WO2019007947A1 - Vorrichtung zur räumlichen detektion, insbesondere lidar-vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur räumlichen detektion, insbesondere lidar-vorrichtung Download PDF

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light guide
detection
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Definitions

  • lidar device for spatial detection, in particular lidar device
  • the invention relates to a device, in particular a lidar device, for the spatial detection of an object and / or for determining the property by means of a back-reflected or backscattered portion of at least one light pulse emitted by the device.
  • the invention further relates to a vehicle with such a device.
  • Autonomous vehicles require a detection sensor that can reliably detect the environment of the vehicle.
  • a lidar detection system was known in which a laser scans the environment by means of a rotating mirror 360 ° through the rotating mirror, the light
  • a simply constructed detection sensor with particularly few detection channels thus ensures easy controllability.
  • a movable mirror is generally relatively susceptible to interference.
  • moving mirrors are usually expensive to manufacture and maintain.
  • the publication DE10146808A1 discloses a system in which sensor units are provided at several installation locations of a motor vehicle, which simultaneously emit an optical transmission radiation and detect the reflected transmission radiation. Attention is also drawn to the publications EP1031471A1 and DE202012103344U1. The abovementioned features known from the prior art can be combined individually or in any desired combination with one of the objects according to the invention described below. It is an object of the invention to provide a further developed device.
  • a device for the spatial detection of an object and / or property determination by means of a back-reflected or backscattered portion of at least one light pulse emitted by the device, wherein the device comprises at least two light guide units, the one Return light pulse of the back-reflected or backscattered portion from different directions can deflect to a detection surface.
  • Lidar is the abbreviation for "light detection and ranging", whereby electromagnetic radiation typically involves scanning for optical distance and speed measurement or for remote measurement of atmospheric parameters
  • the reflected electromagnetic radiation is detected by means of a detector, for example a multispectral camera evaluated.
  • Object means in the present case an optically visible mass or obstacle such as e.g. a guardrail, another vehicle or a pedestrian.
  • Spatial detection of an object means the spatially resolved detection of an object, ie with an association of a position information of the object, in particular relative to the device.
  • Property determination can be object-related and then includes, for example, a two-dimensional or three-dimensional position determination of the object, a distance determination and / or a velocity determination.
  • property determination can also be based on a medium, such as, for example, a gas, a gas mixture, a gas with dispersed particles or drops of liquid, a liquid or an emulsion.
  • the property to be determined can then be, for example, a particle distribution or gas density. For use in the vehicle sector can be distinguished in this way, for example, between rain, a raindrop or a puddle on the one hand and solid particles on the other hand.
  • Reflected portion of a given light pulse means reflected by reflection on a surface of an object of the environment to the device, in particular to one of the light guide units, reflected reflection radiation.
  • the reflectance which may correspond to the proportion of the back-reflected radiation, and / or properties of the back-reflected radiation, e.g. As a rule, the polarization depends on the angle of incidence of the emitted light pulse on the surface and / or the object material.
  • Backscattered portion of a given light pulse means the proportion that a hit by the light pulse object to the device throws back, so in particular in the direction of one of the light guide units.
  • An object can scatter the light pulse simultaneously in different directions because of an irregular or uneven surface, with only a part back to the device, in particular to one of the light guide units, passes.
  • At least one emitted light pulse means that the device can basically emit only one light pulse or several light pulses, ie radiate outwards.
  • Two optical fiber units that can redirect a return light pulse generally means that each optical fiber unit has one return light pulse each deflected to the detection surface.
  • Two return light pulses can basically originate from a common or different light pulse emitted by the device, ie be its back-reflected or backscattered component.
  • Redirecting on a detection surface means a forwarding to the detection surface, so that a return light pulse falls deliberately on the detection surface.
  • a detection surface is characterized in particular by the fact that a return light pulse is detected by the device or the detector of the device when hitting the detection surface, so that an especially analog signal is provided, which is further processed by a readout electronics for a subsequent evaluation can.
  • Two light guide units which can deflect a return light pulse from different directions onto a detection surface, thus cover different directions or viewing directions. For example, when a return light pulse falls on two or more lightguide units, each of the lightguide units directs the part of the same return light pulse, detected simultaneously or staggered, onto the detection surface separately.
  • a first return light pulse only falls on or is detected by a first light guide unit, and a second return light pulse differing and / or separate from the first return light pulse only occurs a second optical fiber unit falls or is detected thereby.
  • the at least two optical fiber units are arranged in particular at different locations and / or with different orientations in order to divide areas of the surroundings to be detected for spatial detection among themselves.
  • a spatially predefined area relative to the device outside the device or the environment can thus be assigned to a specific light guide unit.
  • the device comprises at least two optical fiber units that can deflect a return light pulse of the back-reflected or backscattered portion from different directions on a detection surface, a detection sensor for scanning the environment is possible, which has a particularly simple and robust construction and with can be controlled and operated with little effort, without the use of a movable mirror.
  • the thus enabled device is less sensitive to interference compared to a system with a movable mirror and also with less effort to produce and maintainable.
  • the light guide units each comprise a bent optical fiber, preferably glass fiber, or a bent rod of light-conducting material, preferably Plexiglas.
  • Optical fiber means an elongated fiber of photoconductive material, such as, e.g. Glass or plastic.
  • an optical fiber is an optical fiber or a glass fiber.
  • the optical waveguide units each have only one optical fiber or each consist of only a single optical fiber.
  • an optical fiber unit may comprise a plurality of optical fibers connected in a bundle, such as e.g. a bundle of glass fibers in order to use basic building blocks that are freely available on the market and thus avoid time-consuming custom-made products.
  • a rod has an elongated shape, in particular with a round cross-section. Alternatively or additionally, however, an angular cross-section is also possible in principle.
  • a photoconductive material is preferably capable of transmitting visible light, ie, normally having a wavelength of about 380 nm to 780 nm, and / or near infrared light, ie, usually having a wavelength of about 760 to 2500 nm, from an input end to an output end the photoconductive material, which is therefore predominantly transparent to the passed-on light, too direct or divert. Forwarding is here also a deflection, because the light remains by total reflection within the photoconductive material and this scheduled leave only at the output end.
  • a photoconductive material is for example Plexiglas, which is preferably used in the present case.
  • the optical waveguide units each comprise a curved optical fiber or a bent rod of light-conducting material
  • a particularly simple construction of the device with a flexible and scalable spatial coverage can be made possible.
  • a one-dimensional 360 ° coverage in the circumferential direction is possible.
  • a two-dimensional coverage comprising 360 ° of a polar angle and 360 ° of an azimuth angle of a spherical or polar coordinate system is made possible.
  • the third dimension of the spherical or polar coordinate system namely the radius or lateral distance, can be determined, a further embodiment will be described below.
  • all imaginable directions can in principle be imaged onto only a single detection area, which is preferably subdivided into pixels.
  • the input ends or input surfaces are arranged flush with an imaginary spherical shape or an ellipsoid in order to be able to scan the environment in a particularly simple and reliable manner and to image it spatially resolved.
  • the return light pulses from all the covered directions can be simultaneously detected and evaluated.
  • a rotating mirror usually results in a dead time as in a Radar.ln an alternative or complementary development may include a light guide unit a fixed mirror.
  • the optical fiber units each have an output end directed to the detection surface and an outwardly directed input end.
  • an optical fiber unit has only one output end and only one opposite output end.
  • An optical waveguide unit can thereby cover one of the different directions, ie detect return light pulses of an area of the environment assigned to the optical waveguide unit and forward them to a common detector with the detection surface.
  • the input end and the output end have different orientations with an angular difference of at least 5 °, preferably at least 30 °, and / or at most 175 °, preferably at most 150 °.
  • the orientation of the input end and / or output end corresponds to the direction of a central axis at the level of the input end or the output end. Generally, viewed in cross-section, a central axis runs centrally along the in particular elongated light guide unit.
  • the orientation of the input end and / or the output end may additionally or alternatively be the direction of a normal on the surface of the input end, i. Input surface, or the output end, i. Output surface, correspond.
  • An angular difference of at least 5 ° and / or at most 175 ° allows a particularly high degree of coverage.
  • exactly two optical fiber units of a plurality of optical fiber units are provided, which are inserted in a straight line with an angular difference of approximately 0 °.
  • a 360 ° circumferential coverage or two-dimensional coverage in the form of 360 ° polar angle and 360 ° azimuth angle coverage can thus be provided by the plurality of optical fiber units. This is suitable, for example, for attachment to the roof of a vehicle, preferably at a distance above the roof by means of a support arm.
  • An angular difference of at least 30 ° and / or at most 150 ° allows with very few channels the circumferential coverage of an annular region of the environment, for example laterally around a vehicle, ie at the edge.
  • the output ends can then surround the vehicle, in particular closed at the edge, preferably approximately flush with the vehicle Exterior surface of the vehicle, for example in the area of bumpers and / or bumpers or at a Dachumrandung.
  • a central detector or a central detection surface can be arranged in the center of the vehicle, to which all optical fiber units are preferably guided.
  • the roof area or on the underside of the vehicle, ie in the ground-level vehicle section can be integrated.
  • the input surface or cross-sectional area of the input end is greater than the output surface or cross-sectional area of the output end.
  • a light guide unit then has a decreasing cross section on the way from the input end to the output end, preferably becoming steadily nonexistent or merely decreasing in the region of the input end.
  • the optical fiber unit is funnel-shaped or funnel-shaped at the input end.
  • a region to be covered may thus be divided among a predetermined number of optical fiber units and simultaneously directed to the detection surface or one pixel of a plurality of contiguous pixels of the predetermined size detection surface.
  • Cover means the portion or portion of the various directions or spatial directions or the environment that can be imaged via the light guide unit on the detection surface. From the outside on the optical fiber units or the device falling return light pulses from different covered directions of the environment can thus be detected and detected. Uncovered areas of the environment, however, are dead areas and can not be detected or detected by the device.
  • the particular single detection surface of the device is subdivided into several pixels and / or several together Adjacent pixels form the detection surface, preferably the single detector of the device.
  • a pixel is a surface section, in particular a detection surface, which serves for detecting a return light pulse and / or can be read out or evaluated separately.
  • a particularly simple structure which is also particularly fast and easy to control and allows a particularly precise automated signal processing, can be made possible.
  • each pixel is assigned to its own channel or to its own signal output, in particular to an analog signal output.
  • each pixel is provided by its own photomultipore, wherein preferably the photomultiples of the pixels are part of a multi-channel photomultiplier, which will be discussed in more detail.
  • a photomultipore is also called photomultiplier, photomultiplier or engl, "photomultipher tube” and commonly abbreviated to "PMT".
  • An ordinary photomultipher comprises a photocathode that converts one or more photons via the photoelectric effect into at least one or a plurality of photoelectrons, that is, free electrons, regardless of where a photon strikes the photocathode. In this way, an analog signal can be provided via an anode upon detection of one or more photons by the photomultipulse.
  • each fiber optic unit is limited to one pixel each, i. basically directed to only one pixel, the detection surface, so that a detected by the optical fiber unit return light pulse is deflected to the pixel that is associated with this optical fiber unit.
  • a light guide unit detected return light pulses means a return light pulses, which thus falls on the input surface of the light guide unit, for example within a detection angle range that the return light pulse can be diverted as planned to the detection surface or the pixels associated with the light guide unit.
  • the return light pulse is detected when the return light pulse falls on the input surface such that the return light pulse is coupled into the optical fiber for routing within the optical fiber.
  • All return light pulses detected by a particular optical fiber unit can thus be detected by a pixel associated with the optical fiber unit.
  • a spatial detection and assignment of a position in space for a detected return light pulse is thus made possible by a particularly simple and compact design.
  • the device has a fixing device, which is set up such that the fixing device firmly fixes one or each light guide unit in a predefined, spatial position relative to the pixel which is assigned to this light guide unit or the respective light guide unit.
  • a reliable and very precise detection of objects, for example, in a moving vehicle can thus be made possible.
  • the output surface of an optical fiber unit is aligned parallel to the detection surface and / or arranged at a predefined distance above a pixel associated with that optical fiber unit. This distance is preferably less than 2 mm, particularly preferably less than 1 mm.
  • the orientation of the detection surface also corresponds to the orientation of a surface of the pixels, which are preferably part of the detection surface or together form the detection surface.
  • the output surface is smaller than the area of the pixel to which the output surface directs the optical fiber unit and / or the outer contour of the output surface is totally enclosed or enclosed in the normal direction of the output surface completely by an outer boundary of the pixel.
  • the propagation angle which may have a light emerging from the optical fiber unit return light pulse to the normal direction of the output surface.
  • cross-talk effect in which, for example, a return light pulse due to its deviating from the normal direction oblique propagation direction through the air gap between the output surface and the pixel not on the associated pixels, but on the adjacent pixels of the detection surface meets and is therefore assigned incorrectly.
  • the detection surface is provided by a multi-channel photomultiplier, which assigns each pixel of the detection surface its own channel and / or signal output.
  • a multichannel photomultiplier also called Multianodenmultiplier or Engl, "multianode photomultiplier” and commonly abbreviated to "MaPMT” corresponds to several integrated Photomultipliern especially in a single housing.
  • Each of the individual anodes then provides an output for a normally analog signal, in particular via a pin penetrating the housing to the outside, which can be forwarded, read out and / or further processed by readout electronics.
  • the fact that the detection surface is provided by a multi-channel photomultiplier, which assigns a separate channel and / or signal output to each pixel of the detection surface, can be detected and processed particularly easily return light pulses from different directions.
  • the device is set up such that the light pulse emitted by the device extends outward over an emission angle range of at least 90 °, preferably 180 °, particularly preferably 360 °, ie it propagates into the environment.
  • Delivered light pulse means the light pulse whose back-reflected or backscattered portion forms the at least one return light pulse and the device for the spatial detection of an object and / or property determination is used.
  • Outwardly generally refers to the environment away from the device, so that an object of the environment located in the radiation angle range is struck by the emitted light pulse and is excited for back reflection or backscattering.
  • a radiation angle range of at least 90 ° can be generated by a single emitted light pulse return light pulses of an object to be detected, which are detected by more than one optical fiber unit. Large volume objects can thus be identified as neighboring objects by adjacent output surfaces of adjacent optical fibers.
  • the time between the delivery of the light pulse and the detection of the associated return light pulse correlates to the distance of the object.
  • the input ends of two fiber optic units have a different distance to an object hit by the emitted light pulse and reflecting back or scattering back a portion of the light pulse due to the spatial extent of the object from different directions, the return light pulses due to the same emitted light pulse may be time-delayed detected by the two optical fiber units and detected by the detector, in particular multi-channel photomultipliers, with a time delay , The spatial extent of an object in the radial direction starting from the device can thus be evaluated.
  • the device is capable of encoding an emitted light pulse so that its return light pulse can be assigned to the aforementioned coded light pulse by the coding, i. can be clearly assigned.
  • the return light pulse also has the coding of the emitted light pulse, so that an unambiguous assignment can be made possible.
  • a particularly precise and simple lateral resolution i. a spatial detection in the radial direction from the device, can be made possible.
  • the so-called Anger principle or the principle of QuasiAnger resolution can be implemented particularly easily and effectively.
  • encoding is by a particular pulse length or wavelength. As a result, it can be achieved in a particularly simple and reliable manner that the return light pulse has the same coding as the emitted coded light pulse.
  • the device has a laser, preferably Nd: YAG laser or diode laser, for generating the at least one light pulse emitted by the device.
  • a laser preferably Nd: YAG laser or diode laser
  • An Nd: YAG laser or diode laser also allows the use of an optical fiber or a rod made of light-conducting material, such as Plexiglas.
  • a laser allows in a particularly simple and precise way, a coding of a given light pulse, for example by programming different lengths pulse lengths of a laser pulse emitted.
  • the emitted light beam is a flash of light or a defocused laser beam. A particularly large radiation angle range can be achieved in this way.
  • Another aspect of the invention relates to a vehicle with the above-described device for solving the input task.
  • a particularly simple and controllable detection sensor system for autonomous driving which can detect objects in the entire environment of the vehicle in a particularly reliable and fast manner, is thus made possible.
  • the susceptibility to interference and the cost of production and maintenance are typically lower than in the current solutions with a movable mirror.
  • the optical waveguide units are preferably arranged on the edge and / or the detection surface in the middle. An all-round detection with only one detector, for example in the form of only a multi-channel photomultiplier can be made possible.
  • Figure 1 Schematic plan view of a device for spatial detection of an object and / or property determination
  • Figure 2 Schamtician isometric view of a device for spatial
  • Figure 3 Schematic overview of the structure of a multi-channel photomultiplier with readout electronics
  • Figure 4 Schematic plan view of the device of Figure 1 when dispensing two coded light pulses
  • Figure 5 Schematic measurement diagram of the intensity I over the time t of two adjacent pixels of a detection surface, which detect the return light pulses of the two coded light pulses of Figure 4.
  • FIG. 1 shows a device for the spatial detection of an object and / or for determining the property in plan view and FIG. 2 in an isometric view.
  • a detection area 4 of an intra-device multi-channel multiplier 8 is divided into 64 pixels divided into 8 rows and 8 columns.
  • the substantially square detection surface 4 has a width and / or length of at least 30 mm and / or at most 80 mm.
  • An optical fiber unit 1 in the form of, for example, a Plexiglas rod is connected to the output end at a distance, i. an air gap of about 1 mm above a pixel 21, the output surface being aligned parallel to the pixel. Preferably, the output surface even.
  • a detected return light pulse can thus be directed from the light guide unit 1 to the pixel 21.
  • a further optical fiber unit 3 is directed to the further pixel 23.
  • the output surface or the output end of the Plexiglas rod, which preferably forms the optical waveguide unit 1, 3, does not project beyond the outer boundary of the pixel 1, 3 at any point from above.
  • a total of 64 optical fiber units can be accommodated in this way so that they can each be directed to an assigned pixel.
  • the remaining optional light guide units are hidden.
  • the plexiglass rod as the optical fiber unit has an enlarging cross-section from the exit end to the entrance end.
  • the input surface 31, 33 is flat or curved like a circle segment.
  • the extent of the input surface 31, 33 in the circumferential direction is at most as large as the 64 / 360th of an imaginary total arc circumference, which connects the input surfaces 31, 33 with each other.
  • Each of the input surfaces covers a detection angle range 15, so that return light pulses to the corresponding pixels 21 or channel of this optical waveguide unit 1, which is reflected back or scattered by an object 10 so that the return light pulses fall under a direction and an angle of the detection angle range 15 on the input surface 31 and thus to the pixel 21st be redirected or forwarded.
  • FIG. 2 illustrates, with reference to two exemplary optical waveguide units 1, 3, how the optical waveguide units 1, 3 can be spatially bent so that a separate optical waveguide unit can be assigned and directed to each pixel 5 of the detection surface 4.
  • the light guide units 31, 33 shown by way of example have a curvature angle of 90 ° as the angular difference of different orientations of the input end 7 and output end 6.
  • the device for the spatial detection of an object and / or for determining the property is, for example, mounted from above on a vehicle, e.g. on or above the roof.
  • the device can also be integrated, for example, in a vehicle, so that the input surfaces 31, 33 of the light guide units 1, 2, 3 are approximately flush with the outer surface of the vehicle and / or laterally disposed around the vehicle, while the particular only Detection surface 4 with the pixels 5, 21, 22, 23, to which the optical fiber units 1, 2, 3 are respectively directed, viewed from above is arranged centrally in the vehicle.
  • a preferably 64-channel lidar device can be provided using the multi-channel multiplier 8.
  • rods made of Plexiglas which are in particular mounted congruently on the multi-channel multiplier 8 and either bent or bent by bending in the different "viewing directions", ie directions or detection angle ranges 15, as in FIGS 2 and 4 are indicated by the curved and curved course of the optical waveguide units 1, 2, 3.
  • the viewing direction or direction of an optical waveguide unit preferably corresponds to the detection angle range 15, as illustrated by way of example in FIG. Illustration of the different directions or spatial directions, that is to say an approximation of the surroundings, via optical waveguide units 1, 2, 3 onto a detection area 4 of a single multichannel multiplexer 8 can thus be made possible.
  • an additional resolution in a further spatial dimension can be achieved by coding the individual light pulses 11, 12, in particular over the pulse length, as illustrated in FIGS. 4 and 5.
  • a runtime analysis for determining the time duration between the emission of a light pulse 1 1, 12 and the detection of the return light pulse can be followed by a computer 13, i.
  • the transit time analysis in the readout electronics 8, 9 itself can be carried out, preferably in an FPGA 14, which will be described in more detail later.
  • a first one-dimensional circumferential position of an object 10 is described by an azimuth angle, that is to say an in particular horizontal circumferential angular position, starting from a predefined center point.
  • the center point corresponds to the center of the device or the source point of the emitted light pulses 1 1, 12.
  • a horizontal circumferential resolution and image of the environment can be obtained.
  • a second one-dimensional circumferential position of an object 10 is described by a polar angle, that is to say an in particular vertical circumferential angular position, starting from a predefined center point.
  • the azimuth angle and the polar angle together allow a two-dimensional description of the circumferential position.
  • a lateral one-dimensional position of an object 10 is described by the lateral distance from a predefined center point.
  • the lateral Distance can correspond to the radius of a polar or spherical coordinate system.
  • the center point may correspond to the origin point of the polar or spherical coordinate system.
  • the lateral distance and the azimuth angle or the lateral distance and the polar angle each allow a two-dimensionally resolved description of the circumferential position.
  • the lateral distance, the azimuth angle and the lateral distance together allow a three-dimensionally resolved description of the circumferential position.
  • the portion of the environment detectable by the input surface, the input end and / or the optical fiber unit is assigned to an azimuth angle or azimuth angle range and / or a polar angle or a polar angle range depending on its position and orientation.
  • a return light pulse detected at this input surface, input end or optical fiber unit is then assigned to an azimuth angle or azimuth angle range and / or a polar angle or a polar angle range.
  • the lateral position is determined by the transit time of a light pulse, ie the time duration between the emission of a light pulse 11, 12 and the detection of its return light pulse.
  • the lateral position describes the distance of an object 10 to a predefined center point, preferably the center of the device or the source point of the emitted light pulses 11, 12. A lateral resolution can thus be obtained.
  • Objects 10 can thus be detected, evaluated and imaged in two-dimensional or three-dimensionally resolved manner in conjunction with the azimuth angle and / or polar angle.
  • a typical example is a distance of 50 m for a vehicle, which can be determined in this way particularly reliably from the time resolution of the readout electronics 8, 9 or an external evaluation unit, such as computer 13, in relation to the duration of the light pulse.
  • the readout electronics 8, 9, in particular the FPGA 14, or the external evaluation unit, in particular computer 13, are arranged, configured and / or programmed to determine the time of impact of a return light pulse on a pixel and the channel or association of that pixel with a resolution of approximately 10 ns can be.
  • a first coded light pulse 11 (solid line) and a second coded light pulse 12 (dashed line) are emitted by a beam source, in particular a laser, in particular as a defocused laser beam or a flash of light.
  • a beam source in particular a laser, in particular as a defocused laser beam or a flash of light.
  • the first light pulse 11 and the second light pulse 12 propagate uniformly in all directions viewed from above.
  • a defocused laser beam can be emitted in such a way that it spreads like a disk.
  • a flash of light can be emitted so that it spreads globally.
  • An object 10 reflects or scatters both the first light pulse 11 and the second light pulse 12 back to the device in the form of return light pulses (not shown in FIG. 4).
  • the pixel 21 is assigned to a first channel, and upon detection of a return light pulse, a corresponding output signal is output in particular analogously via the output 9 to the readout electronics 8, 9 and further processed.
  • the adjacent pixel 22 is assigned to a separate channel with its own particular analog output 9.
  • the first return light pulse is distinguishable from the second return light pulse, as shown in FIG.
  • FIG. 5 shows the measurement diagrams of the channel assigned to the pixel 1 and the channel assigned to the neighboring pixel 2.
  • the intensity of the pixel 1 and the intensity l 2 of the adjacent pixel 2 are plotted over time on the vertical axis.
  • the solid line marks in both measurement diagrams the first return light pulse which has been assigned to the first coded light pulse 1 1 by the signal processing and evaluation.
  • the dashed line marks in both measurement diagrams the second return light pulse which has been assigned to the second coded light pulse 12 by the signal processing and evaluation.
  • the first and second return light pulses were first detected by the adjacent pixel 2 and only offset in time from the pixel 1.
  • FIG. 3 shows on the left a multi-channel photomultiplier 8 which is connected via preferably four times sixteen (ie sixty-four), in particular analog, outputs 9 to four integrated circuit units 16, in particular ASICs with sixteen inputs each.
  • An ASIC is the abbreviation for an application-specific integrated circuit and is also called a "custom chip.”
  • an ASIC as an integrated circuit unit, a particularly high level of performance can be achieved Processing speed can be achieved.
  • all integrated circuit units 7 are combined in a first component 17 in order to support a compact construction.
  • the integrated circuit units 16 and the first component 17 assume the function amplifier, discriminator and analog-to-digital conversion for the measurement signal.
  • the discriminator ensures that the useful signals are filtered out of the multiplicity of measured signals of the multi-channel photomultiplier 8.
  • the signals filtered out by the integrated circuit unit 16 are transmitted to the second component 18 with a logic module, preferably in digital form.
  • the logic device unit is preferably the FPGA 14.
  • An FPGA is the abbreviation for engl. "Field programmable gate array.”
  • An FPGA is a particularly digitally working integrated circuit in which a logic circuit can be loaded in.
  • the FPGA 14 assigns a measurement signal provided by the integrated circuit unit 16 by a first processing analog and digitally to the FPGA by the measurement signal A-D converter 25
  • the FPGA preferably supplements the measurement signal with a time stamp and / or calculates, for example, the pulse height as measurement information into a corresponding one Units around.
  • a computer 13 may e.g. be an integrated computer unit of a vehicle.
  • the integrated circuit units 16 which are in the form of a chip, serve as amplifiers and discriminators and can optionally also additionally perform an analogue-to-digital conversion.
  • each of the four chips or integrated circuit units 16 has sixteen signal inputs. This ensures that a separate signal input into the chip or the integrated circuit unit 16 is available for each pixel of the detection surface 4.
  • the chips or integrated circuit units 16 are preferably connected in parallel in a logical sense. It has been found that in this way a particularly reliable and fast operation can be achieved.
  • serial control lines 20 over which the FPGA 14 controls the integrated circuit units 16, such as discrimination or configuration.
  • a calibration can preferably be carried out via the FPGA 14.
  • the calibration line 30 includes a D / A converter 28.
  • the FPGA 14 outputs a digital calibration signal. This is converted via the D / A converter 28 into an analog calibration signal and then fed into capacitors. The capacities now simulate a photomultiplier.
  • the resulting simulation signal is then forwarded to the chips, ie the integrated circuit units 16. Subsequently, the integrated circuit units 16 output a digital signal. This is then calibrated so that all the integrated circuit units 16 produce an equal output in response to a same input signal.
  • the multichannel photomultiplier 8 also reacts differently, as a rule. However, these different reactions are previously known and are stored in the FPGA 14, so that an adjustment or calibration can be made here as well.
  • Processed or transmitted signals of the integrated circuit units 16 can be transmitted via trigger lines 27 and / or one or two differential analog line 26 to the FPGA 14.
  • the trigger lines 27 can be used to quickly transmit binary information, such as the occurrence of detection at a particular pixel. The remaining trigger lines 27 are then blocked in order to allow a particularly fast transmission and processing of the transmission by the FPGA 14.
  • the trigger lines 27 can also be used to transmit the analog signals or analog-digital converted signals of the individual pixels.
  • the differential analog line or lines 26 are preferably used for the transmission of measurement data.
  • the FPGA together with the A / D converter 25, the D / A converter 28, preferably the photomultiplier simulation unit and the interface 19 are arranged on the second component 18.
  • a particularly compact construction can be realized in this way.
  • the multi-channel photomultiplier 8 is a Hamamatsu Flat Planel MaPMT H8500 with 8x8 PMTs.
  • the integrated circuit unit 16 is an Ideas IDE3465 from the company Ideas Integrated Detector Electronics AS.
  • the device can be used for land, air and / or water vehicles.
  • the apparatus is arranged to separately and independently of the light guide units deliver a single pulse of light from the device, propagate in different directions from the device, and return to an object in the form of a return light pulse from different directions Device can be reflected back, wherein the two optical fiber units depending on the different directions of the back reflection each detected a different part of the return light pulse and can redirect each of the detected part to the common detection surface. This is shown in particular in FIGS. 2 and 4.
  • the light pulse emitted by the device covers a larger angular range than a single optical fiber unit can detect, such that a single optical fiber unit, preferably both optical fiber units, is not capable of to collect all or any of the return light pulse reflected back from a planar object.
  • the light pulse is emitted by an optical system of the device, which alone allows a radiation angle range of 360 °.
  • the light pulse emitted by the device is basically not forwarded or emitted via the light guide units.
  • the optics for emitting the light pulse from the optical fiber units is locally separated, ie no optical fiber unit is located in the beam path of the emitted light pulse.
  • the light guide units are arranged so that the return light pulse passes through the optical fiber units directly to a common detection surface and is deflected thereto, in particular by bending the optical fiber units, preferably by more than 45 ° or 60 °.
  • the light guide units in particular optical fibers, are connected by an optical gel or adhesive to the detection surface, in particular a photomultiplier.
  • the light guide units are thus each applied to the pixel at the end that decouples a portion of the return light pulse onto a pixel of the common detection surface by an optical gel or adhesive.
  • Embodiments have been described above which permit signal processing and evaluation to enable the device to code a light pulse 1 1, 12 emitted in such a way that its return light pulse can be assigned to the abovementioned coded light pulse 1 1, 12 on the basis of the coding.
  • it is provided in a further developed embodiment to make return light pulses distinguishable by means of an analyzer and / or to be able to assign them to a specific emitted light pulse 1 1, 12.
  • Several correspondingly different emitted light pulses 1 1, 12 can be provided for this purpose.
  • a distinction of return light pulses based on physical properties and physical differences can be achieved by using at least one analyzer prior to processing in the transmitter.
  • a particularly simple constructed evaluation electronics can thus be used for a reliable assignment.
  • a particularly high processing speed of the evaluation electronics can be achieved because part of the tasks otherwise performed by the evaluation electronics, e.g. a distinction is made as a result of decoding, without loss of time by the analyzer.
  • the analyzer is a polarizer.
  • a polarizing filter allows a technically particularly simple attachment and application.
  • the analyzer is a color filter, low pass filter, high pass filter and / or band filter, preferably with respect to the wavelength of the return light pulses. A particularly accurate distinction based on physical properties and physical differences can be achieved in this way.
  • the analyzer is applied to the one end of the optical fiber unit into which a part of the return light pulse is coupled.
  • the analyzer is arranged between the detection surface and the light guide unit, preferably between the detection surface and the end of the light guide unit, which decouples a portion of the return light pulse onto a pixel of the common detection surface.
  • a plurality of emitted light pulses 1 1, 12 are directed in the same direction, that is emitted in the same direction. The information density can be directly multiplied by this. Thus, it can be particularly easily evaluated, for example, whether a return light pulse is reflected or scattered light or effects of a Doppler effect, e.g. in terms of wavelength and distance. Overall, a study of the environment is possible, which goes beyond a pure spatial detection of an object.
  • the device according to the invention in particular with at least one analyzer, is used to investigate turbulence in the airspace.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine Lidar-Vorrichtung, zur räumlichen Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung mittels eines rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils mindestens eines von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpulses, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Lichtleiter-Einheiten umfasst, die einen Rückkehr-Lichtimpuls des rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils aus verschiedenen Richtungen auf eine Detektionsflache umlenken können.

Description

Vorrichtung zur räumlichen Detektion, insbesondere Lidar-Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine Lidar-Vorrichtung, zur räumlichen Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung mittels eines rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils mindestens eines von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpulses. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Autonom fahrende Fahrzeuge benötigen eine Detektionssensorik, welche die Umgebung des Fahrzeugs zuverlässig erfassen kann. Im Rahmen des Projektes „Googles fahrerloses Auto" der Fa. Waymo, ein Tochterunternehmen der Fa. Alphabet, wurde ein Lidar-Detektionssystem bekannt, bei dem ein Laser mittels eines rotierenden Spiegels die Umgebung 360° abscannt. Durch den rotierenden Spiegel, der Licht aus vielen Raumrichtungen einfängt, können eine übermäßige Anzahl von Einzelsensoren, die sonst für die 360°-Abdeckung erforderlich wären und normalerweise eine übermäßig hohe Komplexität des Aufbaus verursachen würden, vermieden werden. Eine einfach aufgebaute Detektionssensorik mit besonders wenigen Detektionskanälen sorgt somit für eine einfache Steuerbarkeit.
Ein beweglicher Spiegel ist allgemein vergleichsweise störempfindlich. Zudem sind bewegte Spiegel in der Regel aufwendig in der Herstellung und Instandhaltung.
Die Druckschrift DE10146808A1 offenbart ein System, bei dem an mehreren Einbauorten eines Kraftfahrzeugs Sensoreinheiten vorgesehen sind, die gleichzeitig eine optische Sendestrahlung emittieren und die reflektierte Sendestrahlung detektieren. Es wird ebenfalls auf die Druckschriften EP1031471A1 und DE202012103344U1 hingewiesen. Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination mit einem der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstände kombiniert werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe dienen eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Fahrzeug nach dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe dient eine Vorrichtung, insbesondere eine Lidar-Vorrichtung, zur räumlichen Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung mittels eines rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils mindestens eines von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpulses, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Lichtleiter-Einheiten umfasst, die einen Rückkehr-Lichtimpuls des rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils aus verschiedenen Richtungen auf eine Detektionsfläche umlenken können.
Lidar ist die Abkürzung für engl, „light detection and ranging", wobei mittels elektromagnetischer Strahlung ein Scannen typischerweise für eine optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung oder zur Fernmessung atmosphärischer Parameter erfolgt. Die zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung wird mittels eines Detektors, beispielsweise eine Multispektralkamera, detektiert und ausgewertet.
Objekt meint vorliegend eine optisch sichtbare Masse oder Hindernis wie z.B. eine Leitplanke, ein anderes Fahrzeug oder ein Fußgänger.
Räumliche Detektion eines Objekts meint das ortsaufgelöste Erkennen eines Objektes, also mit einer Zuordnung einer Lageinformation des Objekts insbesondere relativ zur Vorrichtung. Eigenschaftsbestimmung kann objektbezogen sein und umfasst dann beispielsweise eine zwei oder dreidimensionale Positionsbestimmung des Objekts, eine Abstandsbestimmung und/oder eine Geschwindigkeitsbestimmung. Grundsätzlich kann alternativ oder ergänzend Eigenschaftsbestimmung auch auf ein Medium bezogen sein, wie beispielsweise ein Gas, ein Gasgemisch, ein Gas mit verteilten Partikeln oder Flüssigkeitstropfen, eine Flüssigkeit oder eine Emulsion. Die zu bestimmende Eigenschaft kann dann beispielsweise eine Partikelverteilung oder Gasdichte sein. Für die Anwendung im Fahrzeugbereich kann auf diese Weise beispielsweise zwischen Regen, einem Regentropfen oder einer Pfütze einerseits und Feststoffkörpern andererseits unterschieden werden.
Rückreflektierter Anteil eines abgegebenen Lichtimpulses meint die durch Reflexion an einer Oberfläche eines Objektes der Umgebung zur Vorrichtung, insbesondere zu einer der Lichtleiter-Einheiten, zurückgeworfene Reflexionsstrahlung. Der Reflexionsgrad, welcher dem Anteil der rückreflektierten Strahlung entsprechend kann, und/oder Eigenschaften der rückreflektierten Strahlung wie z.B. die Polarisation hängen in der Regel von dem Einfallswinkel des abgegebenen Lichtimpulses auf die Oberfläche und/oder dem Objektmaterial ab.
Rückgestreuter Anteil eines abgegebenen Lichtimpulses meint den Anteil, den ein von dem Lichtimpuls getroffenes Objekt zur Vorrichtung zurückwirft, also insbesondere in Richtung einer der Lichtleiter-Einheiten. Ein Objekt kann dabei aufgrund einer unregelmäßig oder uneben geformten Oberfläche den Lichtimpuls gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen streuen, wobei nur ein Teil wieder zurück zur Vorrichtung, insbesondere zu einer der Lichtleiter-Einheiten, gelangt.
Mindestens ein abgegebener Lichtimpuls bedeutet, dass die Vorrichtung grundsätzlich nur einen Lichtimpuls oder mehrere Lichtimpulse abgeben, also nach außen abstrahlen, kann.
Zwei Lichtleiter-Einheiten, die einen Rückkehr-Lichtimpuls umlenken können, bedeutet allgemein, dass jede Lichtleiter-Einheit jeweils einen Rückkehr-Lichtimpuls auf die Detektionsflache umlenkt. Zwei Rückkehr-Lichtimpulse können dabei grundsätzlich von einem gemeinsamen oder unterschiedlichen von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpuls stammen, d.h. dessen rückreflektierter oder rückgestreuter Anteil sein.
Auf einer Detektionsflache umlenken bedeutet ein Weiterleiten zur Detektionsflache, so dass ein Rückkehr-Lichtimpuls gezielt auf die Detektionsflache fällt.
Eine Detektionsfläche zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Rückkehr- Lichtimpuls beim Auftreffen auf die Detektionsfläche durch die Vorrichtung oder den Detektor der Vorrichtung detektiert wird, so dass ein insbesondere analoges Signal bereitgestellt wird, das durch eine Auslese-Elektronik für eine nachgelagerte Auswertung weiterverarbeitet werden kann. Zwei Lichtleiter-Einheiten, die einen Rückkehr-Lichtimpuls aus verschiedenen Richtungen auf eine Detektionsfläche umlenken können, decken also verschiedene Richtungen oder Blickrichtungen ab. Wenn beispielsweise ein Rückkehr-Lichtimpuls auf zwei oder mehr Lichtleiter-Einheiten fällt, lenkt jede der Lichtleiter-Einheiten den von ihr - zeitgleich oder zeitversetzt - erfassten Teil desselben Rückkehr- Lichtimpulses getrennt voneinander auf die Detektionsfläche. Es ist aber auch möglich, dass - zeitgleich oder zeitversetzt - ein erster Rückkehr-Lichtimpuls nur auf eine erste Lichtleiter-Einheit fällt oder davon erfasst wird, und ein von dem ersten Rückkehr-Lichtimpuls sich unterscheidender und/oder separater zweiter Rückkehr- Lichtimpuls nur auf eine zweite Lichtleiter-Einheit fällt oder davon erfasst wird.
Aus verschiedenen Richtungen umlenken meint, dass die mindestens zwei Lichtleiter-Einheiten insbesondere an unterschiedlichen Stellen und/oder mit unterschiedlichen Ausrichtungen angeordnet sind, um zur räumlichen Detektion zu erfassende Bereiche der Umgebung unter sich aufzuteilen. Ein relativ zur Vorrichtung räumlich vordefinierter Bereich außerhalb der Vorrichtung oder der Umgebung kann somit einer bestimmten Lichtleiter-Einheit zugeordnet werden. Dadurch, dass die Vorrichtung mindestens zwei Lichtleiter-Einheiten umfasst, die einen Rückkehr-Lichtimpuls des rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils aus verschiedenen Richtungen auf eine Detektionsflache umlenken können, wird eine Detektionssensorik zum Scannen der Umgebung ermöglicht, die einen besonders einfachen und robusten Aufbau aufweist und mit geringem Aufwand gesteuert und betrieben werden kann, und zwar ohne den Einsatz eines bewegbaren Spiegels.
Die so ermöglichte Vorrichtung ist weniger störempfindlich verglichen mit einem System mit einem bewegbaren Spiegel und zudem mit geringerem Aufwand herstellbar und instandhaltbar.
In einer Ausführungsform umfassen die Lichtleiter-Einheiten jeweils eine gebogene Lichtleitfaser, vorzugsweise Glasfaser, oder einen gebogenen Stab aus lichtleitendem Material, vorzugsweise Plexiglas.
Lichtleitfaser meint eine längliche Faser aus lichtleitendem Material wie z.B. Glas oder Kunststoff. Insbesondere ist eine Lichtleitfaser ein Lichtwellenleiter oder eine Glasfaser. Die Lichtleiter-Einheiten weisen insbesondere nur jeweils eine Lichtleitfaser auf oder bestehen jeweils aus nur einer einzigen Lichtleitfaser. Alternativ oder ergänzend kann eine Lichtleiter-Einheit mehrere zu einem Bündel verbundene Lichtwellenleiter umfassen wie z.B. ein Bündel Glasfasern, um frei auf dem Markt erhältliche Grundbausteine einzusetzen und so aufwändige Sonderanfertigungen vermeiden zu können. Ein Stab hat eine längliche Form insbesondere mit einem runden Querschnitt. Alternativ oder ergänzend ist aber auch ein eckiger Querschnitt grundsätzlich möglich.
Ein lichtleitendes Material vermag vorzugsweise sichtbares Licht, d.h. normalerweise mit einer Wellenlänge von ca. 380 nm bis 780 nm, und/oder Licht im nahen Infrarotbereich, d.h. normalerweise mit einer Wellenlänge von ca. 760 bis 2500 nm, von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende durch das lichtleitende Material hindurch, dass folglich überwiegend transparent für das weitergeleitete Licht ist, zu leiten oder umzulenken. Weiterleiten ist hier auch ein Umlenken, weil das Licht durch Totalreflexion innerhalb des lichtleitenden Materials bleibt und dieses planmäßig erst an dem Ausgangsende wieder verlässt. Ein lichtleitendes Material ist beispielsweise Plexiglas, was vorliegend bevorzugt verwendet wird.
Dadurch, dass die Lichtleiter-Einheiten jeweils eine gebogene Lichtleitfaser oder einen gebogenen Stab aus lichtleitendem Material umfasst, kann ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung mit einer flexiblen und skalierbaren Raumabdeckung ermöglicht werden. Dabei ist eine eindimensionale 360° Abdeckung in Umfangrichtung möglich. Aber auch eine zweidimensionale Abdeckung umfassend 360° eines Polarwinkels und 360° eines Azimutwinkels eines Kugel- oder Polarkoordinatensystem wird so ermöglicht. Wie die dritte Dimension des Kugeloder Polarkoordinatensystem, nämlich der Radius oder laterale Abstand, ermittelt werden kann, wird weiter unten ein einer weiteren Ausführungsform beschrieben. Grundsätzlich können jedenfalls alle erdenklichen Richtungen auf nur eine einzige Detektionsfläche, die vorzugsweise in Pixel unterteilt ist, abgebildet werden.
Vorzugsweise sind die Eingangsenden oder Eingangsoberflächen bündig zu einer imaginären Kugelform oder einem Ellipsoid angeordnet, um besonders einfach und zuverlässig die Umgebung scannen und räumlich aufgelöst abbilden zu können.
Im Vergleich zu einem Drehspiegel können ferner die Rückkehr-Lichtimpuls aus allen abgedeckten Richtungen gleichzeitig erfasst und ausgewertet werden. Bei einem Drehspiegel hingegen ergibt sich üblicherweise eine Totzeit wie bei einem Radar.ln einer alternativen oder ergänzenden Weiterentwicklung kann eine Lichtleiter-Einheit einen fest montierten Spiegel umfassen. Hierdurch können auch solche Wellenlängen erfasst werden, für die es keine lichtleitendes Material gibt wie z.B. im oberen Wellenlängenbereich des mittleren Infrarotbereiches. In einer Ausführungsform weisen die Lichtleiter-Einheiten jeweils ein auf die Detektionsfläche gerichtetes Ausgangsende und ein nach außen gerichtetes Eingangsende auf. Insbesondere hat eine Lichtleiter-Einheit nur genau ein Ausgangsende und nur genau ein gegenüberliegendes Ausgangsende. Eine Lichtleiter-Einheit kann dadurch eine der verschiedenen Richtungen abdecken, also Rückkehr-Lichtimpulse eines der Lichtleiter-Einheit zugeordneten Bereichs der Umgebung erfassen und zu einem gemeinsamen Detektor mit der Detektionsfläche weiterleiten.
In einer Ausführungsform weisen das Eingangsende und das Ausgangsende unterschiedliche Orientierungen mit einer Winkeldifferenz von mindestens 5°, bevorzugt mindestens 30°, und/oder höchstens 175°, bevorzugt höchstens 150°, auf.
Die Orientierung des Eingangsendes und/oder Ausgangsendes entspricht der Richtung einer Zentralachse in Höhe des Eingangsendes bzw. Ausgangsendes. Allgemein verläuft eine Zentralachse im Querschnitt betrachtet mittig entlang der insbesondere länglichen Lichtleiter-Einheit. Die Orientierung des Eingangsendes und/oder des Ausgangsendes kann ergänzend oder alternativ der Richtung einer Normalen auf der Oberfläche des Eingangsendes, d.h. Eingangsoberfläche, bzw. des Ausgangsendes, d.h. Ausgangsoberfläche, entsprechen.
Eine Winkeldifferenz von mindestens 5° und/oder höchstens 175° ermöglicht einen besonders hohen Abdeckungsgrad. Insbesondere sind genau zwei Lichtleiter- Einheiten einer Mehrzahl von Lichtleiter-Einheiten vorgesehen, die geradlinig mit einer Winkeldifferenz von ungefähr 0° eingesetzt sind. Eine umfängliche Abdeckung von 360° oder eine zweidimensionale Abdeckung in Form einer 360° Polarwinkel- und 360° Azimutwinkelabdeckung kann so durch die Mehrzahl der Lichtleiter- Einheiten ermöglicht werden. Dies eignet sich beispielsweise für die Anbringung auf dem Dach eines Fahrzeugs, und zwar vorzugsweise in einem Abstand oberhalb des Daches mittels eines Tragarms.
Eine Winkeldifferenz von mindestens 30° und/oder höchstens 150° ermöglicht wiederum mit besonders wenigen Kanälen die umfängliche Abdeckung eines ringförmigen Bereiches der Umgebung, beispielsweise seitlich um ein Fahrzeug herum, d.h. randseitig. Die Ausgangsenden können dann randseitig insbesondere geschlossen das Fahrzeug umgeben, bevorzugt ungefähr bündig mit der Außenoberfläche des Fahrzeugs, beispielsweise im Bereich von Stoßfängern und/oder Stoßstangen oder an einer Dachumrandung. Gleichzeitig kann ein zentraler Detektor oder eine zentrale Detektionsfläche fahrzeugmittig angeordnet werden, zu dem bevorzugt alle Lichtleiter-Einheiten hingeführt werden. Je nach Position der Ausgangsenden kann der Detektor oder die Detektionsfläche in der Mitte beispielsweise des Dachbereiches oder an der Unterseite des Fahrzeugs, d.h. im bodennahen Fahrzeugabschnitt, integriert werden.
In einer Ausführungsform ist die Eingangsoberfläche oder Querschnittsfläche des Eingangsendes größer ist als die Ausgangsoberfläche oder Querschnittsfläche des Ausgangsendes. Eine Lichtleiter-Einheit weist dann also einen kleiner werdenden Querschnitt auf dem Weg von dem Eingangsende zum Ausgangsende auf, vorzugsweise stetig keiner werdend oder lediglich in dem Bereich des Eingangsendes kleiner werdend. Bevorzugt ist die Lichtleiter-Einheit an dem Eingangsende trichterartig oder trichterförmig geformt.
Ein abzudeckender Bereich kann auf diese Weise unter einer vorgegebenen Anzahl von Lichtleiter-Einheiten aufgeteilt werden und gleichzeitig auf die Detektionsfläche oder jeweils einen Pixel einer Mehrzahl aneinander angrenzender Pixel der Detektionsfläche mit vorgegebener Größe gerichtet werden. Mit einem besonders einfachen Aufbau und nur einem Detektor bzw. einer Detektionsfläche kann so beispielsweise eine 360° Abdeckung ermöglicht werden.
Abdeckung meint den Anteil oder Abschnitt der verschiedenen Richtungen oder Raumrichtungen bzw. der Umgebung, die via Lichtleiter-Einheit auf der Detektionsfläche abgebildet werden können. Von außen auf die Lichtleiter-Einheiten oder die Vorrichtung fallenden Rückkehr-Lichtimpulse aus verschiedenen abgedeckten Richtungen der Umgebung können somit erfasst und detektiert werden. Nicht abgedeckte Bereiche der Umgebung sind hingegen Totbereiche und können nicht durch die Vorrichtung erfasst oder detektiert werden.
In einer Ausführungsform ist die insbesondere einzige Detektionsfläche der Vorrichtung in mehrere Pixel untergliedert und/oder mehrere aneinander angrenzende Pixel bilden die Detektionsfläche, vorzugsweise des einzigen Detektors der Vorrichtung.
Ein Pixel ist ein Flächenabschnitt, insbesondere einer Detektionsfläche, der zum Erfassen eines Rückkehr-Lichtimpulses dient und/oder separat ausgelesen oder ausgewertet werden kann.
Ein besonders einfacher Aufbau, der ebenfalls besonders schnell und einfach steuerbar ist und eine besonders präzise automatisierte Signalverarbeitung erlaubt, kann so ermöglicht werden.
In einer Weiterentwicklung ist ein oder jeder Pixel einem eigenen Kanal oder einem eigenen Signalausgang zugeordnet, insbesondere einem analogen Signalausgang. Vorzugsweise wird jeder Pixel durch einen eigenen Photomultipher bereitgestellt, wobei vorzugsweise die Photomultipher der Pixel Teil eines Mehrkanalphotomultipliers sind, auf den noch genauer eingegangen wird.
Ein Photomultipher wird auch Photoelektronenvervielfacher, Photovervielfacher oder engl, „photomultipher tube" genannt und üblicherweise mit „PMT" abgekürzt. Ein gewöhnlicher Photomultipher umfasst eine Photokathode, die ein Photon oder mehrere Photonen über den photoelektrischen Effekt in mindestens ein Photoelektron oder mehrere Photoelektronen, also freie Elektronen, umwandelt, und zwar unabhängig davon, wo ein Photon auf die Photokathode trifft. Über eine Anode kann auf diese Weise bei Detektieren eines Photons oder mehrerer Photonen durch den Photomultipher ein analoges Signal bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform ist jede Lichtleiter-Einheit auf jeweils einen Pixel, d.h. grundsätzlich auf jeweils nur einen Pixel, der Detektionsfläche gerichtet, damit ein von der Lichtleiter-Einheit erfasster Rückkehr-Lichtimpuls auf das Pixel umgelenkt wird, das dieser Lichtleiter-Einheit zugeordnet ist.
Von einer Lichtleiter-Einheit erfasster Rückkehr-Lichtimpulse meint einen Rückkehr- Lichtimpulse, der so auf die Eingangsoberfläche der Lichtleiter-Einheit fällt, z.B. innerhalb eines Erfassungwinkelbereiches, dass der Rückkehr-Lichtimpuls planmäßig auf die Detektionsflache oder den der Lichtleiter-Einheit zugeordneten Pixel umgelenkt werden kann. Bei einer Lichtleitfaser wird der Rückkehr-Lichtimpuls also beispielsweise erfasst, wenn der Rückkehr-Lichtimpuls so auf die Eingangsoberfläche fällt, dass der Rückkehr-Lichtimpuls in die Lichtleitfaser für ein Weiterleiten innerhalb der Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
Alle von einer bestimmten Lichtleiter-Einheit erfassten Rückkehr-Lichtimpulse können somit durch einen der Lichtleiter-Einheit zugeordneten Pixel detektiert werden. Eine räumliche Detektion und Zuordnung einer Lage im Raum für ein detektierten Rückkehr-Lichtimpuls wird so durch einen besonders einfachen und kompakten Aufbau ermöglicht.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Fixiereinrichtung auf, die so eingerichtet ist, dass die Fixiereinrichtung eine oder jede Lichtleiter-Einheit in einer vordefinierten, räumlichen Position relativ dem Pixel fest fixiert, der dieser Lichtleiter- Einheit oder der jeweiligen Lichtleiter-Einheit zugeordnet ist.
Eine zuverlässige und besonders präzise Detektion von Objekten auch beispielsweise bei einem sich fortbewegenden Fahrzeug kann so ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform ist die Ausgangsoberfläche einer Lichtleiter-Einheit parallel zu der Detektionsfläche ausgerichtet und/oder in einem vordefinierten Distanz oberhalb von einem Pixel, der dieser Lichtleiter-Einheit zugeordneten ist, angeordnet. Bevorzugt beträgt diese Distanz weniger als 2 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm.
Insbesondere entspricht die Ausrichtung der Detektionsfläche auch der Ausrichtung einer Fläche der Pixel, die bevorzugt Teil der Detektionsfläche sind bzw. gemeinsam die Detektionsfläche bilden.
Durch die parallele Ausrichtung und/oder die vordefinierte Distanz wird eine besonders effiziente und zuverlässige Umlenkung eines Rückkehr-Lichtimpulses auf den Pixel, welcher der diesen Rückkehr-Lichtimpuls umlenkenden, also weiterleitenden, Lichtleiter-Einheit zugeordnet ist.
In einer Weiterentwicklung ist die Ausgangsoberfläche kleiner als die Fläche des Pixels, auf den die Ausgangsoberfläche die Lichtleiter-Einheit richtet und/oder die Außenkontur der Ausgangsoberfläche wird insgesamt in Normalenrichtung der Ausgangsoberfläche vollständig von einer Außenbegrenzung des Pixels umgeben oder eingeschlossen. Insbesondere bei Einsatz einer Lichtleitfaser oder eines gebogenen Stab aus lichtleitendem Material als Lichtleiter-Einheit wird dadurch dem Ausbreitungswinkel Rechnung getragen, den ein aus der Lichtleiter-Einheit austretender Rückkehr- Lichtimpuls zur Normalenrichtung der Ausgangsoberfläche aufweisen kann. Auf diese Weise kann insbesondere der sogenannten „Cross-Talk"-Effekt, also Übersprech-Effekt, reduziert werden, bei dem beispielsweise ein Rückkehr- Lichtimpuls aufgrund seines von der Normalenrichtung abweichenden schrägen Ausbreitungsrichtung durch den Luftspalt zwischen der Ausgangsoberfläche und dem Pixel nicht auf dem zugeordneten Pixel, sondern auf den benachbarten Pixel der Detektionsfläche trifft und folglich falsch zugeordnet wird.
In einer Ausführungsform wird die Detektionsfläche durch einen Mehrkanalphotomultiplier bereitgestellt, der jedem Pixel der Detektionsfläche einen eigenen Kanal und/oder Signalausgang zuordnet. Ein Mehrkanalphotomultiplier, auch Multianodenmultiplier oder engl, „multianode photomultiplier" genannt und üblicherweise mit „MaPMT" abgekürzt, entspricht mehreren integrierten Photomultipliern insbesondere in einem einzigen Gehäuse. Jede der einzelnen Anoden stellt dann jeweils insbesondere über einen das Gehäuse nach außen durchdringenden Pin einen Ausgang für ein normalerweise analoges Signal bereit, das durch eine Auslese-Elektronik weitergeleitet, ausgelesen und/oder weiterverarbeitet werden kann. Dadurch, dass die Detektionsfläche durch einen Mehrkanalphotomultiplier bereitgestellt wird, der jedem Pixel der Detektionsfläche einen eigenen Kanal und/oder Signalausgang zuordnet, können besonders einfach Rückkehr-Lichtimpulse aus verschiedenen Richtungen simultan detektiert und verarbeitet werden.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass der von der Vorrichtung abgegebene Lichtimpuls sich über einen Abstrahlwinkelbereich von mindestens 90°, bevorzugt 180°, besonders bevorzugt 360° nach außen erstreckt, also in die Umgebung ausbreitet.
Abgegebener Lichtimpuls meint den Lichtimpuls, dessen rückreflektierter oder rückgestreuter Anteil den mindestens einen Rückkehr-Lichtimpuls bildet und der Vorrichtung für die räumliche Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung dient.
Nach außen meint allgemein von der Vorrichtung weg zu Umgebung hin, so dass ein Objekt der Umgebung, das sich in dem Abstrahlwinkelbereich befindet, von dem abgegebenen Lichtimpuls getroffen und zur Rückreflexion oder Rückstreuung angeregt wird.
Durch einen Abstrahlwinkelbereich von mindestens 90° können durch einen einzigen abgegebenen Lichtimpuls Rückkehr-Lichtimpulse eines zu detektierenden Objektes erzeugt werden, die durch mehr als eine Lichtleiter-Einheit erfasst werden. Großvolumige Objekte können so durch benachbarte Ausgangsoberflächen von benachbarten Lichtleitfasern als ein zusammenhängendes Objekt identifiziert werden.
Insbesondere korreliert die Zeitdauer zwischen Abgabe des Lichtimpulses und Detektion des dazugehörigen Rückkehr-Lichtimpuls dem Abstand des Objektes.
Weisen die Eingangsenden von zwei Lichtleiter-Einheiten einen unterschiedlichen Abstand zu einem Objekt auf, das von dem abgegebenen Lichtimpuls getroffen wurde und einen Anteil des Lichtimpulses aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Objektes aus verschiedenen Richtungen zurückreflektiert oder zurückstreut, können die Rückkehr-Lichtimpuls, die auf denselben abgegebenen Lichtimpuls zurückgehen, zeitversetzt von den zwei Lichtleiter-Einheiten erfasst und durch den Detektor, insbesondere Mehrkanalphotomultiplier zeitversetzt detektiert werden. Die räumliche Ausdehnung eines Objektes in radialer Richtung ausgehend von der Vorrichtung kann so ausgewertet werden.
In einer Ausführungsform vermag die Vorrichtung einen abgegebenen Lichtimpuls so zu kodieren, dass dessen Rückkehr-Lichtimpuls anhand der Kodierung dem vorgenannten kodierten Lichtimpuls zugeordnet werden kann, d.h. eindeutig zugeordnet werden kann. Auch der Rückkehr-Lichtimpuls weist also die Kodierung des abgegebenen Lichtimpulses auf, so dass eine eindeutige Zuordnung ermöglicht werden kann.
Eine besonders präzise und einfache laterale Auflösung, d.h. eine räumliche Detektion in radialer Richtung ausgehend von der Vorrichtung, kann so ermöglicht werden. Zudem kann das sogenannte Anger-Prinzip oder das Prinzip der QuasiAnger Auflösung besonders einfach und wirkungsvoll umgesetzt werden.
In einer Ausführungsform erfolgt die Kodierung durch eine bestimmte Pulslänge oder eine bestimmte Wellenlänge. Dadurch kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise erreicht werden, dass der Rückkehr-Lichtimpuls dieselbe Kodierung aufweist wie der abgegebene kodierte Lichtimpuls.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Laser, bevorzugt Nd:YAG- Laser oder Diodenlaser, zum Generieren des mindestens einen von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpulses auf. Ein besonders präzises Detektieren kann so ermöglicht werden. Ein Nd:YAG-Laser oder Diodenlaser ermöglichen zudem den Einsatz einer Lichtleitfaser oder eines Stabes aus lichtleitendem Material, wie z.B. Plexiglas. Zudem erlaubt ein Laser auf besonders einfache und präzise Weise eine Kodierung eines abgegebenen Lichtimpulses, beispielsweise durch das Programmieren unterschiedlich langer Pulslängen eines abgegebenen Laserpulses. In einer Weiterentwicklung ist der abgegebene Lichtstrahl ein Lichtblitz oder ein defokussierter Laserstrahl. Ein besonders großer Abstrahlwinkelbereich kann so erzielt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit der oben beschriebenen Vorrichtung zur Lösung der Eingangs gestellten Aufgabe.
Eine besonders einfach aufgebaute und steuerbare Detektionssensorik für einen autonomen Fahrbetrieb, der besonders zuverlässig und schnell Objekte in der gesamten Umgebung des Fahrzeugs erfassen kann, wird so ermöglicht. Der Die Störanfälligkeit sowie der Aufwand zur Herstellung und Instandhaltung sind zudem typischerweise geringer als bei den derzeitigen Lösungen mit bewegbarem Spiegel. Vorzugsweise sind bei dem Fahrzeug die Lichtleiter-Einheiten randseitig und/oder die Detektionsfläche mittig angeordnet. Eine Rundum-Detektion mit nur einem Detektor beispielsweise in Form nur eines Mehrkanalphotomultipliers kann so ermöglicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert und mit Bezug zu den Zeichnungen die Ausführungsformen sowie zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : Schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur räumlichen Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung;
Figur 2: Schamtische isometrische Darstellung einer Vorrichtung zur räumlichen
Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung;
Figur 3: Schematische Übersicht über den Aufbau eines Mehrkanalphotomultipliers mit Auslese-Elektronik; Figur 4: Schematische Draufsicht auf die Vorrichtung der Figur 1 beim Abgeben von zwei kodierten Lichtimpulsen;
Figur 5: Schematisches Messdiagramm der Intensität I über die Zeit t von zwei benachbarten Pixeln einer Detektionsfläche, welche die Rückkehr- Lichtimpulse der zwei kodierten Lichtimpulse der Figur 4 detektieren.
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur räumlichen Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung in Draufsicht und die Figur 2 in isometrischer Ansicht. Eine Detektionsfläche 4 eines innerhalb der Vorrichtung befindlichen Mehrkanalmultipliers 8 ist in 64 Pixel, die in 8 Reihen und 8 Spalten gegliedert sind, unterteilt. Die im Wesentlichen quadratische Detektionsfläche 4 hat eine Breite und/oder Länge von mindestens 30 mm und/oder höchstens 80 mm. Eine Lichtleiter- Einheiten 1 in Form beispielsweise einer Stabs aus Plexiglas ist mit dem Ausgangsende in einer Distanz, d.h. einem Luftspalt, von ungefähr 1 mm oberhalb eines Pixels 21 angeordnet, wobei die Ausgangsoberfläche parallel zum Pixel ausgerichtet ist. Vorzugsweise die Ausgangsoberfläche eben. Ein erfasster Rückkehr-Lichtimpuls kann so von der Lichtleiter-Einheit 1 auf den Pixel 21 gelenkt werden. In analoger Weise ist eine weitere Lichtleiter-Einheit 3 auf den weiteren Pixel 23 gerichtet. Die Ausgangsoberfläche bzw. das Ausgangsende des Stab aus Plexiglas, welches vorzugsweise die Lichtleiter-Einheit 1 , 3 bildet, steht von oben betrachtet an keiner Stelle über die Außenbegrenzung des Pixels 1 , 3 über. Insgesamt 64 Lichtleiter-Einheiten finden auf diese Weise Platz, um jeweils auf einen zugeordneten Pixel gerichtet werden zu können. In den Figuren 1 , 2 und 4 sind die übrigen optional vorsehbaren Lichtleiter-Einheiten ausgeblendet.
Der Stab aus Plexiglas als die Lichtleiter-Einheit weist von dem Ausgangsende zum Eingangsende einen sich vergrößernden Querschnitt auf. Die Eingangsoberfläche 31 , 33 ist eben oder gebogen wie ein Kreissegment. Vorzugsweise ist die Erstreckung der Eingangsoberfläche 31 , 33 in Umfangrichtung höchstens so groß wie das 64/360stel eines imaginären Gesamtbogenumfangs, der die Eingangsoberflächen 31 , 33 miteinander verbindet. Jede der Eingangsoberfläche deckt einen Erfassungswinkelbereich 15 ab, so dass Rückkehr-Lichtimpulse dem entsprechenden Pixel 21 oder Kanal dieser Lichtleiter-Einheit 1 zugeordnet werden können, die von einem Objekt 10 so zurückreflektiert oder zurückgestreut wird, dass die Rückkehr-Lichtimpulse unter einer Richtung und einem Winkel des Erfassungswinkelbereich 15 auf die Eingangsoberfläche 31 fallen und somit zu dem Pixel 21 umgelenkt bzw. weitergeleitet werden.
Die Figur 2 illustriert anhand zweier exemplarischer Lichtleiter-Einheiten 1 , 3, wie die Lichtleiter-Einheiten 1 , 3 räumlich gebogen werden können, damit vorzugsweise für auf jeden Pixel 5 der Detektionsfläche 4 eine eigene Lichtleiter-Einheit zugeordnet und darauf gerichtet werden kann. Insbesondere weisen die exemplarisch gezeigten Lichtleiter-Einheiten 31 , 33 einen Krümmungswinkel von 90° als Winkeldifferenz unterschiedlichen Orientierungen des Eingangsendes 7 und Ausgangsendes 6 auf.
Die Vorrichtung zur räumlichen Detektion eines Objekts und/oder zur Eigenschaftsbestimmung ist beispielsweise von oben an einem Fahrzeug angebracht, z.B. auf oder oberhalb des Daches. Die Vorrichtung kann aber auch beispielsweise in einem Fahrzeug integriert sein, so dass die Eingangsflächen 31 , 33 der Lichtleiter-Einheiten 1 , 2, 3 ungefähr bündig mit der Außenoberfläche des Fahrzeugs und/oder seitlich um das Fahrzeug herum angeordnet sind, während die insbesondere einzige Detektionsfläche 4 mit den Pixeln 5, 21 , 22, 23, auf weiche die Lichtleiter-Einheiten 1 , 2, 3 jeweils gerichtet sind, von oben betrachtet zentral im Fahrzeug angeordnet ist.
Unter Verwendung des Mehrkanalmultipliers 8 kann somit eine bevorzugt 64 kanalfähige Lidar-Vorrichtung bereitgestellt werden. Als Lichtleiter-Einheiten dienen wie oben beschrieben bevorzugt Stäbe aus Plexiglas, die insbesondere deckungsgleich auf dem Mehrkanalmultipliers 8 angebracht werden und entweder vorgebogen oder durch Biegung in die verschiedenen „Blickrichtungen", d.h. Richtungen bzw. Erfassungswinkelbereiche 15, ausgerichtet werden, wie in den Figuren 1 , 2 und 4 durch den gebogenen und geschwungenen Verlauf der Lichtleiter- Einheiten 1 , 2, 3 angedeutet. Allgemeint entspricht die Blickrichtung oder Richtung einer Lichtleiter-Einheit vorzugsweise dem Erfassungwinkelbereich 15, wie in Fig. 1 exemplarisch illustriert. Abbildung der verschiedenen Richtungen oder Raumrichtungen, also gewissernnaßen eine Abbildung der Umgebung, via Lichtleiter-Einheiten 1 , 2, 3 auf ein Detektionsflache 4 eines einzigen Mehrkanalmultiphers 8 kann so ermöglicht werden.
Vorzugsweise kann eine zusätzliche Auflösung in einer weiteren räumlichen Dimension durch eine Kodierung der einzelnen Lichtpulse 1 1 , 12, insbesondere über die Pulslänge, erreicht werden, wie dies in den Figuren 4 und 5 illustriert wird.
Eine Laufzeitanalyse zur Ermittlung der Zeitdauer zwischen Abgeben eines Lichtimpulses 1 1 , 12 und der Detektion dessen Rückkehr-Lichtimpuls kann mittels eines Computers 13 nachgeschaltet werden, d.h. in einem an die Auslese-Elektronik 8, 9 angeschlossenen Computer 13. Alternativ oder ergänzend kann die Laufzeitanalyse in der Auslese-Elektronik 8, 9 selber durchgeführt werden, vorzugsweise in einem FPGA 14, der später noch genauer beschrieben wird.
Insbesondere wird eine erste eindimensionale Umfangslage eines Objektes 10 durch einen Azimutwinkel, also eine insbesondere horizontale Umfangswinkelposition, ausgehend von einem vordefinierten Zentrumspunkt beschrieben. In den Figuren 1 und 4 entspricht der Zentrumspunkt dem Mittelpunkt der Vorrichtung oder dem Quellpunkt der abgegebenen Lichtimpulse 1 1 , 12. Eine horizontal umfängliche Auflösung und Abbildung der Umgebung kann so erhalten werden. Insbesondere wird eine zweite eindimensionale Umfangslage eines Objektes 10 durch einen Polarwinkel, also eine insbesondere vertikale Umfangswinkelposition, ausgehend von einem vordefinierten Zentrumspunkt beschrieben.
Insbesondere erlauben der Azimutwinkel und der Polarwinkel zusammen eine zweidimensionale Beschreibung der Umfangslage.
Insbesondere wird eine laterale eindimensionale Lage eines Objektes 10 durch den lateralen Abstand von einem vordefinierten Zentrumspunkt beschrieben. Der laterale Abstand kann dem Radius einer Polar- oder Kugel koordinatensystems entsprechen. Der Zentrumspunkt kann dem Ursprungspunkt des Polar- oder Kugelkoordinatensystems entsprechen. Insbesondere erlauben der laterale Abstand und der Azimutwinkel oder der laterale Abstand und der Polarwinkel jeweils eine zweidimensional aufgelöste Beschreibung der Umfangslage.
Insbesondere erlauben der laterale Abstand, der Azimutwinkel und der laterale Abstand zusammen eine dreidimensional aufgelöste Beschreibung der Umfangslage.
Insbesondere wird der durch die Eingangsoberfläche, das Eingangsende und/oder die Lichtleiter-Einheit erfassbare Abschnitt der Umgebung in Abhängigkeit von dessen Lage und Ausrichtung einem Azimutwinkel oder Azimutwinkelbereich und/oder einem Polarwinkel oder einem Polarwinkelbereich zugeordnet. Ein an dieser Eingangsoberfläche, Eingangsende oder Lichtleiter-Einheit erfasster Rückkehr-Lichtimpuls wird dann einem Azimutwinkel oder Azimutwinkelbereich und/oder einem Polarwinkel oder einem Polarwinkelbereich zugeordnet. Eine zweidimensional aufgelöste Detektion kann so ermöglicht werden.
Insbesondere wird die laterale Lage durch die Laufzeit eines Lichtimpulses ermittelt, also der Zeitdauer zwischen Abgeben eines Lichtimpulses 1 1 , 12 und der Detektion dessen Rückkehr-Lichtimpuls. Vorzugsweise beschreibt die laterale Lage den Abstand eines Objekts 10 zu einem vordefinierten Zentrumspunkt, bevorzugt dem Mittelpunkt der Vorrichtung oder dem Quellpunkt der abgegebenen Lichtimpulse 1 1 , 12. Eine laterale Auflösung kann so erhalten werden. Objekten 10 können somit in Verbindung mit dem Azimutwinkel und/oder Polarwinkel zweidimensional oder dreidimensional räumlich aufgelöst detektiert, ausgewertet und abgebildet werden. Ein typisches Beispiel ist eine Distanz von 50 m für ein Fahrzeug, die auf diese Weise besonders zuverlässig aus der Zeitauflösung der Auslese-Elektronik 8, 9 oder einer externen Auswertungseinheit, z.B. Computer 13, im Verhältnis zur Laufzeit des Lichtpulses ermittelt werden kann. Die Auslese-Elektronik 8, 9, insbesondere der FPGA 14, oder die externe Auswertungseinheit, insbesondere Computer 13, sind so eingerichtet, konfiguriert und/oder programmiert, dass der Zeitpunkt des Auftreffens eines Rückkehr-Lichtimpuls auf einen Pixel und der Kanal oder die Zuordnung dieses Pixels mit einer Auflösung von ungefähr 10 ns bestimmt werden kann.
Grundsätzlich ist es möglich, durch eine Gleichung, z.B. Messfehler gleich Stichprobe geteilt durch Sigma, eine passende Stichprobengröße für eine gewünschte Auflösung zu ermitteln. Durch die Kombination verschieden langer Pulse (in Fig. 4 und 5 mittels durchgezogener und gestrichelter Linien unterschieden) kann ferner zur lateralen Auflösung noch ein quasi-Anger Modus verwendet werden. Dann können bei feststehender Vorrichtung dennoch die Vorteile eines rotierenden Systems erreicht werden, wie anhand der Figur 4 und 5 illustriert. Der Zeitversatz der verschiedenen Kanäle bzw. Pixel 21 , 22 und der durch verschieden lange Pulse kodierten Lichtimpulse kann so ausgewertet und zur Bestimmung objektbezogener Eigenschaften genutzt werden.
In Figur 4 wird ein erster kodierter Lichtimpuls 1 1 (durchgezogene Linie) und zeitlich versetzt ein zweiter kodierter Lichtimpuls 12 (gestrichelte Linie) von einer Strahlquelle, insbesondere einem Laser, abgegeben, insbesondere als ein defokussierter Laserstrahl oder ein Lichtblitz. Wie Figur 4 zeigt, breiten sich der erste Lichtimpuls 1 1 und zweite Lichtimpuls 12 von oben betrachtet gleichförmig in alle Richtungen aus. Ein defokussierter Laserstrahl kann grundsätzlich so abgegeben werden, dass er sich scheibenförmig ausbreitet. Ein Lichtblitz kann so abgegeben werden, dass er sich kugelförmig ausbreitet.
Ein Objekt 10 reflektiert oder streut sowohl den ersten Lichtimpuls 1 1 als auch den zweiten Lichtimpuls 12 zurück zur Vorrichtung in Form von Rückkehr-Lichtimpulsen (in Fig. 4 nicht dargestellt).
Ferner in Figur 4 abgebildet sind zwei benachbarte Lichtleiter-Einheiten 1 , 2, von denen die Lichtleiter-Einheit 1 die von ihr erfassten Rückkehr-Lichtimpulse auf einen Pixel 21 umlenkt und die benachbarte Lichtleiter-Einheit 2 die von ihr erfassten Rückkehr-Lichtimpulse auf den benachbarten Pixel 22 umlenkt. Das Pixel 21 ist einem ersten Kanal zugeordnet und bei Detektion eines Rückkehr-Lichtimpulses wird ein entsprechendes Ausgangssignal insbesondere analog über den Ausgang 9 an die Auslese-Elektronik 8, 9 ausgegeben und weiterverarbeitet. Analog dazu ist auch das benachbarte Pixel 22 einem eigenen Kanal mit einer eigenen insbesondere analogen Ausgang 9 zugeordnet.
Aufgrund der Kodierung ist der erste Rückkehr-Lichtimpulse von dem zweiten Rückkehr-Lichtimpulse unterscheidbar, wie Figur 5 zeigt.
Die Figur 5 zeigt die Messdiagramme des dem Pixel 1 zugeordneten Kanals und des dem benachbarten Pixels 2 zugeordneten Kanals. In den Messdiagrammen sind auf der vertikalen Achse die Intensität des Pixels 1 und die Intensität l2 des benachbarten Pixels 2 über die Zeit aufgetragen. Die durchgezogene Linie markiert in beiden Messdiagrammen den ersten Rückkehr-Lichtimpuls, der dem ersten kodierten Lichtimpuls 1 1 durch die Signalverarbeitung und Auswertung zugeordnet wurde. Die gestrichelte Linie markiert in beiden Messdiagrammen den zweiten Rückkehr-Lichtimpuls, der dem zweiten kodierten Lichtimpuls 12 durch die Signalverarbeitung und Auswertung zugeordnet wurde.
Da sich das Objekt 10 verglichen mit der Lichtleit-Einheit 1 näher an der benachbarten Lichtleit-Einheit 2 bzw. dessen Eingangsoberfläche befindet, wurden der erste und zweite Rückkehr-Lichtimpuls zuerst von dem benachbarten Pixel 2 detektiert und erst zeitlich versetzt an dem Pixel 1 .
Die Figur 3 zeigt links einen Mehrkanalphotomultiplier 8 der über vorzugsweise vier mal sechzehn (also vierundsechzig) insbesondere analoge Ausgänge 9 an vier integrierte Schaltungseinheit 16, insbesondere ASIC mit jeweils sechszehn Eingängen angeschlossen ist. Ein ASIC ist die Abkürzung für eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl, „application-specific integrated circuit" und wird auch „Custom Chip" genannt. Durch den Einsatz eines ASIC als integrierte Schaltungseinheit kann eine besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden. Vorzugsweise sind alle integrierten Schaltungseinheiten 7 in einem ersten Bauteil 17 zusammengefasst, um einen kompakten Aufbau zu unterstützen. Die integrierten Schaltungseinheiten 16 bzw. das erste Bauteil 17 übernehmen die Funktion Verstärker, Diskriminator und Analog-Digitalwandlung für das Mess-Signal. Der Diskriminator sorgt dafür, dass aus der Vielzahl der gemessenen Signale des Mehrkanalphotomultipliers 8 die Nutzsignale herausgefiltert werden. Die durch die integrierte Schaltungseinheit 16 herausgefilterten Signale werden an das zweite Bauteil 18 mit einer Logikbausteineinheit übermittelt und zwar vorzugsweise in digitaler Form. Die Logikbausteineinheit ist vorzugsweise der FPGA 14. Ein FPGA ist die Abkürzung für engl. „Field Programmable Gate Array". Ein FPGA ist ein insbesondere digital arbeitender integrierter Schaltkreis, in welchen eine logische Schaltung geladen werden kann. Durch den Einsatz eines FPGA 14 als die Logikbausteineinheit kann ein fertig aufbereitetes Mess-Signal besonders zuverlässig und einfach bereitgestellt werden. Ferner erlaubt ein FPGA eine Programmierung zur räumlich aufgelösten Auswertung der Messsignale. Insbesondere ordnet der FPGA 14 einem Mess-Signal, der von der integrierten Schaltungseinheit 16 durch ein erstes Verarbeiten analog bereitgestellt und durch den Mess-Signal-A D-Wandler 25 digital an den FPGA übermittelt worden ist, das Pixel 5 auf der Detektorfläche 4, also z.B. die Lage oder die Nummer eines Pixel zu. Zudem versoejt der FPGA das Mess-Signal vorzugsweise mit einem Zeitstempel und/oder rechnet bei Bedarf z.B. die Pulshöhe als eine Messinformation in eine entsprechende Einheiten um.
Die so aufbereiteten Daten werden durch dem FPGA 14 über eine Schnittstelle 19 beispielsweise einem Computer 13 zugeleitet. Ein Computer 13 kann z.B. eine integrierte Rechnereinheit eines Fahrzeugs sein.
Die in Klammern gesetzten Zahlen die Anzahl der in der abgebildeten Ausführungsform eingesetzten Leitungen, die vereinfacht nur durch eine Linie dargestellt sind. D.h. sechzehn Leitungen verlaufen von dem Mehrkanalphotomultiplier 8 zu jeder der vier integrierten Schaltungseinheiten 16.
Die integrierten Schaltungseinheiten 16, die in Form eines Chips vorliegen, dienen als Verstärker und Diskriminator und können optional zusätzlich auch eine Analog- Digital-Umwandlung vornehmen. Insbesondere verfügt jeder der vier Chips bzw. integrierten Schaltungseinheiten 16 über sechzehn Signaleingänge. So wird erreicht, dass für jeden Pixel der Detektionsfläche 4 ein eigener Signaleingang in den Chip bzw. die integrierte Schaltungseinheit 16 zur Verfügung steht. Die Chips bzw. integrierten Schaltungseinheiten 16 sind in logischer Hinsicht vorzugsweise parallel geschaltet. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch eine besonders zuverlässige und schnelle Funktionsweise erzielt werden kann.
Um die Verarbeitung zu steuern, gibt es serielle Steuerungsleitungen 20, über die der FPGA 14 die integrierten Schaltungseinheiten 16 steuert, beispielsweise die Diskriminierung oder Konfiguration.
Über den FPGA 14 kann bevorzugt eine Kalibrierung durchgeführt. Dafür ist eine Kalibrationsleitung 30 und eine insbesondere analoge Kalibrierungsleitung 29 vorgesehen. Die Kalibrationsleitung 30 umfasst einen D/A-Wandler 28. Weiter gibt es eine Photomultiplier-Simulationseinheit 24, insbesondere eine oder mehrere Kapazitäten, die dafür zuständig sind, einen Photomultiplier zu simulieren. Der FPGA 14 gibt ein digitales Kalibrationssignal aus. Dieses wird über den D/A-Wandler 28 in ein analoges Kalibrationssignal umgewandelt und anschließend in Kapazitäten eingespeist. Die Kapazitäten simulieren nun einen Photomultiplier. Das sich hieraus ergebende Simulations-Signal wird dann an die Chips, also die integrierten Schaltungseinheiten 16 weitergeleitet. Im Anschluss daran geben die integrierten Schaltungseinheiten 16 ein Digitalsignal aus. Dieses wird dann kalibriert, so dass alle integrierten Schaltungseinheiten 16 in Reaktion auf ein gleiches Eingangssignal ein gleiches Ausgangssignal erzeugen. Auch der Mehrkanalphotomultipliers 8 reagiert in der Regel unterschiedlich. Diese unterschiedlichen Reaktionen sind jedoch vorher bekannt und werden in dem FPGA 14 hinterlegt, so dass auch hier ein Abgleich bzw. eine Kalibrierung vorgenommen werden kann. Verarbeitete oder durchgeleitete Signale der integrierten Schaltungseinheiten 16 können über Trigger-Leitungen 27 und/oder ein oder zwei differential analoge Leitung 26 an den FPGA 14 übermittelt werden. Insbesondere können die Trigger- Leitungen 27 dazu genutzt werden, schnell eine binäre Information zu übermitteln, beispielsweise das Auftreten einer Detektion an einem bestimmten Pixel. Die übrigen Trigger-Leitungen 27 werden dann blockiert, um eine besonders schnelle Übermittlung und Verarbeitung der Übermittlung seitens der FPGA 14 zu ermöglichen. Alternativ oder ergänzend können die Trigger-Leitungen 27 auch zur Übermittlung der analogen Signale oder analog-digital umgewandelten Signale der einzelnen Pixel genutzt werden. Die differential analoge Leitung oder Leitungen 26 werden vorzugsweise zur Übermittlung von Messdaten genutzt.
Insbesondere sind auf dem zweiten Bauteil 18 insgesamt der FPGA zusammen mit dem A/D-Wandler 25, dem D/A-Wandler 28, bevorzugt der Photomultiplier- Simulationseinheit sowie die Schnittstelle 19 angeordnet. Ein besonders kompakter Aufbau kann so realisiert werden.
Vorzugsweise ist der Mehrkanalphotomultiplier 8 ein Hamamatsu Flat-Planel MaPMT H8500 mit 8x8 PMTs.
Vorzugsweise ist die integrierte Schaltungseinheit 16 ein Ideas IDE3465 von der Fa. Ideas Integrated Detector Electronics AS. Grundsätzlich kann die Vorrichtung für Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeuge eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend ist grundsätzlich durch die Vorrichtung eine Bestimmung von Turbulenzen an Windrädern oder von Verunreinigungen durch Partikel in der Atmosphäre möglich. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass separat und unabhängig von den Lichtleiter-Einheiten ein einzelner Lichtimpuls von der Vorrichtung abgegeben wird, sich in verschiedene Richtungen ausgehend von der Vorrichtung ausbreitet und an einem Objekt in Form eines Rückkehr-Lichtimpulses aus verschiedenen Richtungen zur Vorrichtung rückreflektiert werden kann, wobei die zwei Lichtleiter-Einheiten in Abhängigkeit von den verschiedenen Richtungen der Rückreflektion jeweils einen unterschiedlichen Teil des Rückkehr-Lichtimpulses erfasst und jeweils den erfassten Teil auf die gemeinsame Detektionsfläche umlenken können. Dies wird insbesondere in den Figuren 2 und 4 dargestellt.
In einer Ausführungsform deckt der von der Vorrichtung abgegebene Lichtimpuls einen größeren Winkelbereich ab als eine einzelne Lichtleiter-Einheit zu erfassen vermag, derart, dass eine einzelne Lichtleiter-Einheit, bevorzugt beide Lichtleiter- Einheiten, nicht dazu in der Lage ist bzw. sind, den gesamten an einem ebenen Objekt rückreflektierten Rückkehr-Lichtimpuls alleine bzw. zusammen zu erfassen.
In einer Ausführungsform wird der Lichtimpuls durch eine Optik der Vorrichtung abgegeben, die alleine einen Abstrahlwinkelbereich von 360° erlaubt. Der von der Vorrichtung abgegebene Lichtimpuls wird grundsätzlich nicht über die Lichtleiter-Einheiten weitergeleitet oder abgegeben. Bevorzugt ist dazu die Optik zur Abgabe des Lichtimpulses von den Lichtleiter-Einheiten örtlich getrennt, d.h. keine Lichtleiter-Einheit befindet sich im Strahlengang des abgegebenen Lichtimpulses. Insbesondere sind die Lichtleiter-Einheiten so eingerichtet, dass der Rückkehr- Lichtimpuls durch die Lichtleiter-Einheiten direkt auf eine gemeinsame Detektionsfläche weiterleitet und dazu umgelenkt wird, insbesondere jeweils durch Biegung der Lichtleiter-Einheiten, bevorzugt um mehr als 45° oder 60°. Zwischen einem Ende einer Lichtleiter-Einheit, die einen Teil des Rückkehr-Lichtimpulses einkoppelt, und dem anderen Ende, das diesen Teil auf einen Pixel der gemeinsamen Detektionsfläche ausgekoppelt, gibt es also kein zusätzliches Bauteil. In einer weiterentwickelten Ausführungsform sind die Lichtleiter-Einheiten, insbesondere Lichtleitfasern, durch ein optisches Gel oder Kleber mit der Detektionsfläche, insbesondere eines Photomultipliers, verbunden. Die Lichtleiter- Einheiten sind also jeweils mit demjenigen Ende, das einen Teil des Rückkehr- Lichtimpulses auf einen Pixel der gemeinsamen Detektionsfläche auskoppelt, durch ein optisches Gel oder Kleber auf diesen Pixel aufgebracht. Eine deutliche Verbesserung der übertragenen Lichtmenge kann so erzielt werden. Insbesondere überwiegt dieser Vorteil gegenüber dem damit möglicherweise einhergehenden Nachteil eines erhöhten Übersprechens zwischen den Kanälen.
Weiter oben wurden Ausführungsformen beschrieben, die es durch Signalverarbeitung und Auswertung erlauben, dass die Vorrichtung einen abgegebenen Lichtimpuls 1 1 , 12 so zu kodieren vermag, dass dessen Rückkehr- Lichtimpuls anhand der Kodierung dem vorgenannten kodierten Lichtimpuls 1 1 , 12 zugeordnet werden kann. Alternativ oder ergänzend dazu ist in einer weiterentwickelten Ausführungsform vorgesehen, Rückkehr-Lichtimpulse mithilfe eines Analysators unterscheidbar zu machen und/oder einem bestimmten abgegebenen Lichtimpuls 1 1 , 12 zuordnen zu können. Mehrere entsprechend verschiedene abgegebene Lichtimpulse 1 1 , 12 können dazu vorgesehen werden.
Eine Unterscheidung von Rückkehr-Lichtimpulsen anhand physikalischer Eigenschaften und physischer Unterschiede kann durch den Einsatz mindestens eines Analysators bereits vor der Verarbeitung in der Auswerteelektronik erzielt werden. Eine besonders einfach aufgebaute Auswertelektronik kann somit für eine zuverlässige Zuordnung eingesetzt werden. Zudem kann eine besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit der Auswertelektronik erreicht werden, weil ein Teil der sonst durch die Auswertungselektronik erfolgten Aufgaben, z.B. eine Unterscheidung als Ergebnis einer Dekodierung, ohne Zeitverlust durch den Analysator erfolgt.
In einer weiterentwickelten Ausgestaltung ist der Analysator ein Polfilter. Ein Polfilter erlaubt ein technisch besonders einfaches Anbringen und Aufbringen. In einer weiterentwickelten Ausgestaltung ist der Analysator ein Farbfilter, Tiefpassfilter, Hochpassfilter und/oder Bandfilter, vorzugsweise in Bezug auf die Wellenlänge der Rückkehr-Lichtimpulse. Eine besonders präzise Unterscheidung anhand physikalischer Eigenschaften und physischer Unterschiede kann auf diese Weise erzielt werden.
In einer weiterentwickelten Ausführungsform wird der Analysator an das eine Ende der Lichtleiter-Einheit aufgebracht, in das ein Teil des Rückkehr-Lichtimpulses einkoppelt wird. In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung wird der Analysator zwischen der Detektionsfläche und der Lichtleiter-Einheit angeordnet, bevorzugt zwischen der Detektionsfläche und demjenigen Ende der Lichtleiter- Einheit, das einen Teil des Rückkehr-Lichtimpulses auf einen Pixel der gemeinsamen Detektionsfläche auskoppelt. In einer Ausführungsform werden mehrere abgegebene Lichtimpulse 1 1 , 12 in die gleiche Richtung gerichtet, also in die gleiche Richtung abgegeben. Die Informationsdichte kann dadurch direkt vervielfacht werden. Somit kann besonders einfach beispielsweise ausgewertet werden, ob es sich bei einem Rückkehr- Lichtimpuls um reflektiertes oder gestreutes Licht handelt oder um Wirkungen eines Dopplereffekts z.B. in Bezug auf Wellenlänge und Abstand. Insgesamt wird eine Untersuchung der Umgebung ermöglicht, die über eine reine räumliche Detektion eines Objektes hinaus geht.
In einer Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere mit mindestens einem Analysator, zur Untersuchung von Turbulenzen im Luftraum verwendet.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung, insbesondere eine Lidar-Vorrichtung, zur räumlichen Detektion eines Objekts (10) und/oder zur Eigenschaftsbestimmung mittels eines rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils mindestens eines von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpulses (1 1 , 12), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Lichtleiter-Einheiten (1 , 2, 3) umfasst, die einen Rückkehr- Lichtimpuls des rückreflektierten oder rückgestreuten Anteils aus verschiedenen Richtungen auf eine Detektionsflache (4) umlenken können.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter-Einheiten (1 , 2, 3) jeweils eine gebogene Lichtleitfaser, vorzugsweise Glasfaser, oder einen gebogenen Stab aus lichtleitendem Material, vorzugsweise Plexiglas, umfassen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter-Einheiten (1 , 2, 3) jeweils ein auf die Detektionsflache (4) gerichtetes Ausgangsende (6) und ein nach außen gerichtetes Eingangsende (7) aufweisen.
4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsende (7) und das Ausgangsende (6) unterschiedliche Orientierungen mit einer Winkeldifferenz von mindestens 5°, bevorzugt mindestens 30°, und/oder höchstens 175°, bevorzugt höchstens 150°, aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsoberfläche (31 , 33) oder Querschnittsfläche des Eingangsendes (7) größer ist als die Ausgangsoberfläche oder Querschnittsfläche des Ausgangsendes (6).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsfläche (4) in mehrere Pixel (5, 21 , 22, 23) untergliedert ist und/oder mehrere aneinander angrenzende Pixel (5, 21 , 22, 23) die Detektionsfläche (4) bilden.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtleiter-Einheit (1 , 2, 3) auf jeweils einen Pixel (5, 21 , 22, 23) der Detektionsfläche (4) gerichtet ist, damit ein von der Lichtleiter- Einheit (1 , 2, 3) erfasster Rückkehr-Lichtimpuls auf das Pixel (5, 21 , 22, 23) umgelenkt wird, das dieser Lichtleiter-Einheit (1 , 2, 3) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Fixiereinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass die Fixiereinrichtung eine Lichtleiter-Einheit (1 , 2, 3) in einer vordefinierten, räumlichen Position relativ dem Pixel (5, 21 , 22, 23) fest fixiert, der dieser Lichtleiter-Einheit (1 , 2, 3) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsoberfläche (31 , 33) einer Lichtleiter-Einheit (1 , 2, 3) parallel zu der Detektionsfläche (4) ausgerichtet ist und/oder in einer vordefinierter Distanz oberhalb von einem dieser Lichtleiter-Einheit (1 , 2, 3) zugeordneten Pixel (5, 21 , 22, 23) angeordnet ist, bevorzugt in einer Distanz von kleiner als 2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 1 mm.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsfläche (4) durch einen Mehrkanalphotomultiplier (8) bereitgestellt wird, der jedem Pixel (5, 21 , 22, 23) der Detektionsfläche (4) einen eigenen Kanal und/oder Signalausgang (7) zuordnet.
1 1 .Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass der von der Vorrichtung abgegebene Lichtimpuls (1 1 , 12) sich über einen Abstrahlwinkelbereich von mindestens 90°, bevorzugt 180°, besonders bevorzugt 360° nach außen erstreckt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen abgegebenen Lichtimpuls (1 1 , 12) so zu kodieren vermag, dass dessen Rückkehr-Lichtimpuls anhand der Kodierung dem vorgenannten kodierten Lichtimpuls (1 1 , 12) zugeordnet werden kann.
13. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung durch eine bestimmte Pulslänge oder eine bestimmte Wellenlänge erfolgt.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Laser, bevorzugt Nd:YAG-Laser oder Diodenlaser, zum Generieren des mindestens einen von der Vorrichtung abgegebenen Lichtimpulses (1 1 , 12) aufweist.
15. Fahrzeug mit der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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