WO2012139796A1 - Optisches system für die umfelderfassung - Google Patents

Optisches system für die umfelderfassung Download PDF

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Reinhold Fiess
Sascha Steinkogler
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    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to an optical system for the surroundings detection.
  • a system is used for example as a board-bound system in a motor vehicle to detect obstacles located in the vicinity of the vehicle, in particular other vehicles or the like, and to control functions of a driver assistance system by means of the information thus obtained.
  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • Commercially available are already LIDAR systems with a fixed beam shaping, as crizspielswei se the SRLl system of the company A.D.C., a subsidiary of the company Continental.
  • a laser beam is expanded in certain predetermined fixed directions by a special lens system, such as a stepped Fresnel lens.
  • a special lens system such as a stepped Fresnel lens.
  • Other known LIDAR systems are scanning systems with at least one deflection mirror or movably arranged lens systems.
  • a LIDAR system with variable diffractive element can thus be advantageously used for several different applications in driver assistance systems that require different parameters, in particular distance range and field of view of the laser imager.
  • applications for different functions such as city safety, parking assistance or pre-crash, could be realized with a single system.
  • the core component of the optical system designed according to the invention is an electrically controllable display in order to generate variable phase or amplitude gratings (holograms).
  • a laser beam generated by an infrared laser is expanded to the size of the display and thus illuminates the display.
  • the laser light now experiences different delay delays, which leads to a corresponding interference (analogous to a hologram).
  • a redistribution of light in the manner of a projection image can be achieved.
  • an adjustable number of beam lobes can be realized.
  • the direction, the size of the angular range and the geometry of the beam lobes can thus be adjusted.
  • a very large computational effort and a very high resolution of the display are necessary.
  • temporally successive different holograms for the different wavelengths red, green and blue would have to be realized.
  • the requirements of the phase grating and thus of the controllable element are much lower.
  • a much lower resolution for example, VGA
  • the calculation essentially only needs to be done for a single wavelength, for example, near infrared (NI R) 808 nm.
  • NI R near infrared
  • the time requirement for a change of the Phase grating is also not very high for the intended applications, since the beam lobes only have to be changed relatively slowly. For example, when adapting to different assistance systems, changes in the field of view, etc.
  • the distance measurement of a detected obstacle takes place via a rapid temporal modulation of the laser light and thus a corresponding transit time measurement with one or more detectors.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 illustrates the operation of the invention with reference to a schematically illustrated first embodiment.
  • the optical system 10 includes a laser 1 that generates near infrared radiation (NI R).
  • NI R near infrared radiation
  • an expansion optics 2 is arranged, which expands the light beam generated by the laser 1 so that a larger beam cross section is established.
  • the expansion optics may consist of a combination of two converging lenses.
  • a controllable phase grating 3 is arranged. As controllable
  • the laser 1 illuminates the controllable phase grating 3 via the expansion optics 2.
  • the desired intensity and direction distribution (projection) is generated via appropriately calculated phase functions on the phase grating 3, which are supplied thereto via the control unit 4, for example different beam cones in different directions ,
  • three beam cones Sl, S2, S3 are shown, which are each emitted at angles cd, «2, « 3.
  • the number of beam cones and The angular ranges can thus, depending on the desired application, be varied as desired by appropriate control of the phase grating 3.
  • Figure 2 illustrates, in a further embodiment, that for certain areas and directions by means of an additional output optics nor an additional beam shaping can be performed.
  • an additional output optics are, for example, in the schematically illustrated embodiment of Figure 2, for example, converging lenses LI, L2, L3 provided, which are arranged in the beam paths of the beam cones Sl, S2, S3.
  • Such a segmented optical system can thus be subjected to targeted radiation via the correspondingly controlled phase grating 3.
  • both embodiments offer several possibilities, which will be described in more detail below.
  • additional beam lobes can be generated for an enlargement of the field of view.
  • width of the beam lobes can be adjusted.
  • pivoting of the beam lobes is also possible with the variably controllable phase grating.
  • time steps of, for example, 20 ms (corresponding to a frequency of 1/50 Hz), for example, new phase gratings are calculated. This makes it possible to change the position of the beam lobe with this step size.
  • the repetition rate of already commercially available LCOS displays is about 5 ms.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (10) für die Umfelderfassung mit einem Laser (1) für die Erzeugung eines für die Abtastung des Umfeldes vorgesehenen Lichtstrahls (S0, S0'). In dem Strahlengang des von dem Laser (1) erzeugten Lichtstrahls (S0, S0') ist ein steuerbares Phasengitter (3) angeordnet.

Description

Titel
Optisches System für die Umfelderfassung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein optisches System für die Umfelderfassung. Ein derartiges System wird beispielsweise als bordgebundenes System in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, um in der Umgebung des Fahrzeugs befindliche Hindernisse, wie insbesonde re Fremdfahrzeuge oder dergleichen, zu erfassen und mittels der dadurch gewonnenen Information Funktionen eines Fahrerassistenzsystems zu steuern. Das optische System umfasst ein LIDAR- System (LIDAR = Light Detection and Ranging), bei dem Entfernung und Richtung, ggf. auch die Relativgeschwindigkeit eines Hindernisses in der Umgebung des Fahrzeugs durch Lichtimpulse eines Lasers erfasst werden. Handelsüblich sind bereits LIDAR-Systeme mit einer fixen Strahlformung, wie beispielswei se das SRLl-System der Firma A.D.C., einer Tochtergesellschaft der Firma Continental. Bei einem System mit fixer Strahlformung wird ein Laserstrahl durch ein spezielles Linsensystem, wie zum Beispiel eine gestufte Fresnellinse, in bestimmte vorgegebene feste Richtungen aufgeweitet. Weitere bekannte LIDAR-Systeme sind scannende Systeme mit mindestens einem Ablenkspiegel oder auch beweglich angeordneten Linsensystemen.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Durch die Verwendung von Displays (zum Beispiel LCOS oder auf Mikromechanik basierende DMD) als variable diffraktive Elemente („holografisch") im NI R- Bereich (NI R = Near Infrared) können unterschiedliche Strahlkeulen in Anzahl und Richtung erzeugt werden, die darüber hinaus zeitlich verändert werden können. Ein LIDAR-System mit variablem diffraktivem Element kann somit vorteilhaft für mehrere unterschiedliche Applikationen bei Fahrerassistenzsystemen eingesetzt werden, die unterschiedliche Kenngrößen, wie insbesondere Abstandsreichweite und Blickfeld des Laserimagers, erfordern. Somit könnten damit Anwendungen für unterschiedliche Funktionen, wie zum Beispiel City-Safety, Einparkhilfe oder Pre-Crash, mit einem einzigen System rea lisiert werden. Grund hierfür ist, dass ein Imager für eine Einparkhilfe ein größeres Blickfeld jedoch eine geringere Reichweite benötigt als beispielsweise ein Pre-Crash Sensor, dessen Blickwinkel kleiner sein kann, der jedoch eine größere Reichweite benötigt. Für die Optikauslegung des Sende- und Empfangsstrahls können somit solche gegensätzlichen Anforderungen zu Konflikten führen, deren Lösung bis zum heutigen Zeitpunkt insbesondre bezüglich Kosten und Bauraum, unbefriedigend sind. Kernbestandteil des erfindungsgemäß ausgestalteten optischen Systems ist ein elektrisch steuerbares Display, um damit variable Phasen- oder Amplitudengitter (Hologramme) zu erzeugen. Dabei wird ein von einem Infrarotlaser erzeugter Laserstrahl auf die Größe des Displays aufgeweitet und beleuchtet somit das Display. An den einzelnen Pixelbereichen des Displays erfährt das Laserlicht nun unterschiedliche Laufzeitverzöge rungen, was zu einer entsprechenden Interferenz führt (analog zu einem Hologramm). Hiermit kann eine Lichtumverteilung nach Art eines Projektionsbildes erreicht werden. Somit kann zum Beispiel eine einstellbare Anzahl von Strahlkeulen realisiert werden. Auch die Richtung, die Größe des Winkelbereichs und die Geometrie der Strahlkeulen kann somit eingestellt werden. Um im sichtbaren Bereich des Spektrums hochwertige Projektionsbilder zu erzeugen, sind ein sehr großer Rechenaufwand und eine sehr hohe Auflösung des Displays (zum Beispiel größer als SVGA) notwendig. Außerdem müssten hierbei zeitlich nacheinander unterschiedliche Hologramme für die verschiedenen Wellenlängen Rot, Grün und Blau realisiert werden.
Um im NI R-Bereich verschiedene Strahlkeulen in unterschiedliche Richtungen zu erzeugen, sind dagegen die Anforderungen an das Phasengitter und damit an das steuerbare Element wesentlich geringer. Außerdem ist nur eine deutlich niedrigere Auflösung (zum Beispiel VGA) notwendig. Darüber hinaus muss die Berechnung im Wesentlichen nur für eine einzige Wellenlänge, zum Beispiel 808 nm im nahen Infrarotbereich (NI R), durchgeführt werden. Die zeitliche Anforderung an eine Änderung des Phasengitters ist für die vorgesehenen Anwendungen auch nicht allzu hoch, da die Strahlkeulen nur relativ langsam geändert werden müssen. Zum Beispiel bei Anpassung an verschiedene Assistenzsysteme, Änderungen des Blickfeldes, usw. Die Abstandsmessung eines erfassten Hindernisses erfolgt dabei über eine schnelle zeitliche Modulation des Laserlichts und damit über eine entsprechende Laufzeitmessung mit einem oder mehreren Detektoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 1 verdeutlicht die Funktionsweise der Erfindung anhand eines schematisch dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Das optische System 10 umfasst einen Laser 1, der Strahlung im nahen Infrarotbereich (NI R) erzeugt. In dem Strahlengang der von dem Laser 1 erzeugten Strahlung ist eine Aufweitungsoptik 2 angeordnet, die den von dem Laser 1 erzeugten Lichtstrahl so aufweitet, dass sich ein größerer Strahlquerschnitt einstellt. Beispielsweise kann die Aufweitungsoptik aus einer Kombination von zwei Sammellinsen bestehen. Im weiteren Strahlengang ist ein steuerbares Phasengitter 3 angeordnet. Als steuerbares
Phasengitter 3 eignet sich vorteilhaft eine LCOS Baugruppe (LCOS = Liquid
Crystal on Silicon)oder auch ein Mikrospiegelarray. Mit dem steuerbaren Phasengitter 3 ist ein Steuergerät 4 verbunden, das die Steuerung des Phasengitters 3 ermöglicht. Im Folgenden wird die Funktionsweise dieses ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Der Laser 1 beleuchtet über die Aufweitungsoptik 2 das steuerbare Phasengitter 3. Über entsprechend berechnete Phasenfunktionen an dem Phasengitter 3, die diesem über das Steuergerät 4 zugeleitet werden, wird die gewünschte Intensitäts- und Richtungsverteilung (Projektion) erzeugt, zum Beispiel unterschiedliche Strahlkegel in unterschiedliche Richtungen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Strahlkegel Sl, S2, S3 gezeigt, die jeweils in Winkel cd, «2, «3 abgestrahlt werden. Die Anzahl der Strahlkegel und die Winkelbereiche können somit, je nach gewünschtem Anwendungsfall, durch entsprechende Steuerung des Phasengitters 3, beliebig variiert werden.
Figur 2 verdeutlicht, bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, dass für bestimmte Bereiche und Richtungen mittels einer zusätzlichen Ausgangsoptik noch eine zusätzliche Strahlformung durchgeführt werden kann. Als zusätzliche Ausgangsoptik sind, in dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, beispielsweise Sammellinsen LI, L2, L3 vorgesehen, die in den Strahlengängen der Strahlkegel Sl, S2, S3 angeordnet sind. Solch eine segmentierte Optik kann so über das entsprechend angesteuerte Phasengitter 3 somit gezielt mit Strahlung beaufschlagt werden.
Für eine adaptive Steuerung bieten beide Ausführungsbeispiele mehrere Möglichkeiten, die im Folgenden noch etwas detaillierter beschrieben werden. So können für eine Vergrößerung des Blickfeldes zusätzliche Strahlkeulen erzeugt werden. Weiterhin kann die Breite der Strahlkeulen eingestellt werden.
Bei hinreichend hoher Auflösung des Displays (> als beispielsweise VGA) ist auch eine sehr effiziente Fokussierung möglich, wodurch mit sehr schmalen Strahlkeulen eine Erhöhung der Reichweite möglich ist.
Für weitere adaptive Anpassungen an unterschiedliche Umgebungsbedingungen oder andere Funktionen eines Fahrerassistenzsystems ist mit dem variabel steuerbaren Phasengitter auch ein Schwenken der Strahlkeulen möglich. Mit Zeitschritten von beispielsweise 20 ms (entspricht einer Frequenz von 1/50 Hz) werden zum Beispiel neue Phasengitter berechnet. Damit ist eine Änderung der Lage der Strahlkeule mit dieser Schrittweite möglich. Die Wiederholrate von bereits handelsüblich verfügbaren LCOS-Displays liegt bei etwa 5 ms.
Erfindungsgemäß sind, in Weiterbildungen der Erfindung, auch beliebige Kombinationen dieser Varianten denkbar.

Claims

Ansprüche
1. Optisches System (10) für die Umfelderfassung mit einem Laser (1) für die Erzeugung eines für die Abtastung des Umfeldes vorgesehenen Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang des von dem Laser (1) erzeugten Lichtstrahls ein steuerbares Phasengitter (3) angeordnet ist.
2. Optisches System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasengitter (3) eine LCOS-Baugruppe vorgesehen ist.
3. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasengitter (3) ein Mikrospiegelarray vorgesehen ist.
4. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang zwischen dem Laser (1) und dem, Phasengitter (3) eine Aufweitungsoptik (2) angeordnet ist, die den Strahlquerschnitt des von dem Laser (1) ausgesandten Lichtstrahls (SO) auf einen Lichtstrahl (SO') mit einem größeren Strahlquerschnitt aufweitet.
5. Optisches System (10) nach einem der4 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (3) mit einem Steuergerät (4) verbunden ist.
6. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Steuerung des Phasengitters (3) aus dem auf das Phasengitter (3) auftreffenden Lichtstrahl (SO') eine Mehrzahl von Strahlkegeln (Sl, S2, S3) erzeugbar ist.
7. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Strahlkegel (Sl, S2, S3) in einen vorgebbaren Winkel (cd, α2, a3) ablenkbar ist.
8. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang jedes Strahlkegels (Sl, S2, S3) eine Aufweitungsoptik (LI, L2, L3) angeordnet ist, die eine weitere Strahlformung ermöglicht.
9. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Steuerung des Phasengitters (3) eine Schwenkung der Strahlkeulen (Sl, S2, S3) ermöglicht wird.
10. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Strahlkeulen (Sl, S2, S3) hinsichtlich ihrer Anzahl, Form und/oder Strahlrichtung (Winkel cd, α2, a3) innerhalb eines unter etwa 20 ms dauernden Zeitintervalls erfolgt.
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