WO2018219898A1 - Optische abtastung eines umfelds - Google Patents

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WO2018219898A1
WO2018219898A1 PCT/EP2018/063992 EP2018063992W WO2018219898A1 WO 2018219898 A1 WO2018219898 A1 WO 2018219898A1 EP 2018063992 W EP2018063992 W EP 2018063992W WO 2018219898 A1 WO2018219898 A1 WO 2018219898A1
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view
field
scanning
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PCT/EP2018/063992
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Reinhold Fiess
Daniel AQUINO MAIER
Annette Frederiksen
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Robert Bosch Gmbh
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    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/12Scanning systems using multifaceted mirrors
    • G02B26/123Multibeam scanners, e.g. using multiple light sources or beam splitters

Definitions

  • the invention relates to the optical scanning of an environment.
  • the invention relates to the optical scanning in the long-range of a motor vehicle.
  • DAR systems known that sequentially illuminate the environment using laser light and scan reflected light.
  • So-called macro scanners use a rotating macro mirror with a diameter in the centimeter range, in order to steer the laser light successively on different sections of the field of view.
  • a microscanner may be used which uses one or more small mirrors which can oscillate about one or two axes to realize the deflection of the light. In such a micro-scanner, it is usually necessary to provide different optical paths for the transmission and the reception path, since the micromirror greatly limits the reception aperture and can collect only little incident light.
  • An object underlying the present invention is to provide an improved technique for optically scanning an environment, in particular on board a motor vehicle.
  • the invention solves this problem by means of the subjects of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
  • a scanning device for optically scanning a field of view comprises a lighting device with an arrangement of surface emitters, each for emitting light, a controllable deflecting device for deflecting light emitted by the lighting device; a light detector for receiving emitted light reflected from an object in the field of view; a distance meter for determining the distance of the object based on the emitted and the received light; and a controller.
  • the control device is set up to control the illumination device, the deflection device and the light detector in such a way that one section of the field of view is scanned optically in succession.
  • the invention can be used with both a one-dimensional and a two-dimensional array of surface emitters.
  • the deflector need only be able to control relatively small deflections to still fully scan a large field of view, such as is required in the automotive field.
  • the field of view may be about 50 degrees in a first direction and about 9 degrees in a second direction, and the range may be about 180 meters.
  • a resolution of about 0.15 ° x about 0.15 ° can be achieved.
  • the invention is based on the finding that a two-stage addressing of pixels, on the one hand by selective switching on of individual surface emitters of the illumination device and on the other hand by deflecting all light beams emitted by the illumination device, can lead to improved scanning.
  • a photosensitivity, a scanning speed or a resolution can be increased in each case.
  • the control device is set up to provide a range image of an object in the field of view on the basis of the samples.
  • the range image includes a number of pixels, with each one for each Pixel is given a distance in which there is an object which has reflected the light emitted by the illumination device. If no measurable reflection took place, a predetermined maximum value or a specific value such as 0 or -1 can be noted for the distance.
  • the distance image can be further processed by means of a control device on board the motor vehicle, in particular in order to control the motor vehicle. Graphically, the distance image can be represented, for example, as a false color image, with different colors corresponding to different distances.
  • control device is preferably set up in such a way that the distances of the individual sections determined by the distance meter adjoin one another such that a distance image results which covers the entire field of view.
  • control device ensures that the individual scanned sections are as free of overlapping as possible.
  • the deflection device is designed to be free of rotation.
  • the deflection device can be, for example, a liquid lens, an acousto-optical modulator and / or deflector, acousto-optically controllable filter (Acousto-Optical Tunable Filter, AOTF), an electro-optical modulator and / or deflector, a switchable hologram, a micromirror, a spatial Spatial light modulator (SLM), in particular based on liquid crystals, a refractive liquid crystal scanner, a piezoelectric element for moving the illumination device or a cylindrical lens array include.
  • SLM spatial Spatial light modulator
  • the deflection device can be designed for one-dimensional or two-dimensional deflection of the light.
  • a two-dimensional sequential scan of the field of view is performed. Two sections may differ in one or two directions. The complete scanning of even a large field of view can be carried out quickly.
  • the light detector comprises a two-dimensional arrangement of individual detectors. As a result, the light detector is preferred configured to scan multiple pixels simultaneously, each pixel may be associated with a single detector. Optimal matching of the number and arrangement of surface emitters to the number and arrangement of the individual detectors, in particular with respect to predetermined requirements for maximum distance, size, shape and resolution of the field of view, may allow improved and faster scanning.
  • geometrical arrangements of the surface emitters and the individual detectors are different from each other.
  • a matrix-shaped arrangement of the surface emitter can be transformed by means of a liquid lens into an annular arrangement of the individual detectors. The deflection can take place in the radial and optionally also in the azimuthal direction.
  • the scanning device supports the distance measurement, for example on the basis of the propagation time of light (time of flight, TOF), based on a
  • the scanning device is thus improved universally applicable and can optionally even be adapted dynamically to a purpose.
  • a method of optically scanning a field of view includes steps of emitting light by means of a lighting device comprising an array of surface emitters each arranged to emit light; controlling a deflection of the light emitted by the illumination device; receiving emitted light reflected from an object in the field of view; and determining the distance of the object based on the emitted and received light.
  • the illumination device, the deflection device and the light detector are controlled in such a way that one section of the field of view is scanned optically in succession.
  • the section may correspond to a pixel of a detector for receiving the reflected light. If only one detector is used, all pixels must be scanned one after the other.
  • the method is set up in particular for implementation by means of the scanning device described above.
  • the process may take the form of a Computer program product available and the control device may include a programmable microcomputer or microcontroller, a user-specific integrated circuit (ASIC) or an FPGA on which runs the computer program product.
  • ASIC user-specific integrated circuit
  • FPGA field-programmable gate array
  • the sections cover the field of view in a matrix-like manner.
  • the sections can be arranged in rows and columns, which are preferably free of cover.
  • Fig. 1 a scanning device
  • FIG. 2 shows further embodiments for the optical scanning of an environment by means of the scanning device of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for scanning an environment by means of the scanner of FIG.
  • the scanning device 100 can be set up in particular for use on board a motor vehicle, preferably a passenger car.
  • the scanning device 100 for optical scanning in the short vicinity of ⁇ 5m, in the mid-range of about 5 - 50 m, middle or long range above about 20 to 50 m or an even greater distance be established.
  • the scanning device 100 can also be used in another application, for example in robotics or in a CE application.
  • the field of view 105 is usually part of an environment of the scanner 100 and may be defined by a horizontal and a vertical opening angle with respect to the scanner 100.
  • the scanning device 100 comprises an illumination device 110, which has a preferably two-dimensional arrangement of surface emitters 115, a controllable deflection device 120 for deflecting light emitted by the illumination device 110, and a light detector 125, which preferably has a two-dimensional arrangement of individual detectors 130 has.
  • a beam-shaping unit for example in the form of microlenses, can be provided in order to form light emerging from the arrangement of surface emitters 11.
  • the beam shaping unit can be designed integrated in the arrangement.
  • an optic 140 is provided in order to bundle or divert light emerging or incident from the scanning device 100.
  • a control device 135 is provided, which is set up to control the illumination device 110, the deflection device 120 and the light detector 125.
  • different beam paths for exiting and incident light are provided. In this case, each optical path can be assigned a dedicated optics 140.
  • the scanning device 100 is configured to emit light in the form of a laser beam in a predetermined direction within the field of view 105 by means of at least one surface emitter 15 of the illumination device 1 10 and to detect emitted light which has been reflected by an object 145 by means of the light detector 125.
  • the control device 135 is set up to determine a distance (a distance) of the object 145 from the scanning device 100 on the basis of light emitted by the illumination device 110 and received by the light detector 130. For the distance determination, a current state of the
  • Deflector 120 are taken into account.
  • the distance can be determined, for example, on the basis of a known technique such as FMCW or TOF.
  • the scanner 100 is further configured to perform the described scanning for a plurality of different directions within the field of view 105. For example, about 20,000 different directions may be predetermined, which together cover the field of view 105. Certain distances for all predetermined directions are preferably combined by the control device 135.
  • the summary may be in the form of a range image comprising a particular two-dimensional representation of all sensed directions, with the particular distance indicated in each scanned direction.
  • an illumination device 110 in the form of a VCSEL array (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Array).
  • the individual surface emitter 1 15 of the illumination device 1 10 are preferably individually activated.
  • Each surface emitter 115 is configured to emit laser radiation in a direction perpendicular to the surface in which the surface emitters 15 are disposed.
  • optical elements in particular microlenses, can be used to shape the beams, in particular to collimate them.
  • the deflector 120 collectively deflects the directions of propagation of the parallel laser beams of the surface emitters 115, all in the same manner.
  • an image of the arrangement of the surface emitter 1 15 can be moved within the field of view 105.
  • the deflection device 120 is set up for two-dimensional deflection, so that the image of the arrangement of the surface emitter 15 can be displaced within the field of view in two dimensions.
  • the arrangement of the surface emitter 115 is imaged into a section 150, and the deflection device 120 sequentially scans the individual sections 150. The pixels are over a sequential
  • the surface emitter 115 are imaged onto the entire field of view 105 so that each surface emitter 115 is imaged in a part of a section 150.
  • the deflector 120 scans the surface emitters 15 sequentially within a portion 150. Sequentially turning on the surface emitters 115 and setting the deflector 120 allows the addressing of the individual pixels.
  • the field of view 105 is subdivided into a number of sections 150, each comprising different directions in the horizontal and / or vertical direction with respect to the scanning device 100.
  • the individual sections 150 cover the entire field of view 105 together and are preferably pairwise overlap-free.
  • a section 150 can be scanned in sections or in subsections, as indicated by the light rays symbolized in FIG. 1 as circles.
  • the light detector 125 comprises only a single detector 130, the detection range is drawn with a wide line with respect to the field of view 105.
  • the image of the arrangement of the surface emitter 115 of the illumination device 1 10 can be successively directed to the different sections 150.
  • the surface emitters 115 can be activated in succession, with any light possibly reflected on the object 145 being detected by means of the single detector 130.
  • a distance image composed of these measurements accordingly comprises 144 pixels.
  • FIG. 2 shows further embodiments for the optical scanning of an environment 105 by means of the scanning device 100 of FIG. 1.
  • the representations correspond to the illustration of FIG. 1 explained in detail above.
  • the light detector 125 comprises as many individual detectors 130 as sections 150 are provided. Each individual detector 130 is assigned to a section 150. The image of the arrangement of surface emitters 115 of the illumination device 110 is again switched between the individual sections 150. In each section 150, the surface emitters 115 are activated one at a time, and possibly reflected light is received by means of the single detector 130 associated with the respective section 150. Although this requires a greater effort for the light detector However, a resistance to extraneous light can be increased by switching off unused individual detectors 130.
  • Fig. 2b shows another embodiment of the optical scan.
  • each section 150 is assigned a plurality of individual detectors 130.
  • the illumination device 10 here comprises only a single surface emitter 15, which can be directed by means of the deflection device 120 onto one of the sections 150.
  • it may be sufficient to emit a light pulse by means of the surface emitter 115 and to receive light possibly reflected in parallel by means of the individual detectors 130 associated with the section 150.
  • the resolution of the field of view 105 in pixels can be increased and the susceptibility to background light can be lowered.
  • Fig. 2c shows yet another embodiment of an optical scan of a
  • a single detector 130 of the light detector 125 is again assigned to each pixel of the field of view 105.
  • the image of the arrangement of the surface emitter 15 of the illumination device 110 is again directed one after the other onto the individual sections 150. At each section 150, there may be as many
  • Fig. 2d shows yet another embodiment of an optical scan of an environment 105 by means of the scanner 100.
  • a light detector 125 with only a single detector 130 is provided which covers the entire field of view 105 is assigned.
  • the light beams emitted by the surface emitters 11 of the illumination device 110 can be directed to one of the sections 150 by means of the deflection device 120. In every position the
  • Deflection device 120 can successively be carried out a plurality of distance measurements by means of light from one of the surface emitters 15.
  • FIG. 2 e shows an embodiment of an optical scan of an environment 105 by means of the scanning device 100, in which each section 150 is a single detector 130 of the light detector 125 is assigned.
  • the addressing of the regions 150 takes place by means of the deflection device 120.
  • FIG. 2f shows an embodiment of an optical scanning of an environment 105 by means of the scanning device 100, in which likewise each section 150 is assigned a single detector 130 of the light detector 125.
  • a coaxial system is assumed, in which a beam splitter is provided between the illumination device 110 and the deflection device 120.
  • the object 145 reflects light back toward the incident path.
  • the reflected light is coupled out by means of the beam splitter and directed to the light detector 125.
  • the deflector 120 deflects not only the emitted, but in a corresponding manner, the incident light.
  • each section 150 is associated with a single detector 130 of the light detector 125.
  • a light detector 130 with only a single detector 130 is provided, which is assigned a defined section 150 for a defined state of the deflection device 120 together with the illumination device 110. All states of the deflector together cover the entire field of view 105. Within a section 150, the individual pixels are addressed via the individual emitters 1 15 of the illumination device 110.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method 300 for scanning an environment 105 by means of the scanner 100 of FIG. 1. Individual variants of the method 300 have already been explained above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the method 300 may be run once to perform all range measurements within the field of view 105 once.
  • the steps 305 to 335 are performed in the manner of a loop for each section 150 of the field of view 105.
  • a step 305 one or more surface emitters 115 of the illumination device 110 can be selected, which are to be activated in order to perform a distance measurement in the section 150.
  • a deflection to be effected by the deflector 120 to determine the light may be determined the lighting device 110 to the selected portion 150 to direct.
  • one or more individual detectors 130 of the light detector 125 may be selected which are suitable for receiving light reflected on a possible object 145, which was previously emitted by the illumination device 110.
  • the steps 305 to 315 may be performed in any order or concurrently.
  • a step 320 light is emitted under the aforementioned parameters, and in a step 325, reflected light previously emitted is received again. Steps 320 and 325 may also be performed concurrently.
  • a step 330 one or more distances in the sensed directions of the field of view 105 are determined. Each particular distance may correspond to a pixel of a later provided distance image. Optionally, filters or other functions may be applied to the received signal at this point. In addition to the distance, a speed of the object can also be determined, in particular when operating in FMCW or SMI mode.
  • a primary functional mode includes Time Of Flight measurements.
  • a step 335 it is checked whether all sections 150 have been scanned. If not all portions are scanned, an untested portion 150 may be selected and the method 300 may begin another loop pass in step 305.
  • a range image or equivalent data structure may be provided based on the previously determined distances of objects toward the individual pixels. The distance image or the data structure can then be provided to the outside.

Abstract

Eine Abtasteinrichtung zur optischen Abtastung eines Sichtfelds umfasst eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Anordnung von Oberflächenemittern, jeweils zum Emittieren von Licht, eine steuerbare Ablenkeinrichtung zur Ablenkung von Licht, das von der Beleuchtungseinrichtung emittiert wurde; einen Lichtdetektor zum Empfangen von emittiertem Licht, das von einem Objekt im Sichtfeld reflektiert wurde; einen Distanzmesser zur Bestimmung des Abstands des Objekts auf der Basis des emittierten und des empfangenen Lichts; und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Beleuchtungseinrichtung, die Ablenkeinrichtung und den Lichtdetektor derart zu steuern, dass nacheinander jeweils ein Abschnitt des Sichtfelds optisch abgetastet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Optische Abtastung eines Umfelds Die Erfindung betrifft die optische Abtastung eines Umfelds. Insbesondere betrifft die Erfindung die optische Abtastung im Fernbereich eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik Ein Umfeld eines Kraftfahrzeugs soll optisch abgetastet werden. Dazu sind Li-
DAR-Systeme bekannt, die das Umfeld mittels Laserlicht sequentiell beleuchten und reflektiertes Licht abtasten. So genannte Makroscanner verwenden einen rotierenden Makrospiegel mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich, um das Laserlicht nacheinander auf unterschiedliche Abschnitte des Sichtfelds zu len- ken. Alternativ dazu kann ein Mikroscanner verwendet werden, der einen oder mehrere kleine Spiegel verwendet, die um eine oder zwei Achsen schwingen können, um die Ablenkung des Lichts zu realisieren. Bei einem derartigen Mikroscanner ist es üblicherweise erforderlich, unterschiedliche optische Pfade für den Sende- und den Empfangsweg vorzusehen, da der Mikrospiegel die Emp- fangsapertur stark beschränkt und nur wenig einfallendes Licht sammeln kann.
Bei allen Ausführungsformen mit mechanisch bewegten Elementen kann die Störsicherheit beispielsweise bezüglich Vibrationen und die Verlässlichkeit beziehungsweise Lebensdauer eingeschränkt sein. Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur optischen Abtastung eines Umfelds, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs, bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung Eine Abtasteinrichtung zur optischen Abtastung eines Sichtfelds umfasst eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Anordnung von Oberflächenemittern, jeweils zum Emittieren von Licht, eine steuerbare Ablenkeinrichtung zur Ablenkung von Licht, das von der Beleuchtungseinrichtung emittiert wurde; einen Lichtdetektor zum Empfangen von emittiertem Licht, das von einem Objekt im Sichtfeld reflektiert wurde; einem Distanzmesser zu Bestimmung des Abstands des Objekts auf der Basis des emittierten und des empfangenen Lichts; und eine Steuereinrichtung. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Beleuchtungseinrich- tung, die Ablenkeinrichtung und den Lichtdetektor derart zu steuern, dass nacheinander jeweils ein Abschnitt des Sichtfelds optisch abgetastet wird.
Die Erfindung kann sowohl mit einer eindimensionalen, als auch mit einer zweidimensionalen Anordnung von Oberflächenemittern verwendet werden. Insbesondere bei der Verwendung einer zweidimensionalen Anordnung von Oberflächenemittern muss die Ablenkeinrichtung nur relativ kleine Ablenkungen steuern können, um trotzdem ein großes Sichtfeld vollständig abzutasten, wie es beispielsweise im Automotive-Bereich erforderlich ist. Beispielsweise kann für eine Fernbereichsabtastung, die etwa für einen Autobahn-Fahrassistenten erforderlich ist, das Sichtfeld in einer ersten Richtung ca. 50° und in einer zweiten Richtung etwa 9° geöffnet sein und die Reichweite kann bei ca. 180 m liegen. Dabei kann eine Auflösung von ca. 0, 15° x ca. 0, 15° zu erreichen sein. Diese Werte können mittels der beschriebenen Abtasteinrichtung eingehalten werden, wobei die Ablenkeinrichtung keine oder quasi keine bewegten Teile umfassen kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine zweistufige Adressierung von Bildpunkten, einerseits durch selektives Einschalten von einzelnen Oberflächenemittern der Beleuchtungseinrichtung und andererseits durch Ablenken aller von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Lichtstrahlen, zu einer verbesserten Abtastung führen kann. In unterschiedlichen Ausführungsformen können jeweils eine Lichtempfindlichkeit, eine Abtastgeschwindigkeit oder eine Auflösung gesteigert sein.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Steuereinrichtung zur Bereitstellung eines Entfernungsbilds eines Objekts im Sichtfeld auf der Basis der Abtastungen eingerichtet ist. Das Entfernungsbild umfasst eine Anzahl Bildpunkte, wobei für jeden Bildpunkt eine Entfernung angegeben ist, in der sich ein Objekt befindet, welches das von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Licht reflektiert hat. Fand keine messbare Reflektion statt, so kann für die Entfernung ein vorbestimmter Maximalwert oder ein spezieller Wert wie 0 oder -1 vermerkt sein. Das Entfernungs- bild kann mittels einer Steuervorrichtung an Bord des Kraftfahrzeugs weiterverarbeitet werden, insbesondere um das Kraftfahrzeug zu steuern. Graphisch kann das Entfernungsbild beispielsweise als Falschfarbenbild dargestellt werden, wobei unterschiedliche Farben unterschiedlichen Entfernungen entsprechen. Die Steuereinrichtung ist in dieser Ausführungsform bevorzugt dazu eingerichtet, die mittels des Distanzmessers bestimmten Entfernungen der einzelnen Abschnitte so aneinander zu fügen, dass sich ein Entfernungsbild ergibt, das das gesamte Sichtfeld abdeckt. Dazu ist weiterhin bevorzugt, dass die Steuereinrichtung dafür sorgt, dass die einzelnen abgetasteten Abschnitte möglichst überlappungsfrei sind.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Ablenkeinrichtung rotationsfrei ausgeführt ist. Insbesondere kann auf einen rotierenden Spiegel verzichtet werden. Die Ablenkeinrichtung kann beispielsweise eine Flüssiglinse, einen akusto-optischen Modulator und/oder Deflektor, einen akusto-optisch steuerbaren Filter (Acousto- Optical Tunable Filter, AOTF), einen elektrooptischen Modulator und/oder Deflektor, ein schaltbares Hologramm, einen Mikrospiegel, einen räumlichen Modulator für Licht (Spatial Light Modulator, SLM), insbesondere auf der Basis von Flüssigkristallen, einen refraktiven Flüssigkristallscanner, ein Piezoelement zur Bewegung der Beleuchtungseinrichtung oder ein Zylinderlinsenarray umfassen. Die Robustheit oder Lebensdauer der Abtasteinrichtung können dadurch gesteigert sein.
Die Ablenkeinrichtung kann zur eindimensionalen oder zweidimensionalen Ablenkung des Lichts eingerichtet sein. In einer Ausführungsform wird eine zweidi- mensional sequentielle Abtastung des Sichtfelds durchgeführt. Zwei Abschnitte können sich dabei in einem oder in zwei Richtungswinkeln voneinander unterscheiden. Die vollständige Abtastung auch eines großen Sichtfelds kann dadurch rasch durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Lichtdetektor eine zweidimensionale Anordnung von Einzeldetektoren. Dadurch ist der Lichtdetektor bevorzugt dazu eingerichtet, mehrere Bildpunkte gleichzeitig abzutasten, wobei jeder Bildpunkt einem Einzeldetektor zugeordnet sein kann. Eine optimale Abstimmung der Anzahl und Anordnung von Oberflächenemittern auf Anzahl und Anordnung der Einzeldetektoren, insbesondere bezüglich vorbestimmten Anforderungen hinsichtlich maximaler Entfernung, Größe, Form und Auflösung des Sichtfelds, kann eine verbesserte und raschere Abtastung erlauben.
In einer Variante sind geometrische Anordnungen der Oberflächenemitter und der Einzeldetektoren voneinander verschieden. Beispielsweise kann eine matrix- förmige Anordnung der Oberflächenemitter mittels einer Flüssiglinse in eine ringförmige Anordnung der Einzeldetektoren transformiert werden. Die Ablenkung kann dabei in radialer und gegebenenfalls auch azimutaler Richtung erfolgen.
Die Abtasteinrichtung unterstützt die Distanzmessung beispielsweise auf der Ba- sis der Ausbreitungsdauer von Licht (Time of Flight, TOF), auf der Basis einer
Dauerstrich-Frequenzmodulation (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) oder der Selbstmischenden Interferenz (Seif Mixing Interference), für die VCSEL auch kommerziell erhältlich sind. Die Abtasteinrichtung ist so verbessert universell einsetzbar und kann gegebenenfalls sogar dynamisch an einen Ein- satzzweck angepasst werden.
Ein Verfahren zum optischen Abtasten eines Sichtfeldes umfasst Schritte des Emittierens von Licht mittels einer Beleuchtungseinrichtung, die eine Anordnung von Oberflächenemittern umfasst, die jeweils zum Emittieren von Licht eingerich- tet sind; des Steuerns einer Ablenkung des von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichts; des Empfangens von emittiertem Licht, das von einem Objekt im Sichtfeld reflektiert wurde; und des Bestimmens des Abstands des Objekts auf der Basis des emittierten und des empfangenen Lichts. Dabei werden die Beleuchtungseinrichtung, die Ablenkeinrichtung und der Lichtdetektor derart ge- steuert, dass nacheinander jeweils ein Abschnitt des Sichtfelds optisch abgetastet wird. Der Abschnitt kann insbesondere einem Bildpunkt eines Detektors zum Empfangen des reflektierten Lichts entsprechen. Wird nur ein einziger Detektor verwendet, müssen alle Bildpunkte nacheinander abgetastet werden.
Das Verfahren ist insbesondere zur Durchführung mittels der oben beschriebenen Abtasteinrichtung eingerichtet. Dabei kann das Verfahren in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen und die Steuereinrichtung kann einen programmierbaren Mikrocomputer oder Microcontroller, einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder ein FPGA umfassen, auf dem das Computerprogrammprodukt abläuft. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens kön- nen auf die Abtasteinrichtung übertragen werden und umgekehrt.
Es ist allgemein bevorzugt, dass die Abschnitte das Sichtfeld matrixartig abdecken. Dazu können die Abschnitte in Zeilen und Spalten angeordnet sein, die bevorzugt überdeckungsfrei sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Abtasteinrichtung;
Fig. 2 weitere Ausführungsformen zur optischen Abtastung eines Umfelds mittels der Abtasteinrichtung von Figur 1 ; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abtasten eines Umfelds mittels der Abtasteinrichtung von Figur 1 darstellt.
Fig. 1 zeigt eine Abtasteinrichtung 100 zur optischen Abtastung eines Sichtfelds 105. Die Abtasteinrichtung 100 kann insbesondere zur Verwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Personenkraftwagens, eingerichtet sein. Beispielsweise kann die Abtasteinrichtung 100 zur optischen Abtastung im kurzen Nahbereich von < 5m, im mittleren Nahbereich von ca. 5 - 50 m, Mittel- oder Fernbereich oberhalb von ca. 20 bis 50 m oder einer noch größeren Entfernung eingerichtet sein. Die Abtasteinrichtung 100 kann auch in einer anderen Anwendung, etwa in der Robotik oder in einer CE-Applikation, eingesetzt werden. Das Sichtfeld 105 ist üblicherweise Teil eines Umfelds der Abtasteinrichtung 100 und kann durch einen horizontalen und einen vertikalen Öffnungswinkel bezüglich der Abtasteinrichtung 100 definiert sein. Die Abtasteinrichtung 100 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 1 10, die eine bevorzugt zweidimensionale Anordnung von Oberflächenemittern 115 aufweist, eine steuerbare Ablenkeinrichtung 120 zur Ablenkung von Licht, das von der Beleuchtungseinrichtung 110 emittiert wurde, und einen Lichtdetektor 125, der be- vorzugt eine zweidimensionale Anordnung von Einzeldetektoren 130 aufweist.
Optional kann eine Strahlformungseinheit, etwa in Gestalt von Mikrolinsen, vorgesehen sein um aus der Anordnung von Oberflächenemittern 1 15 austretendes Licht zu formen. Die Strahlformungseinheit kann in die Anordnung integriert ausgeführt sein. Weiter bevorzugt ist eine Optik 140 vorgesehen, um aus der Ab- tasteinrichtung 100 austretendes oder einfallendes Licht zu bündeln oder abzulenken. Darüber hinaus ist eine Steuereinrichtung 135 vorgesehen, die zur Steuerung der Beleuchtungseinrichtung 110, der Ablenkeinrichtung 120 und des Lichtdetektors 125 eingerichtet ist. In der dargestellten Ausführungsform sind unterschiedliche Strahlengänge für austretendes und einfallendes Licht vorgesehen. Dabei kann jedem Strahlengang eine dedizierte Optik 140 zugeordnet sein. Diese Variante wird auch„biaxi- al" genannt. In einer anderen Ausführungsform können die Strahlengänge auch einander entsprechen und es kann eine gemeinsame Optik 140 vorgesehen sein, die in einer beispielhaften Ausführungsform einen halbdurchlässigen Spiegel umfassen kann, wobei auch von einer„koaxialen" Variante gesprochen wird (vgl. unten mit Bezug zu Fig. 2f). Die Abtasteinrichtung 100 ist dazu eingerichtet, mittels wenigstens eines Oberflächenemitters 1 15 der Beleuchtungseinrichtung 1 10 Licht in Form eines Laserstrahls in eine vorbestimmte Richtung innerhalb des Sichtfelds 105 auszusenden und ausgesandtes Licht, das an einem Objekt 145 reflektiert wurde, mittels des Lichtdetektors 125 zu erfassen. Die Steuereinrichtung 135 ist dazu eingerichtet, auf der Basis von mittels der Beleuchtungseinrichtung 110 ausgesandtem und mittels des Lichtdetektors 130 empfangenem Licht einen Abstand (eine Distanz) des Objekts 145 von der Abtasteinrichtung 100 zu bestimmen. Für die Distanzbestimmung kann jeweils ein aktueller Zustand der
Ablenkeinrichtung 120 berücksichtigt werden. Der Abstand kann beispielsweise auf der Basis einer bekannten Technik wie FMCW oder TOF bestimmt werden. Die Abtasteinrichtung 100 ist weiter dazu eingerichtet, die beschriebene Abtastung für eine Vielzahl unterschiedlicher Richtungen innerhalb des Sichtfelds 105 durchzuführen. Beispielsweise können ca. 20000 unterschiedliche Richtungen vorbestimmt sein, die gemeinsam das Sichtfeld 105 abdecken. Bestimmte Ent- fernungen für alle vorbestimmten Richtungen werden bevorzugt durch die Steuereinrichtung 135 zusammengefasst. Die Zusammenfassung kann in Form eines Entfernungsbilds erfolgen, das eine insbesondere zweidimensionale Repräsentation aller abgetasteten Richtungen umfasst, wobei an jeder abgetasteten Rich- tung die bestimmte Entfernung angegeben ist.
Es wird vorgeschlagen, eine Beleuchtungseinrichtung 1 10 in Form eines VCSEL- Arrays (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Array) vorzusehen. Dabei sind die einzelnen Oberflächenemitter 1 15 der Beleuchtungseinrichtung 1 10 bevorzugt einzeln aktivierbar. Jeder Oberflächenemitter 115 ist dazu eingerichtet, Laserstrahlung in einer Richtung senkrecht zu der Fläche, in der die Oberflächenemitter 1 15 angeordnet sind, auszusenden. In einer weiteren Ausführungsform können optische Elemente, insbesondere Mikrolinsen, eingesetzt werden um die Strahlen zu formen, insbesondere zu kollimieren. Die Ablenkeinrichtung 120 lenkt die Ausbreitungsrichtungen der in paralleler Richtung verlaufenden Laserstrahlen der Oberflächenemitter 115 kollektiv, also alle in der gleichen Weise, ab. So kann ein Abbild der Anordnung der Oberflächenemitter 1 15 innerhalb des Sichtfelds 105 verschoben werden. Bevorzugt ist die Ablenkeinrichtung 120 zur zweidimensionalen Ablenkung eingerichtet, sodass das Abbild der Anordnung der Oberflä- chenemitter 1 15 innerhalb des Sichtfelds in zwei Dimensionen verschoben werden kann.
In einer ersten Variante wird die Anordnung der Oberflächenemitter 115 in einen Abschnitt 150 abgebildet und die Ablenkungseinrichtung 120 scannt sequentiell die einzelnen Abschnitte 150 ab. Die Bildpunkte werden über ein sequentielles
Schalten der Oberflächenemitter 1 15 adressiert.
In einer zweiten Variante werden die Oberflächenemitter 115 Anordnung auf das gesamte Sichtfeld 105 abgebildet so dass jeder Oberflächenemitter 115 in einem Teil eines Abschnitts 150 abgebildet wird. Die Ablenkungseinrichtung 120 scannt die Oberflächenemitter 1 15 sequentiell innerhalb eines Abschnitts 150. Das sequentielle Einschalten der Oberflächenemitter 115 und das Versstellen der Ablenkeinrichtung 120 erlaubt die Adressierung der einzelnen Bildpunkte.
Im unteren Bereich von Fig. 1 ist links eine exemplarische Draufsicht auf die Beleuchtungseinrichtung 110 mit der Anordnung von Oberflächenemittern 115 und im rechten Bereich eine Ansicht des Sichtfelds 105 aus der Perspektive der Abtasteinrichtung 100, gezeigt. Das Sichtfeld 105 ist in eine Anzahl Abschnitte 150 unterteilt, die jeweils unterschiedliche Richtungen in horizontaler und/oder vertikaler Richtung bezüglich der Abtasteinrichtung 100 umfassen. Die einzelnen Abschnitte 150 decken zusammen das gesamte Sichtfeld 105 ab und sind bevorzugt paarweise überlappungsfrei. Ein Abschnitt 150 kann abschnittweise bzw. in Teilabschnitten abgetastet werden, wie durch die in Figur 1 als Kreise symbolisierten Lichtstrahlen angedeutet ist.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Lichtdetektor 125 nur einen Einzeldetektor 130, dessen Erfassungsbereich mit einer breiten Linie bezüglich des Sichtfelds 105 eingezeichnet ist. Zur Abtastung des Sichtfelds 105 kann das Abbild der Anordnung der Oberflächenemitter 115 der Beleuchtungseinrichtung 1 10 nacheinander auf die unterschiedlichen Abschnitte 150 gelenkt werden. In jedem Abschnitt 150 können die Oberflächenemitter 115 nacheinander aktiviert werden, wobei jeweils möglicherweise am Objekt 145 reflektiertes Licht mittels des Einzeldetektors 130 erfasst wird. In der dargestellten Ausführungsform mit 4 x 4 Abschnitten und einer 3 x 3 Anordnung von Beleuchtungseinrichtungen 110 können so bei einem kompletten Durchlauf 144 (= 16 x 9) unterschiedliche Richtungen innerhalb des Sichtfelds 105 abgetastet werden. Ein aus diesen Messungen zusammengesetztes Entfernungsbild umfasst dementsprechend 144 Bildpunkte.
Fig. 2 zeigt weitere Ausführungsformen zur optischen Abtastung eines Umfelds 105 mittels der Abtasteinrichtung 100 von Fig. 1. Die Darstellungen entsprechen dabei der oben ausführlich erläuterten Darstellung von Fig. 1.
In Fig. 2a umfasst der Lichtdetektor 125 so viele Einzeldetektoren 130, wie Abschnitte 150 vorgesehen sind. Je ein Einzeldetektor 130 ist einem Abschnitt 150 zugeordnet. Das Abbild der Anordnung von Oberflächenemittern 115 der Beleuchtungseinrichtung 110 wird wieder zwischen den einzelnen Abschnitten 150 fortgeschaltet. In jedem Abschnitt 150 werden die Oberflächenemitter 115 einzeln nacheinander aktiviert und möglicherweise reflektiertes Licht wird mittels desjenigen Einzeldetektors 130 empfangen, das dem jeweiligen Abschnitt 150 zugeordnet ist. Hierbei muss zwar ein größerer Aufwand für den Lichtdetektor 125 getrieben werden, dafür kann jedoch eine Resistenz gegenüber Fremdlicht durch das Abschalten nicht benötigter Einzeldetektoren 130 erhöht sein.
Fig. 2b zeigt eine weitere Ausführungsform der optischen Abtastung. Hier ist je- dem Abschnitt 150 eine Vielzahl Einzeldetektoren 130 zugeordnet. Die Beleuchtungseinrichtung 1 10 umfasst hier nur einen einzigen Oberflächenemitter 1 15, der mittels der Ablenkeinrichtung 120 auf einen der Abschnitte 150 gelenkt werden kann. Zum Abtasten eines Abschnitts 150 kann es genügen, einen Lichtimpuls mittels des Oberflächenemitters 115 auszusenden und mittels der Einzelde- tektoren 130, die dem Abschnitt 150 zugeordnet sind, parallel zueinander eventuell reflektiertes Licht zu empfangen. Die Auflösung des Sichtfelds 105 in Bildpunkten kann gesteigert und die Störanfälligkeit gegenüber Hintergrundlicht kann gesenkt werden. Fig. 2c zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer optischen Abtastung eines
Umfelds 105 mittels der Abtasteinrichtung 100. Wie in der Variante von Fig. 2a ist hier wieder jedem Bildpunkt des Sichtfelds 105 ein Einzeldetektor 130 des Lichtdetektors 125 zugeordnet. Das Abbild der Anordnung der Oberflächenemitter 1 15 der Beleuchtungseinrichtung 1 10 wird wieder nacheinander auf die einzel- nen Abschnitte 150 gelenkt. An jedem Abschnitt 150 können gleichzeitig so viele
Entfernungsmessungen durchgeführt werden, wie Einzeldetektoren 130 innerhalb des Abschnitts 150 liegen. Diese Anzahl entspricht bevorzugt der Anzahl der Oberflächenemitter 1 15 der Beleuchtungseinrichtung 1 10. Fig. 2d zeigt wieder eine weitere Ausführungsform einer optischen Abtastung eines Umfelds 105 mittels der Abtasteinrichtung 100. Es ist ein Lichtdetektor 125 mit nur einem Einzeldetektor 130 vorgesehen, der dem gesamten Sichtfeld 105 zugeordnet ist. Die von den Oberflächenemittern 1 15 der Beleuchtungseinrichtung 110 ausgesandten Lichtstrahlen können mittels der Ablenkungseinrichtung 120 auf jeweils einen der Abschnitte 150 gelenkt werden. In jeder Stellung der
Ablenkungseinrichtung 120 können nacheinander mehrere Entfernungsmessungen mittels Licht von jeweils eines der Oberflächenemitter 1 15 durchgeführt werden.
Fig. 2e zeigt eine Ausführungsform einer optischen Abtastung eines Umfelds 105 mittels der Abtasteinrichtung 100, bei der jedem Abschnitt 150 ein Einzeldetektor 130 des Lichtdetektors 125 zugeordnet ist. Auch hier erfolgt die Adressierung der Bereiche 150 mittels der Ablenkeinrichtung 120.
Fig. 2f zeigt eine Ausführungsform einer optischen Abtastung eines Umfelds 105 mittels der Abtasteinrichtung 100, bei der ebenfalls jedem Abschnitt 150 ein Einzeldetektor 130 des Lichtdetektors 125 zugeordnet ist. Im Unterschied zu oben beschriebenen Ausführungsformen wird jedoch von einem koaxialen System ausgegangen, bei dem ein Strahlteiler zwischen der Beleuchtungseinrichtung 1 10 und der Ablenkeinrichtung 120 vorgesehen ist. Das Objekt 145 reflektiert Licht in Richtung des einfallenden Pfades zurück. Das reflektierte Licht wird mittels des Strahlteilers ausgekoppelt und auf den Lichtdetektor 125 geleitet. Auf diese Weise lenkt die Ablenkeinrichtung 120 nicht nur das ausgesandte, sondern in entsprechender Weise auch das einfallende Licht ab. Auch hier ist jedem Abschnitt 150 ein Einzeldetektor 130 des Lichtdetektors 125 zugeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der koaxialen Variante ist ein Lichtdetektor 130 mit nur einem Einzeldetektor 130 vorgesehen, welcher für einen definierten Zustand der Ablenkeinrichtung 120 zusammen mit der Beleuchtungseinrichtung 1 10 einen definierten Abschnitt 150 zugeordnet wird. Alle Zustände der Ablenkeinrichtung zusammen decken das gesamte Sichtfeld 105 ab. Innerhalb eines Abschnitts 150 werden die einzelnen Bildpunkte über die einzelnen Emitter 1 15 der Beleuchtungseinrichtung 110 adressiert.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Abtasten eines Umfelds 105 mittels der Abtasteinrichtung 100 von Fig. 1. Einzelne Varianten des Verfahrens 300 wurden oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 bereits erläutert. Das Verfahren 300 kann einmal durchlaufen werden, um alle Entfernungsmessungen innerhalb des Sichtfelds 105 einmal durchzuführen. Die Schritte 305 bis 335 werden dabei nach Art einer Schleife für jeden Abschnitt 150 des Sichtfelds 105 durchgeführt.
Bezüglich eines vorbestimmten Abschnitts 150 können in einem Schritt 305 einer oder mehrere Oberflächenemitter 115 der Beleuchtungseinrichtung 110 ausgewählt werden, die aktiviert werden sollen, um eine Entfernungsmessung im Abschnitt 150 durchzuführen. In einem Schritt 310 kann eine Ablenkung bestimmt werden, die mittels der Ablenkeinrichtung 120 bewirkt werden soll, um das Licht der Beleuchtungseinrichtung 110 auf den ausgewählten Abschnitt 150 zu lenken. In einem Schritt 315 können einer oder mehrere Einzeldetektoren 130 des Lichtdetektors 125 ausgewählt werden, die in Frage kommen, um an einem möglichen Objekt 145 reflektiertes Licht, das zuvor von der Beleuchtungseinrichtung 1 10 emittiert wurde, zu empfangen. Die Schritte 305 bis 315 können in beliebiger Reihenfolge oder auch nebenläufig durchgeführt werden.
In einem Schritt 320 wird Licht unter den vorgenannten Parametern ausgesandt und in einem Schritt 325 wird reflektiertes, zuvor ausgesandtes Licht wieder empfangen. Die Schritte 320 und 325 können ebenfalls nebenläufig durchgeführt werden.
In einem Schritt 330 werden einer oder mehrere Abstände in den abgetasteten Richtungen des Sichtfelds 105 bestimmt. Jeder bestimmte Abstand kann einem Bildpunkt eines später bereitgestellten Entfernungsbildes entsprechen. Gegebenenfalls können an dieser Stelle auch Filter oder andere Funktionen auf das empfangene Signal angewendet werden. Zusätzlich zur Distanz kann insbesondere bei Betrieb im FMCW- oder SMI- Modus auch eine Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden. Ein primärer Funktionsmodus umfasst Time Of Flight- Messungen.
In einem Schritt 335 wird überprüft, ob alle Abschnitte 150 abgetastet wurden. Sind nicht alle Abschnitte abgetastet, so kann ein noch nicht abgetasteter Abschnitt 150 ausgewählt werden und das Verfahren 300 kann einen weiteren Schleifendurchlauf mit dem Schritt 305 beginnen.
Andernfalls, wenn alle Abschnitte 150 abgetastet wurden, kann in einem Schritt 340 ein Entfernungsbild oder eine äquivalente Datenstruktur auf der Basis der zuvor bestimmten Entfernungen von Objekten in Richtung der einzelnen Bildpunkte bereitgestellt werden. Das Entfernungsbild beziehungsweise die Datenstruktur können anschließend nach außen bereitgestellt werden.

Claims

Ansprüche
Abtasteinrichtung (100) zur optischen Abtastung eines Sichtfelds (105), wobei die Abtasteinrichtung (100) folgendes umfasst:
- eine Beleuchtungseinrichtung (1 10) mit einer Anordnung von Oberflächenemittern (1 15), jeweils zum Emittieren von Licht;
- eine steuerbare Ablenkeinrichtung (120) zur Ablenkung von Licht, das von der Beleuchtungseinrichtung (110) emittiert wurde;
- einen Lichtdetektor (125) zum Empfangen von emittiertem Licht, das von einem Objekt (145) im Sichtfeld (105) reflektiert wurde;
- einen Distanzmesser (110, 125, 135) zur Bestimmung des Abstands des Objekts (145) auf der Basis des emittierten und des empfangenen Lichts;
- eine Steuereinrichtung (135) zur Steuerung der Beleuchtungseinrichtung (1 10), der Ablenkeinrichtung (120) und des Lichtdetektors (125) derart, dass nacheinander jeweils ein Abschnitt (150) des Sichtfelds (105) optisch abgetastet wird.
Abtasteinrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinrichtung (135) zur Bereitstellung eines Entfernungsbilds eines Objekts (145) im Sichtfeld (105) auf der Basis der Abtastungen eingerichtet ist.
Abtasteinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ablenkeinrichtung (120) rotationsfrei ausgeführt ist.
Abtasteinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ablenkeinrichtung (120) zur zweidimensionalen Ablenkung des Lichts eingerichtet ist.
Abtasteinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Lichtdetektor (125) eine zweidimensionale Anordnung von Einzeldetekto- ren (130) umfasst.
Abtasteinrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei geometrische Anordnungen der Oberflächenemitter (1 15) und der Einzeldetektoren (130) voneinander verschieden sind.
Abtasteinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Distanzmesser (110, 125, 135) zur Bestimmung eines Abstands zum Objekt (145) auf der Basis der Ausbreitungsdauer von Licht eingerichtet ist.
Abtasteinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Distanzmesser (110, 125, 135) zur Bestimmung eines Abstands zum Objekt (145) mittels Dauerstrich-Frequenzmodulation des Lichts eingerichtet ist.
Verfahren (300) zum optischen Abtasten eines Sichtfelds (105), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Emittieren (320) von Licht mittels einer Beleuchtungseinrichtung (1 10), die eine Anordnung von Oberflächenemittern (115) umfasst, die jeweils zum Emittieren von Licht eingerichtet sind;
- Steuern (310) einer Ablenkung des von der Beleuchtungseinrichtung (1 10) emittierten Lichts;
- Empfangen (325) von emittiertem Licht, das von einem Objekt (145) im Sichtfeld (105) reflektiert wurde;
- Bestimmen (330) des Abstands des Objekts (145) auf der Basis des emittierten und des empfangenen Lichts;
- wobei die Beleuchtungseinrichtung (1 10), die Ablenkeinrichtung (120) und der Lichtdetektor (125) derart gesteuert werden, dass nacheinander jeweils ein Abschnitt (150) des Sichtfelds (105) optisch abgetastet wird.
0. Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschnitte (150) das Sichtfeld (105) matrixartig abdecken.
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