die Laserquellen zur Beleuchtung derart angesteuert, dass die Leistung in einer Messöffnung in einer Messdistanz einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Hier steht die Messöffnung stellvertretend für eine die Augensicherheit gewährleistende relevante Augenapertur. Das Ziel ist es, die Lasersicherheit eines LiDAR-Systems sicherzustellen, insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen. Hierfür wird beispielsweise vorgeschlagen, dass die Beleuchtungsvorrichtung pseudo-zufällige Beleuchtungssequenzen ausführt, die bestimmten Bedingungen hinsichtlich der Augensicherheit genügen, oder auch, dass vorbestimmte Sequenzen zur Beleuchtung eingesetzt werden. Auch die zeitlich simultane Verwendung mehrerer Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung beziehungsweise deren Zusammenfassung in Gruppen ist offenbart.Out of WO 2018/169 758 A1 an illumination device for a LiDAR system is known which contains a large number of laser sources, for example VCSIL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). The laser sources for illumination are controlled in such a way that the power in a measuring opening does not exceed a certain limit value at a measuring distance. Here, the measuring opening represents a relevant eye aperture that ensures eye safety. The goal is to ensure the laser safety of a LiDAR system, especially for use in vehicles. For this purpose, it is proposed, for example, that the lighting device executes pseudo-random lighting sequences that meet certain conditions with regard to eye safety, or that predetermined sequences are used for lighting. The simultaneous use of multiple light sources of the lighting device or their combination into groups is also disclosed.

Es wird die Möglichkeit beschrieben, die Augensicherheit zu erhöhen, beispielsweise durch eine durch Beleuchtungsmuster einzuhaltende Regel, die besagt, dass sich nie zwei Laserstrahlen in der Messöffnung überlappen dürfen, wenn die Leistung eines einzelnen Laserstrahls bereits an der sicherheitskritischen Grenze liegt.The possibility of increasing eye safety is described, for example through a rule to be adhered to through lighting patterns, which states that two laser beams must never overlap in the measuring opening if the power of a single laser beam is already at the safety-critical limit.

WO 2014/018 684 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Array aus VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Als mögliche Anwendung wird unter anderem ein LiDAR-System erwähnt. Des Weiteren ist offenbart, dass die VCSELs zu getrennt ansteuerbaren Elementen zusammengefasst werden können, die dann dazu benutzt werden können, bestimmte Bereiche oder Kombinationen der VCSELs zu aktivieren. Es wird offenbart, dass eine mögliche Anwendung hierfür Augensicherheitsstandards sind und für diese Anwendung ein schnelles An- und Ausstellen von Bereichen der Beleuchtungseinheit geeignet ist. WO 2014/018 684 A1 discloses a lighting device with an array of VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). A LiDAR system is mentioned as a possible application. It is also disclosed that the VCSELs can be combined to form separately controllable elements, which can then be used to activate certain areas or combinations of the VCSELs. It is disclosed that one possible application for this is eye safety standards and that quickly switching areas of the lighting unit on and off is suitable for this application.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems vorgeschlagen, mit einer eine Sendeeinheit darstellenden Laserdiodenmatrix aus einzelnen Laserdioden und einer eine Empfangseinheit darstellenden Detektorpixelmatrix einzelner Detektorpixel, wobei die einzelnen Laserdioden der Sendeeinheit mittels eines Steuergeräts einzeln angesteuert werden, mit nachfolgenden Verfahrensschritten:

a) Ansteuern einzelner Laserdioden oder Gruppen einzelner Laserdioden der Laserdiodenmatrix mittels des Steuergeräts derart, dass
b) die angesteuerten einzelnen Laserdioden oder Gruppen einzelner Laserdioden in einem Mindestabstand auf der Laserdiodenmatrix zueinander liegen,
c) von den einzelnen angesteuerten Laserdioden emittierte Strahlungsbündel werden über eine Sendeoptik übertragen und
d) es erfolgt eine Abbildung der Strahlenbündel als räumlich getrennte Punkte, die einen Abstand zueinander auf der Retina des menschlichen Auges aufweisen.

According to the invention, a method for operating a LiDAR sensor system is proposed, with a laser diode matrix of individual laser diodes representing a transmitting unit and a detector pixel matrix of individual detector pixels representing a receiving unit, the individual laser diodes of the transmitting unit being controlled individually by means of a control device, with the following method steps:

a) Controlling individual laser diodes or groups of individual laser diodes of the laser diode matrix using the control device in such a way that
b) the controlled individual laser diodes or groups of individual laser diodes are at a minimum distance from one another on the laser diode matrix,
c) radiation beams emitted by the individual controlled laser diodes are transmitted via transmission optics and
d) the bundles of rays are imaged as spatially separated points that are at a distance from one another on the retina of the human eye.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann der Wärmeeintrag auf die Netzhaut des menschlichen Auges auf der Netzhaut gezielt verteilt werden, so dass das Entstehen lokaler Hotspots, welche die Retina ernsthaft beschädigen könnten, sicher ausgeschlossen werden kann.With the method proposed according to the invention, the heat input to the retina of the human eye can be specifically distributed on the retina, so that the creation of local hotspots that could seriously damage the retina can be reliably ruled out.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine punktuelle Ansteuerung einzelner Laserdioden der Laserdiodenmatrix nach einem regelmäßigen Muster erfolgen.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, a selective control of individual laser diodes of the laser diode matrix can take place according to a regular pattern.

Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, die punktuelle Ansteuerung einzelner Laserdioden der Laserdiodenmatrix nach einem zufälligen Muster vorzunehmen. Insbesondere eine punktuelle Ansteuerung einzelner Laserdioden nach einem zufälligen Muster stellt sicher, dass stets unterschiedliche Bereiche der Retina des menschlichen Auges mit einem Wärmeeintrag belastet werden.Alternatively, in the method proposed according to the invention, it is possible to selectively control individual laser diodes of the laser diode matrix according to a random pattern. In particular, selective control of individual laser diodes according to a random pattern ensures that different areas of the retina of the human eye are always exposed to heat input.

In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegt der Mindestabstand zwischen den einzelnen angesteuerten Laserdioden der Laserdiodenmatrix abhängig von der Brennweite des Systems zwischen 10 µmund 1 mm, bevorzugt zwischen 100 µm und 250 µm.In a further development of the method proposed according to the invention, the minimum distance between the individual controlled laser diodes of the laser diode matrix is between 10 μm and 1 mm, preferably between 100 μm and 250 μm, depending on the focal length of the system.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden gemäß Verfahrensschritt d) die räumlich getrennten Punkte in einem Abstand von mindestens 5 mrad auf der Retina abgebildet. Durch den Abstand der räumlich getrennten Punkte auf der Retina des menschlichen Auges können thermisch zusammenhängende Hotspots, die lokal zu größeren Temperaturen und zu einem größeren Wärmeeintrag in die Retina führen können, sicher ausgeschlossen werden.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, according to method step d), the spatially separated points are imaged on the retina at a distance of at least 5 mrad. Due to the distance between the spatially separated points on the retina of the human eye, thermally connected hotspots, which can lead to locally higher temperatures and greater heat input into the retina, can be reliably excluded.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden gemäß Verfahrensschritt d) die räumlich getrennten Punkte auf der Retina überlappungsfrei sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung abgebildet. Durch die Überlappungsfreiheit ist ebenfalls ein zu starker Wärmeeintrag in die Retina ausgeschlossen.In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, according to method step d), the spatially separated points on the retina are imaged without overlap in both the horizontal direction and the vertical direction. The lack of overlap also prevents excessive heat input into the retina.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegen die Temperaturen der gemäß Verfahrensschritt d) auf der Retina abgebildeten, räumlich getrennten Punkte in einem ersten Temperaturbereich und weisen jeweils einen Hof auf, dessen Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich liegt, der kleiner ist als der erste Temperaturbereich.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, the temperatures of the spatially separated points imaged on the retina according to method step d) are in a first temperature range and each have a halo whose temperature is in a second temperature range that is smaller than the first temperature range.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren beträgt der Abstand zwischen den räumlich getrennten Punkten mindestens 100 mrad und ein Maximum von α_max entspricht mit

α_max = 5 mrad für t < 625 µs Pulsdauer,
200 t^0,5 mrad für 625 µs ≤ t ≤ 0,25 s Pulsdauer,
100 mrad für t > 0,25 s Pulsdauer.

In the method proposed according to the invention, the distance between the spatially separated points is at least 100 mrad and a maximum of α _max corresponds to

α _max = 5 mrad for t < 625 µs pulse duration,
200 t ^0.5 mrad for 625 µs ≤ t ≤ 0.25 s pulse duration,
100 mrad for t > 0.25 s pulse duration.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann hinsichtlich der Ansteuerung der einzelnen Laserdioden der Laserdiodenmatrix mittels geeigneter Ansteuerung des Steuergeräts derart gezielt angesteuert werden, dass unter Einhaltung des Mindestabstands zwischen den einzelnen Laserdioden der Laserdiodenmatrix interessante Szenenbereiche durch das LiDAR-Sensorsystem bevorzugt abgetastet werden.The method proposed according to the invention can be used with regard to the control of the individual The laser diodes of the laser diode matrix can be specifically controlled by means of suitable control of the control device in such a way that interesting scene areas are preferably scanned by the LiDAR sensor system while maintaining the minimum distance between the individual laser diodes of the laser diode matrix.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens in einem LiDAR-Sensorsystem zum Schutz des menschlichen Auges vor übermäßigem Wärmeeintrag.In addition, the invention relates to the use of the method in a LiDAR sensor system to protect the human eye from excessive heat input.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann ein Betrieb eines LiDAR-Sensorsystems sichergestellt werden, bei welchem die einzelnen Laserdioden der Laserdiodenmatrix derart aktiviert werden, dass eine räumliche Separierung der Abbildung der Pixel auf der Retina immer größer als ein kritischer Schwellenwert liegt. Dadurch können überlappungsfreie Bereiche zwischen den einzelnen, räumlich getrennten Punkten auf der Retina sichergestellt werden, so dass ein zu hoher Wärmeeintrag in die Retina ausgeschlossen werden kann. Die räumliche Separierung der Abbildung der Pixel, d. h. der Hotspots auf der Retina kann überlappungsfrei sowohl in vertikale, in horizontale und diagonale Richtung gewährleistet werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise einzelne höhere Energien pro Pixel, wobei jedoch eine hohe Parallelisierung möglich ist. Der Wärmeeintrag in die Retina des menschlichen Auges kann durch die Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens vergleichmäßigt werden, so dass Hotspots auf der Retina und dadurch sich möglicherweise einstellende gesundheitliche Schäden durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Betrieb eines LiDAR-Sensorsystems sicher ausgeschlossen werden können.The method proposed according to the invention can ensure the operation of a LiDAR sensor system in which the individual laser diodes of the laser diode matrix are activated in such a way that a spatial separation of the image of the pixels on the retina is always greater than a critical threshold value. This ensures that there are no overlaps between the individual, spatially separated points on the retina, so that excessive heat input into the retina can be excluded. The spatial separation of the image of the pixels, i.e. the hotspots on the retina, can be ensured without overlaps in both vertical, horizontal and diagonal directions. The method proposed according to the invention advantageously enables individual higher energies per pixel, although a high degree of parallelization is possible. The heat input into the retina of the human eye can be evened out by applying the method proposed according to the invention, so that hotspots on the retina and any resulting health damage can be safely excluded by the operation of a LiDAR sensor system proposed according to the invention.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens können einerseits einzelne Laserdioden der Laserdiodenmatrix gezielt angesteuert werden, wobei sichergestellt ist, dass auf der Lasermatrix zwischen den einzelnen angesteuerten Laserdioden ein Mindestabstand vorliegt. Alternativ besteht beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren auch die Möglichkeit, Gruppen von Laserdioden zusammenzufassen oder Gruppen von Detektorpixeln zusammenzufassen und diese Gruppen in einem Mindestabstand voneinander zu betreiben. Die Auswahl der einzelnen punktuell angesteuerten Laserdioden kann entweder nach einem regelmäßigen Muster erfolgen oder auch nach einem zufälligen Muster vorgenommen werden, wobei hier ebenfalls sichergestellt ist, dass ein Mindestabstand zwischen den einzelnen, punktuell angesteuerten Laserdioden eingehalten wird.By using the method proposed according to the invention, on the one hand, individual laser diodes of the laser diode matrix can be controlled in a targeted manner, ensuring that there is a minimum distance on the laser matrix between the individual controlled laser diodes. Alternatively, in the method proposed according to the invention there is also the possibility of combining groups of laser diodes or combining groups of detector pixels and operating these groups at a minimum distance from one another. The selection of the individual selectively controlled laser diodes can either be carried out according to a regular pattern or also according to a random pattern, whereby it is also ensured that a minimum distance between the individual, selectively controlled laser diodes is maintained.

In besonders vorteilhafter Weise kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die punktuelle Ansteuerung der einzelnen Laserdioden auch in Abhängigkeit von der aktuell abzutastenden Szene des LiDAR-Sensorsystems erfolgen. Dies bedeutet, dass beispielsweise die punktuelle Ansteuerung derart erfolgt, dass zum einen der Mindestabstand eingehalten wird, jedoch möglichst die interessanten Szenenbereiche besonders gut abgetastet werden können.In a particularly advantageous manner, in the method proposed according to the invention, the individual laser diodes can also be selectively controlled depending on the scene of the LiDAR sensor system that is currently being scanned. This means that, for example, the selective control is carried out in such a way that, on the one hand, the minimum distance is maintained, but, if possible, the interesting scene areas can be scanned particularly well.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann in einer vereinfachten Variante stets ein Mindestabstand von 100 mrad eingehalten werden, welcher dem maximalen Wert von α_max entspricht. Bei kürzer gewählten Puls- beziehungsweise Pulsgruppendauern reichen allerdings bereits kleinere Werte für α_max für eine thermische Unabhängigkeit, d. h. für eine Abbildung räumlich getrennter Punkte auf der Retina aus. Dabei ist allerdings nicht unbedingt die Pulsdauer t_puls relevant, sondern für t sind auch alle anderen Emissionsbewertungsdauern einzusetzen: $\begin{array}{l} α_{max} = 5 mrad für t < 625 μ s Pulsdauer, \\ 200 t^{0,5} mrad für 625 μ s \leq t \leq 0,25 s Pulsdauer, \\ 100 mrad für t > 0,25 s Pulsdauer . \end{array}$

In an advantageous embodiment variant of the solution proposed according to the invention, a minimum distance of 100 mrad can always be maintained in a simplified variant, which corresponds to the maximum value of α _max . However, if shorter pulse or pulse group durations are selected, even smaller values for α _max are sufficient for thermal independence, ie for an image of spatially separated points on the retina. However, the pulse duration t _pulse is not necessarily relevant; all other emission assessment durations must also be used for t:

\begin{array}{l} α_{Max} = 5 mrad for t < 625 μ s pulse duration, \\ 200 t^{0.5} mrad for 625 μ s \leq t \leq 0.25 s pulse duration, \\ 100 mrad for t > 0.25 s pulse duration . \end{array}

Dies bedeutet, dass insbesondere die restriktivste Emissionsbewertungsdauer von großer Relevanz ist und α_max dafür abzuleiten ist. Die Bewertung hinsichtlich der restriktiven Emissionsbewertungsdauer kann für verschiedene Schussmuster, d. h. Aktivierungsmuster einzelner Laserdioden der Laserdiodenmatrix bereits im Vorfeld berechnet werden und im LiDAR-Sensorsystem in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt werden. In vorteilhafter Weise besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, im LiDAR-Sensorsystem eine Inline-Berechnung vorzunehmen.This means that the most restrictive emission assessment period is of particular relevance and α _max must be derived for this. The assessment with regard to the restrictive emission assessment period can be calculated in advance for different shot patterns, i.e. activation patterns of individual laser diodes in the laser diode matrix, and stored in the LiDAR sensor system in the form of a look-up table. Of course, it is also advantageous to carry out an inline calculation in the LiDAR sensor system.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

1 in schematischer Weise den Aufbau eines LiDAR-Sensorsystems,
2 sich bei Einsatz des LiDAR-Sensorsystems gemäß 1 ergebende Überlappungsbereiche von Abbildungspunkten auf der Retina,
3 die Ansteuerung einzelner Laserdioden eines LiDAR-Sensorsystems gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und sich einstellende Abstände an räumlich getrennten Punkten und
4 eine Darstellung räumlich getrennter Punkte auf der Retina, die sich bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung einzelner Laserdioden der Laserdiodenmatrix des LiDAR-Sensorsystems einstellen.

Show it:

1 schematically the structure of a LiDAR sensor system,
2 When using the LiDAR sensor system according to 1 resulting overlapping areas of image points on the retina,
3 the control of individual laser diodes of a LiDAR sensor system according to the method according to the invention and the resulting distances at spatially separated points and
4 a representation of spatially separated points on the retina, which arise when individual laser diodes of the laser diode matrix of the LiDAR sensor system are controlled according to the invention.

1 zeigt ein LiDAR-Sensorsystem 10 mit einer Laserdiodenmatrix 12, innerhalb welcher einzelne Laserdioden 18 in Form von Spalten 14 untereinanderliegend angeordnet sind und/oder in Form von Reihen 16 nebeneinanderliegend angeordnet sein können. Die Laserdiodenmatrix 12 gemäß der Darstellung in 1 stellt eine Sendeeinheit 20 des LiDAR-Sensorsystems 10 dar. 1 shows a LiDAR sensor system 10 with a laser diode matrix 12, within which individual laser diodes 18 are arranged one below the other in the form of columns 14 and/or can be arranged next to one another in the form of rows 16. The laser diode matrix 12 as shown in 1 represents a transmission unit 20 of the LiDAR sensor system 10.

Eine Empfangseinheit 22 ist durch eine Detektorpixelmatrix 24 gegeben. Diese stellt ein Spiegelbild der Laserdiodenmatrix 12 dar und zeichnet sich dadurch aus, dass einzelne Detektorpixel 40 ebenfalls in Form von Spalten 14 und oder in Form von Reihen 16 innerhalb der Detektorpixelmatrix 24 angeordnet sind.A receiving unit 22 is provided by a detector pixel matrix 24. This represents a mirror image of the laser diode matrix 12 and is characterized in that individual detector pixels 40 are also arranged in the form of columns 14 and/or in the form of rows 16 within the detector pixel matrix 24.

Aus der Darstellung gemäß 1 geht des Weiteren hervor, dass in dem LiDAR-Sensorsystem 10, insbesondere zwischen der Laserdiodenmatrix 12 und der Detektorpixelmatrix 24 Abbildungsoptiken 30, im vorliegenden Fall eine Sendeoptik 32 sowie eine Empfangsoptik 34, angeordnet sein können. Durch diese Abbildungsoptiken 30 entstehen Beamspots 36 der einzelnen Laserdioden 18 auf einer ebenen Fläche. Die Beamspots 36 der einzelnen Laserdioden 18 stellen ein Blickfeld 38 der Detektorpixel 40 der Detektorpixelmatrix 24 dar.From the illustration according to 1 Furthermore, it can be seen that in the LiDAR sensor system 10, in particular between the laser diode matrix 12 and the detector pixel matrix 24, imaging optics 30, in the present case a transmitting optics 32 and a receiving optics 34, can be arranged. These imaging optics 30 create beam spots 36 of the individual laser diodes 18 on a flat surface. The beam spots 36 of the individual laser diodes 18 represent a field of view 38 of the detector pixels 40 of the detector pixel matrix 24.

Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass eine sequentielle Aktivierung 26, wie sie in 1 dargestellt ist, ebenfalls eine sequentielle Aktivierung einzelner Detektorpixel 40 auf der Detektorpixelmatrix 24 nach sich zieht.From the illustration according to 1 shows that a sequential activation 26, as in 1 is shown, also entails a sequential activation of individual detector pixels 40 on the detector pixel matrix 24.

2 zeigt eine Darstellung der Laserdiodenmatrix 12, auf der in diesem Fall eine Spalte 14 aus einzelnen Laserdioden 18 gemäß der sequentiellen Aktivierung, vertikal 26, angesteuert ist. Daraus entsteht gemäß dem Strahlengang durch die Sendeoptik 32 und eine Pupille 44 eines menschlichen Auges 42 auf einer Retina 46 eines Glaskörpers 54 des menschlichen Auges 42 eine Anzahl von Punkten 48 auf der Retina 46. Aus 2 geht hervor, dass die einzelnen Punkte 48 auf der Retina 46 ein Abbild der gemäß der sequentiellen Aktivierung 26 angesteuerten einzelnen Laserdioden 18 der Laserdiodenmatrix 12 in Form einer Spalte 14 darstellen. Es stellt sich, wie in 2 dargestellt, ein thermisch höchst relevanter Bereich 50 ein. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die Retina 46 durch eine dargestellte Überlappung 52 der einzelnen Punkte 48 eine Konzentration 56 thermischer Hotspots aufweist, die an dieser Stelle der Retina 46 eine sehr hohe thermische Belastung darstellen, die möglicherweise zur Schädigung der Retina 46 als Teil des menschlichen Auges 42 führen kann. Die einzelnen Punkte 48 auf der Retina 46 weisen eine erste Temperatur auf, die in einem ersten Temperaturbereich 58 liegt. Die einzelnen, die Punkte 48 auf der Retina 46 umgebenden Höfe stellen einen die einander überlappenden Punkte 48 umgebenden thermisch beanspruchten Bereich dar, der jedoch eine niedrige Temperatur innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs 60 aufweist, der geringer ist als der erste Temperaturbereich 58. 2 shows a representation of the laser diode matrix 12, on which in this case a column 14 of individual laser diodes 18 is activated according to the sequential activation, vertically 26. This creates a number of points 48 on the retina 46 on a retina 46 of a vitreous body 54 of the human eye 42 in accordance with the beam path through the transmitting optics 32 and a pupil 44 of a human eye 42. Off 2 It can be seen that the individual points 48 on the retina 46 represent an image of the individual laser diodes 18 of the laser diode matrix 12 controlled according to the sequential activation 26 in the form of a column 14. It turns out, as in 2 shown, a thermally highly relevant area 50. From the illustration according to 2 It can be seen that the retina 46 has a concentration 56 of thermal hotspots due to an illustrated overlap 52 of the individual points 48, which represent a very high thermal load at this point on the retina 46, which could possibly damage the retina 46 as part of the human eye 42 can lead. The individual points 48 on the retina 46 have a first temperature that lies in a first temperature range 58. The individual halos surrounding the points 48 on the retina 46 represent a thermally stressed area surrounding the overlapping points 48, which, however, has a low temperature within a second temperature range 60, which is lower than the first temperature range 58.

In der Darstellung gemäß 2 stellen jedoch die Punkte 48, abgebildet in der Überlappung 52, den thermisch höchst relevanten Bereich 50 dar, der zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung führen könnte.According to the representation 2 However, the points 48, shown in the overlap 52, represent the thermally most relevant area 50, which could lead to health impairment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are referred to with the same reference numerals, with a repeated description of these elements being omitted in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

3 zeigt das LiDAR-Sensorsystem 10, welches mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens betrieben wird. 3 shows the LiDAR sensor system 10, which is operated using the method proposed according to the invention.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden einzelne Laserdioden 18 gemäß der Darstellung in 3 mittels eines Steuergeräts aus der Laserdiodenmatrix 12 derart angesteuert, dass eine punktuelle Aktivierung 76 realisiert werden kann. Die punktuelle Aktivierung 76 folgt der Maßgabe, dass zwischen den einzelnen, jeweils angesteuerten Laserdioden 18 ein Mindestabstand 114 einzuhalten ist. Dies führt im Fernfeld zu einer räumlichen Trennung der einzelnen Abbildungspunkte um einen Mindestwinkelabstand 104, der in der Größenordnung von 5 mrad liegt. Der laterale Abstand ergibt sich aus der geometrischen Optik, je nach Brennweite des Systems zwischen 10 µm und 1 mm und bevorzugt zwischen 100 µm und 250 µm.In the method proposed according to the invention, individual laser diodes 18 are arranged as shown in 3 by means of a control device from the laser diode matrix 12 in such a way that a point-based activation 76 can be realized. The point-based activation 76 follows the requirement that a minimum distance 114 must be maintained between the individual laser diodes 18 that are controlled. In the far field, this leads to a spatial separation of the individual imaging points by a minimum angular distance 104, which is in the order of 5 mrad. The lateral distance results from the geometric optics, depending on the focal length of the system between 10 µm and 1 mm and preferably between 100 µm and 250 µm.

Nach Passage der Sendeoptik 32 bilden die Laserstrahlenbündel Beamspots 36 auf der Planfläche gemäß 3. Zwischen den einzelnen Beamspots 36 liegen aufgrund des Mindestabstands 114 zwischen den einzelnen Laserdioden 18 der Laserdiodenmatrix 12 Mindestwinkelabstände 104 von beispielsweise > 5 mrad. Die sich auf der Planfläche einstellenden Mindestwinkelabstände 104 sind in der Darstellung gemäß 3 kreisförmig hervorgehoben.After passing through the transmission optics 32, the laser beams form beam spots 36 on the flat surface 3 . Due to the minimum distance 114 between the individual laser diodes 18 of the laser diode matrix 12, there are minimum angular distances 104 of, for example, > 5 mrad between the individual beam spots 36. The minimum angular distances 104 that occur on the flat surface are shown in the illustration 3 highlighted in a circle.

Die Ansteuerung einzelner Laserdioden 18 aus der Laserdiodenmatrix 12 erfolgt über besagtes Steuergerät 70, welches über eine Ansteuerung 72 mit der Laserdiodenmatrix 12 einerseits und über eine Ansteuerleitung 74 andererseits mit der Detektorpixelmatrix 24 verbunden ist. Je nach punktueller Aktivierung 76 über das Steuergerät 70 werden einzelne Laserdioden 18 der Laserdiodenmatrix 12 beziehungsweise einzelne Detektorpixel 40 der Detektorpixelmatrix 24 aktiviert. Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass die einzelnen Laserdioden 18 beispielsweise bei einer quadratisch ausgebildeten Laserdiodenmatrix 12 in einer ersten Spalte 82, einer zweiten Spalte 84, einer dritten Spalte 86, einer vierten Spalte 88 sowie einer fünften Spalte 90 in vertikaler Richtung angeordnet sein können und gemäß einer ersten Reihe 92, einer zweiten Reihe 94, einer dritten Reihe 96, einer vierten Reihe 98 sowie einer fünften Reihe 100 in horizontaler Richtung verlaufen. Je nachdem, ob ein regelmäßiges Muster der einzelnen zu aktivierenden Laserdioden 18 im Rahmen der punktuellen Aktivierung 76 oder eine pseudo-zufällige Aktivierung gewünscht ist, stellen sich entsprechende, voneinander beabstandete Beamspots 36, beispielsweise auf der in 3 dargestellten Planfläche ein, die um Mindestwinkelabstände 104 räumlich voneinander getrennt sind, so dass kein konzentrierter Temperatureintrag erfolgt.Individual laser diodes 18 from the laser diode matrix 12 are controlled via said control device 70, which is connected to the laser diode matrix 12 via a control 72 on the one hand and to the detector pixel matrix 24 via a control line 74 on the other hand. Depending on the selective activation 76 via the control device 70, individual laser diodes 18 of the laser diode matrix 12 or individual detector pixels 40 of the detector pixel matrix 24 are activated. From the illustration according to 3 It follows that the individual laser diodes 18, for example in a square laser diode matrix 12, can be arranged in a first column 82, a second column 84, a third column 86, a fourth column 88 and a fifth column 90 in the vertical direction and according to a first Row 92, a second row 94, a third row 96, a fourth row 98 and a fifth row 100 run in a horizontal direction. Depending on whether a regular pattern of the individual laser diodes 18 to be activated is desired as part of the selective activation 76 or a pseudo-random activation, corresponding, spaced-apart beamspots 36 are provided, for example on the FIG 3 shown plan surface, which are spatially separated from each other by minimum angular distances 104, so that there is no concentrated temperature input.

Aus der Darstellung gemäß 4 geht eine Übertragung der in 3 dargestellten Abbildungsverhältnisse von der Planfläche auf eine Retina 46 des Glaskörpers 54 eines menschlichen Auges 42 näher hervor.From the representation according to 4 A transfer of the data in 3 illustrated imaging conditions from the flat surface to a retina 46 of the vitreous body 54 of a human eye 42.

Aus Gründen der Vereinfachung ist in der Darstellung gemäß 4 lediglich die Laserdiodenmatrix 12 dargestellt. Die Laserdiodenmatrix 12 zeigt analog zur Darstellung gemäß 3 einzelne Laserdioden 18, die in Form der ersten Spalte 82, der zweiten Spalte 84, der dritten Spalte 86 sowie der vierten Spalte 88 und der fünften Spalte 90 in vertikaler Richtung angeordnet sein können. Des Weiteren befinden sich auf der Laserdiodenmatrix 12 gemäß der Darstellung in 4 einzelne Laserdioden 18 in einer ersten Reihe 92, einer zweiten Reihe 94, einer dritten Reihe 96 sowie in einer vierten Reihe 98 und in einer fünften Reihe 100, in horizontaler Richtung angeordnet. Mit dem Steuergerät 70 werden die einzelnen Laserdioden 18 unter Einhaltung des Mindestwinkelabstands 104 im Rahmen der Laserdiodenmatrix 12 angesteuert, so dass sich nach Passage der Sendeoptik 32 sowie der Pupille 44 des menschlichen Auges 42 auf der Retina 46 des Glaskörpers 54 räumlich voneinander getrennte Punkte 108 erzeugen lassen.For reasons of simplification, the representation is as follows 4 only the laser diode matrix 12 is shown. The laser diode matrix 12 shows analogous to the illustration 3 individual laser diodes 18, which can be arranged in the vertical direction in the form of the first column 82, the second column 84, the third column 86 as well as the fourth column 88 and the fifth column 90. Furthermore, there are 12 on the laser diode matrix as shown in 4 individual laser diodes 18 in a first row 92, a second row 94, a third row 96 as well as in a fourth row 98 and in a fifth row 100, arranged in the horizontal direction. With the control device 70, the individual laser diodes 18 are controlled while maintaining the minimum angular distance 104 within the framework of the laser diode matrix 12, so that spatially separated points 108 are generated on the retina 46 of the vitreous body 54 after passage of the transmitting optics 32 and the pupil 44 of the human eye 42 let.

Wie aus der Darstellung gemäß 4 hervorgeht, werden durch die punktuelle Aktivierung 76 auf der Retina 46 einzelne, voneinander beabstandete, räumlich getrennte Punkte 108 gebildet. Die einzelnen, räumlich getrennten Punkte 108 sind durch einen Mindestwinkelabstand 104 räumlich voneinander getrennt. 4 zeigt, dass die einzelnen, räumlich voneinander getrennten Punkte 108 eine Temperatur aufweisen, die in einem ersten Temperaturbereich 58 liegt. Die einzelnen, räumlich voneinander getrennten Punkte 108 sind dabei jeweils von Höfen 110 umgeben. Die Höfe 110 weisen eine im Wesentlichen kreisförmig konfigurierte Fläche auf und umgeben die einzelnen, räumlich voneinander getrennten Punkte 108 konzentrisch. Innerhalb von räumlich voneinander getrennten Höfen 112, die jeweils einen der Punkte 108 umschließen, herrscht eine Temperatur, die innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs 60 liegt, der geringer ist als der erste Temperaturbereich 58.As shown in the illustration 4 As a result of the selective activation 76 on the retina 46, individual, spaced-apart, spatially separated points 108 are formed. The individual, spatially separated points 108 are spatially separated from one another by a minimum angular distance 104. 4 shows that the individual, spatially separated points 108 have a temperature that lies in a first temperature range 58. The individual, spatially separated points 108 are each surrounded by courtyards 110. The courtyards 110 have a substantially circularly configured area and concentrically surround the individual, spatially separated points 108. Within spatially separate courtyards 112, each of which encloses one of the points 108, there is a temperature that lies within a second temperature range 60, which is lower than the first temperature range 58.

Aus der Darstellung gemäß 4 ergibt sich, dass die Zentren der räumlich voneinander getrennten Punkte 108, die eine Temperatur im ersten Temperaturbereich 58 aufweisen, um den Mindestwinkelabstand 104 voneinander getrennt sind. Auch zwischen den räumlich voneinander getrennten Höfen 112, die jeweils die räumlich voneinander getrennten Punkte 108 konzentrisch umschließen, besteht keine Verbindung, insbesondere keine Überlappung. Dies bedeutet, dass die einzelnen, räumlich voneinander getrennten Punkte 108 thermisch unabhängig voneinander sind und im Gegensatz zur Darstellung gemäß 2 weder in horizontaler noch in vertikaler Richtung Überlappungen 52 auftreten. Aufgrund dieser räumlich voneinander getrennten Punkte 108 auf der Retina 46 sind die räumlich voneinander getrennten Punkte 108 voneinander getrennt und bilden keinerlei Wärmebrücken, an welchen ein erhöhter Wärmeeintrag in die Retina 56 des menschlichen Auges 42 auftreten könnte.From the illustration according to 4 The result is that the centers of the spatially separated points 108, which have a temperature in the first temperature range 58, are separated from one another by the minimum angular distance 104. There is also no connection, in particular no overlap, between the spatially separated courtyards 112, which each concentrically enclose the spatially separated points 108. This means that the individual, spatially separated points 108 are thermally independent of each other and, in contrast to the illustration, according to 2 No overlaps 52 occur either in the horizontal or vertical direction. Due to these spatially separated points 108 on the retina 46, the spatially separated points 108 are separated from one another and do not form any thermal bridges at which an increased heat input into the retina 56 of the human eye 42 could occur.

Wird das Steuergerät 70, welches die Laserdiodenmatrix 12 über die Ansteuerung 72 ansteuert, mit einem pseudo-zufälligen Muster betrieben, werden andere als die in 4 dargestellten einzelnen Laserdioden 18 angesteuert, so dass sich auf der Retina 46 des Glaskörpers 54 des menschlichen Auges 42 geometrisch wieder anders gelegene, räumlich voneinander getrennte Punkte 108 bilden. Dadurch kann der Wärmeeintrag in die Retina 46 des menschlichen Auges 42 vergleichmäßigt werden, insbesondere lässt sich das Auftreten lokaler Hotspots, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt sind, wirksam vermeiden.If the control device 70, which controls the laser diode matrix 12 via the control 72, is operated with a pseudo-random pattern, patterns other than those in 4 The individual laser diodes 18 shown are controlled, so that points 108 that are geometrically differently located and spatially separated from one another are formed on the retina 46 of the vitreous body 54 of the human eye 42. This allows the heat input into the retina 46 of the human eye 42 to be evened out, in particular the occurrence of local hotspots, such as those in 2 shown can be effectively avoided.

Da sich die räumlich voneinander getrennten Punkte 108 und deren thermische Wirkung nicht überlappen, wird die Belastung der Retina 46 erheblich reduziert. Alternativ können auch Gruppen einzelner Laserdioden 18 zusammengefasst werden und diese Gruppen einen Mindestabstand 114 zueinander aufweisen. Since the spatially separated points 108 and their thermal effect do not overlap, the load on the retina 46 is significantly reduced. Alternatively, groups of individual laser diodes 18 can also be combined and these groups have a minimum distance of 114 from each other.

Die Auswahl der einzelnen anzusteuernden Laserdioden 18 kann entweder in einem regelmäßigen Muster erfolgen oder auch in einem pseudo-zufällig generierten Muster, wobei jedoch sichergestellt ist, dass ein Mindestabstand 114 auf der Laserdiodenmatrix 12 gewährleistet bleibt.The selection of the individual laser diodes 18 to be controlled can take place either in a regular pattern or in a pseudo-randomly generated pattern, although it is ensured that a minimum distance 114 on the laser diode matrix 12 remains guaranteed.

Haben die räumlich voneinander getrennten Punkte 108 auf der Retina 46 einen ausreichenden Abstand zueinander, wie in 4 dargestellt der Mindestwinkelabstand 104, werden sie als thermisch unabhängig voneinander betrachtet. Ein Parameter, der beschreibt, inwieweit eine Wärmeleitung greift, ist α_max. α_max ist in der internationalen Lasersicherheitsnorm IEC 60825-1:2014 definiert und ist zeitabhängig. Die Zeitabhängigkeit ist wie folgt definiert: $\begin{array}{l} α_{max} = 5 mrad für t < 625 μ s Pulsdauer, \\ 200 t^{0,5} mrad für 625 μ s \leq t \leq 0,25 s Pulsdauer, \\ 100 mrad für t > 0,25 s Pulsdauer . \end{array}$

Do the spatially separated points 108 on the retina 46 have a sufficient distance from one another, as in 4 shown as the minimum angular distance 104, they are considered to be thermally independent of each other. A parameter that describes the extent to which heat conduction is effective is α _max . α _max is defined in the international laser safety standard IEC 60825-1:2014 and is time dependent. The time dependency is defined as follows:

\begin{array}{l} α_{Max} = 5 mrad for t < 625 μ s pulse duration, \\ 200 t^{0.5} mrad for 625 μ s \leq t \leq 0.25 s pulse duration, \\ 100 mrad for t > 0.25 s pulse duration . \end{array}

Der Grund für die Zeitabhängigkeit des Parameters α_max' liegt in der komprimierten Kühlung. Bei gleicher retinaler Bestrahlungsstärke kommt es bei unterschiedlichen Spotgrößen zu unterschiedlicher Temperaturerhöhung aufgrund der sich einstellenden Wärmeleitungsprozesse im Gewebe der Retina 46.The reason for the time dependence of the parameter α _max' lies in the compressed cooling. With the same retinal irradiance, different spot sizes lead to different temperature increases due to the heat conduction processes that occur in the tissue of the retina 46.

In einer vereinfachten Variante kann der vorstehenden Gleichung folgend stets ein Mindestabstand 114 von 100 mrad eingehalten werden, welches dem maximalen Wert von α_max entspricht. Bei kürzeren Puls- beziehungsweise Pulsgruppendauern reichen allerdings bereits kleinere Werte für α_max für eine thermische Unabhängigkeit aus. Dabei ist nicht zwingend die Pulsdauer t_puls, sondern in t in der vorstehend dargestellten Formel gehen auch alle anderen Emissionsbewertungsdauern ein. Dies bedeutet, dass insbesondere die restriktivste Emissionsbewertungsdauer hier relevant ist und der Wert für α_max hiervon abgeleitet wird. Diese Bewertung kann für verschiedene Schussmuster punktueller Aktivierungen 76 einzelner Laserdioden 18 der Laserdiodenmatrix 12 bereits im Vorfeld berechnet werden und im Ansteuergerät 70 des LiDAR-Sensorsystems 10 in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, im Steuergerät 70 eine Inline-Berechnung durchzuführen.In a simplified variant, following the above equation, a minimum distance 114 of 100 mrad can always be maintained, which corresponds to the maximum value of α _max . With shorter pulse or pulse group durations, however, smaller values for α _max are sufficient for thermal independence. The pulse duration t pulse is not necessarily the pulse duration t _puls, but all other emission assessment durations are also included in t in the formula shown above. This means that the most restrictive emission assessment duration in particular is relevant here and the value for α _max is derived from this. This assessment can be calculated in advance for different shot patterns of point activations 76 of individual laser diodes 18 of the laser diode matrix 12 and stored in the control unit 70 of the LiDAR sensor system 10 in the form of a look-up table. Alternatively, it is possible to carry out an inline calculation in the control unit 70.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die Auswahl der in der Szene dargestellten Punkte, die vor dem LiDAR-Sensorsystem 10 liegt, auch in Abhängigkeit von der aktuellen Szene durchgeführt werden. In diesem Fall werden beispielsweise Punkte ausgewählt, die unter Einhaltung des Mindestabstands 114 bei der Ansteuerung einzelner Laserdioden 18 erfasst werden können, die möglichst die interessantesten Szenebereiche der vor dem LiDAR-Sensorsystem 10 liegenden Szene und für diese eine besonders gute Abtastmöglichkeit bieten.In a particularly advantageous embodiment variant of the method proposed according to the invention, the selection of the points displayed in the scene that lies in front of the LiDAR sensor system 10 can also be carried out depending on the current scene. In this case, for example, points are selected that can be detected while maintaining the minimum distance 114 when controlling individual laser diodes 18, which if possible offer the most interesting scene areas of the scene in front of the LiDAR sensor system 10 and a particularly good scanning option for them.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of professional action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2018169758 A1 [0006]
WO 2014018684 A1 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

Schulmeister, K., Stuck, B.E., Lund, D.J., Sliney, D.H., Review of thresholds and recommendations for revised exposure limits for laser and optical radiation for thermally induced retinal injury. Health Physics, 2011, February, 100(2) - 210-20 [0005]

Claims

Method for operating a LiDAR sensor system (10) with a laser diode matrix (12) comprising individual laser diodes (18) representing a transmitting unit (20) and a detector pixel matrix (24) comprising individual detector pixels (40) representing a receiving unit (22), wherein the individual laser diodes (18) of the transmitting unit (20) are individually controlled by means of a control device (70), with the following method steps: a) controlling individual laser diodes (18) or groups of individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) by means of the control device (70) such that b) the controlled individual laser diodes (18) or the groups of individual laser diodes (18) are located at a minimum distance (114) from one another on the laser diode matrix (12), c) beams of rays emitted by the individually controlled laser diodes (18) are transmitted via a transmitting optics (32) and d) the beams of rays are imaged as spatially separated points (108) which are spaced apart (104) from one another on the retina (46) of the human eye (42).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a selective control (76) of individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) or of groups of individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) takes place according to a regular pattern.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a selective control (76) of individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) or of groups of individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) takes place according to a random or pseudo-random pattern.

Procedure in accordance with Claims 1 until 3 , characterized in that the minimum distance (114) between the individual controlled laser diodes (18) on the laser diode matrix (12), depending on the focal length of the system, is between 10 µm and 1 mm, preferably between 100 µm and 250 µm.

Procedure in accordance with Claims 1 until 4 , characterized in that according to method step d), the spatially separated points (108) are imaged on the retina (46) at a distance (104) of at least 5 mrad.

Procedure in accordance with Claims 1 until 5 , characterized in that according to method step d), the spatially separated points (108) on the retina (46) are imaged without overlap in the horizontal direction and / or in the vertical direction.

Procedure in accordance with Claims 1 until 6 , characterized in that the distance (104) is at least 100 mrad and a maximum of α _max corresponds to α _max = 5 mrad for t < 625 µs pulse duration, 200 t ^0.5 mrad for 625 µs ≤ t ≤ 0 .25 s pulse duration, 100 mrad for t > 0.25 s pulse duration.

Procedure in accordance with Claims 1 until 7 , characterized in that individual laser diodes (18) of the laser diode matrix (12) are specifically controlled by controlling the control device (70), so that interesting scene areas are scanned by the LiDAR sensor system (10) while maintaining the minimum angular distance (104).

Use of the method according to one of the Claims 1 until 8th in a LiDAR sensor system (10) to protect the human eye (42) against excessive heat input.