WO2021139919A1 - Lidar sensor and method for optically capturing a field of view - Google Patents

Lidar sensor and method for optically capturing a field of view Download PDF

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WO2021139919A1
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lidar sensor
single photon
view
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Thomas Maurer
Annemarie Holleczek
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a LIDAR sensor for optically detecting a field of view and a method for optically detecting a field of view.
  • DE 10 2016219 955 A1 discloses a transmission unit for illuminating an environment, in particular a vehicle, with a laser pattern generation unit, a deflection unit and a control unit, the laser pattern generation unit being set up to generate an illumination pattern in a field of view, the illumination pattern having a first direction and a second Direction, wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, wherein an extent of the illumination pattern along the first direction is greater than an extent of the illumination pattern along the second direction, and the control unit is set up, the deflection unit at least along the second direction to move so that the illumination pattern is moved at least along the second direction.
  • the present invention is based on a LIDAR sensor for the optical detection of a field of view, having a transmission unit with a laser pattern generation unit arranged on a stator for the transmission of primary light into the field of view; and wherein the laser pattern generation unit is temperature-stabilized, and wherein the
  • Laser pattern generation unit is formed, an illumination pattern in the To generate field of view, wherein the illumination pattern has a first direction and a second direction, wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, wherein an extension of the illumination pattern along the first direction is greater than an extension of the illumination pattern along the second direction; a receiving unit with at least one single photon detector unit arranged on the stator for receiving secondary light which has been reflected and / or scattered in the field of view by an object; at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being oriented parallel to the first direction; and wherein the primary light and the secondary light can be coupled out and in by means of the mirror unit perpendicular to the axis of rotation.
  • the LIDAR sensor presented here is therefore designed as a macro scanner.
  • a person skilled in the art understands a macro scanner to be an optoelectronic sensor in which a macroscopic unit is rotatably arranged.
  • the mirror unit arranged on the rotor can be understood as the macroscopic unit.
  • the field of view (FoV) of the LIDAR sensor can be scanned over time with the primary light.
  • the resolution along one direction of the field of view, in particular along the horizontal direction can be implemented in fine steps with the aid of an angle measurement.
  • This direction of the field of view, along which the field of view can be scanned is preferably arranged parallel to the second direction of the illumination pattern.
  • the laser pattern generation unit has in particular at least one laser.
  • the at least one laser can be designed as a DFB laser (DFB: for Distributed Feedback, DFB), as a DBR laser (DBR: for Distributed Bragg Reflector), as a temperature-stabilized edge or surface emitter or as a temperature-stabilized solid-state laser.
  • DFB laser for Distributed Feedback
  • DBR DBR laser
  • a DFB laser or a DBR laser can already be a temperature-stabilized laser.
  • Edge or surface emitters or solid-state lasers can be temperature-stabilized by means of additional units.
  • the fact that the laser pattern generation unit, or in particular the at least one laser, is embodied in a temperature-stabilized manner, can in this way It can be understood that it can be achieved that the properties of the LIDAR sensor, and in particular of the laser pattern generation unit, can be kept stable over an entire operating temperature range of the LIDAR sensor.
  • the operating temperature range of a LIDAR sensor can include a temperature range of -40 ° C to +125 ° C, for example.
  • the temperature stabilization can cause a wavelength of the primary light as a possible property of the laser pattern generation unit to be stable over the operating temperature range.
  • the temperature stabilization can have the effect that the primary light has a very narrow bandwidth over the operating temperature range. It is possible that the laser pattern generation unit neither has to be heated up during start-up nor cooled during operation in order to keep the wavelength of the primary light stable, for example.
  • the laser pattern generation unit is designed in particular to emit the primary light in a pulsed manner.
  • the laser pattern generation unit is designed in particular to emit the illumination pattern in a pulsed manner.
  • the laser pattern generation unit can thus be designed to emit the primary light as an illumination pattern.
  • the illumination pattern is in particular as a line, a rectangle or a pattern, e.g. B. a checked pattern.
  • the first direction of the illumination pattern is arranged parallel to a vertical direction of the field of view.
  • the second direction of the illumination pattern is arranged parallel to a horizontal direction of the field of view.
  • the laser pattern generation unit can have a single laser with high divergence along the first direction of the illumination pattern.
  • the laser pattern generation unit can have a plurality of lasers which are designed to generate the illumination pattern.
  • the plurality of lasers can be arranged in a column, for example. Relatively soon after exiting the LIDAR sensor (immediately or after a few centimeters), a coherent illumination of the field of view with the illumination pattern, which is increasingly homogeneous over the distance to the LIDAR sensor, can arise in the optical path of the transmitter unit.
  • the fact that the laser pattern generation unit is arranged on the stator can be understood to mean that the laser pattern generation unit is arranged in a stationary (or, in other words, stationary) arrangement.
  • the single photon detector unit has in particular at least one single photon detector.
  • the at least one single photon detector can be designed, for example, as a SPAD (for single photon avalanche diode) or as a SiPM (for silicon photon multiplier).
  • a SiPM detector unit has a large number of SPADs in a special circuit.
  • the single photon detector unit is designed for counting single photons.
  • the single photon detector unit can have a plurality of single photon detector cells.
  • the single photon detector unit can be designed, for example, as a one-dimensional arrangement of a plurality of single photon detector cells. Regardless of which laser emits primary light from a plurality of lasers, a single photon detector cell can receive secondary light, for example in the form of photons.
  • the single photon detector unit can be constructed using BSI technology (BSI: for backside illumination). For this purpose, individual single photon detector cells can be arranged almost without gaps on only extremely small chip areas.
  • BSI backside illumination
  • the fact that the single photon detector unit is arranged on the stator can be understood to mean that the single photon detector unit is arranged in a stationary manner (or, in other words, also in a stationary manner).
  • the single photon detector unit is designed to detect a detection pattern which is identical to the illumination pattern.
  • the single photon detector unit receives in particular secondary light from a predetermined section of the field of view in which the primary light was previously emitted by means of the laser pattern generation unit. The transmission of the primary light and the reception of the secondary light preferably take place simultaneously over the predetermined section of the field of view.
  • the laser pattern generation unit and the single photon detector unit can be arranged separately on the stator.
  • the laser pattern generation unit and the single photon detector unit can be arranged next to one another or one above the other on the stator.
  • the optical path of the transmitting unit between the laser pattern generation unit and the rotatable mirror unit and the optical path of the receiving unit between the rotatable mirror unit and the single photon detector unit can run separately or overlapping, one above the other or next to one another.
  • the optical path of the sender unit and the optical path of the receiving unit can be biaxial, coaxial or partially coaxial with one another.
  • the LIDAR sensor can have an electric drive unit, for example a flat, brushless electric motor.
  • the primary light can be decoupled from the LIDAR sensor into the field of view, in other words emitted.
  • Secondary light from the field of view can be coupled, in other words received, into the LIDAR sensor by means of the mirror unit.
  • the field of view can in particular have an extension of 120 to 145 ° along a horizontal direction.
  • the LIDAR sensor also has, in particular, at least one evaluation unit.
  • the at least one evaluation unit is designed to determine a light transit time of the primary light emitted and the secondary light received again.
  • the distance between the LIDAR sensor and an object in the field of view can be determined, for example, on the basis of a signal transit time (time of flight, TOF).
  • the time-of-flight methods include pulse methods that determine the time at which a reflected laser pulse is received, or phase methods that emit an amplitude-modulated light signal and determine the phase offset to the received light signal.
  • Time-correlated single photon counting (TCSPC) can be implemented for a ToF system.
  • the measuring time or the number of pulses per pixel can be higher.
  • the resolution can be increased along at least one direction of the field of view.
  • the resolution along a vertical and / or along a horizontal direction of the field of view can be increased.
  • a very high angular resolution, for example 0.1 * 0.1 °, can be achieved.
  • the field of view can be scanned using a gapless illumination with primary light.
  • the secondary radiation can also be recorded at the same time virtually seamlessly with the help of, for example, a one-dimensional arrangement of several single photon detector cells. This reduces the probability of movement artifacts in the measurement data from the LIDAR sensor. The risk of overlooking objects in the field of view can be reduced.
  • the output of the primary light emitted must be significantly lower than, for example, with a LIDAR sensor working according to a flash system.
  • the energy consumption of the LIDAR sensor can be kept low compared to a flash system.
  • the eye safety of the LIDAR sensor can be improved compared to a flash system.
  • the use of the SPAD or SiPM detectors enables time-correlated single photon counting.
  • the single photon detector unit can be kept small. Such a single photon detector unit requires less energy, generates less waste heat in the device and improves eye safety.
  • the LIDAR sensor has an optimized temperature behavior.
  • the optimized temperature behavior enables the use of a very narrow bandpass filter (e.g. bandwidth ⁇ 10 nm) in the optical path of the receiving unit. This means that a proportion of useful photons, i.e. photons that can be used to capture the field of view, is greater than a proportion of interfering photons, i.e. photons that interfere with the capture of the field of vision, for example strongly luminous objects, background light or Scattered radiation.
  • the LIDAR sensor can thus be robust against environmental influences. With changes in the ambient temperature of the LIDAR sensor, but also with other disturbances such as background light, there is little or no change in the measurement properties of the LIDAR sensor. As a result, the LIDAR sensor can also have an increased range that remains the same when the ambient temperature changes. A separation of the optical path of the transmitting unit and the optical path of the receiving unit is not necessary. In this way, for example, the mirror unit can be kept small.
  • the LIDAR sensor can furthermore be particularly flat at least along one extension of its housing.
  • the LIDAR sensor can, for example, have a flat overall height.
  • the rotatable mirror unit which can be electrically and optically passive, generally requires no wireless energy transmission, no wireless data transmission and no temperature control.
  • an active laser material of the laser pattern generation unit is periodically structured; and wherein the laser pattern generation unit is designed in particular as a DFB laser unit or as a DBR laser unit. Structures with changing refractive indices can form a one-dimensional interference grating or a one-dimensional interference filter.
  • the laser pattern generation unit can be a single DFB or DBR laser unit with an asymmetrical divergence angle.
  • the laser pattern generation unit can alternatively be a one-dimensional arrangement of several DFB laser units or DBR laser units. The advantage of this configuration is that the spectral width of such a laser pattern generation unit is very small.
  • deviations from the set wavelength are, for example, in the range of 10 5 nm.
  • a corresponding laser pattern generation unit thus has very good temperature stabilization. If, on the other hand, a change in the wavelength of the laser pattern generation unit is desired, this can be generated in the case of DFB lasers or DBR lasers by changing the current within a short period of time. This type of wavelength change is much faster than a wavelength change via a change in temperature.
  • a laser pattern generation unit with the features described here can be inexpensive.
  • the laser pattern generation unit is designed as a surface emitter or so-called VCSE laser (English for vertical cavity surface emitting). This allows the LIDAR sensor to be kept inexpensive. Such a laser pattern generation unit can furthermore have a better beam quality of the emitted primary light.
  • the single photon detector unit has a plurality of single photon detector cells; and wherein the plurality of single photon detector cells can be activated simultaneously.
  • the single photon detector cells can be designed as single photon avalanche diodes.
  • Single photon detector unit can have a plurality of pixels, at least some pixels each having a plurality of activatable single photon detector cells.
  • a single photon detector cell can be referred to as a subpixel.
  • the LIDAR sensor can furthermore have at least one linker which is designed to link detection signals representing received secondary light from at least two single photon detector cells of a pixel via a combinatorial logic.
  • So-called macropixels are created by linking at least two single photon detector cells of an image point.
  • the pixels of the single photon detector unit can be referred to as macropixels.
  • a single photon detector cell triggers an electrical pulse when a minimal amount of secondary light, for example in the form of photons, falls on a light-intensive area of the single photon detector cell.
  • the amount of secondary light can already be achieved with a single photon detection event, i.e. a single photon.
  • a single photon detector cell can accordingly be very sensitive.
  • the advantage of this embodiment is that the dynamic range of the single photon detector unit can be increased.
  • the image points, i.e. macropixels, enable the use of the otherwise mostly sensitive single photon detector cells.
  • the performance of a pixel can be optimized independently of the optically necessary size. In the case of a defective single photon detector cell of a pixel, not the entire pixel fails. The light yield of a pixel is thus increased in the case of a defective single photon detector cell.
  • the area to be evaluated can be adapted to the Single photon detector unit in the subpixel area are made possible. This allows the single photon detector unit to be easily adapted to the transmitter unit of the LIDAR sensor.
  • both systematic sources of error e.g. electrical offsets, constant components in the background lighting
  • stochastic sources of error e.g. electrical and thermal noise
  • the single photon detector unit is designed as a SPAD or SiPM detector unit.
  • the single photon detector unit has several SPAD single photon detector cells or several SiPM single photon detector cells. Several single photon detector cells can be active at the same time, i.e. receive secondary light at the same time. If the single photon detector unit is designed as a SPAD detector unit, the evaluation of detection signals can take place statistically, for example via a histogram formation. If the single photon detector unit is designed as a SiPM detector unit, the evaluation of detection signals can take place statistically, for example via a histogram formation. Individually detected photons of a macropixel can be assigned to reception times.
  • Such a histogram can be formed in the picosecond to nanosecond range.
  • a reception time of the secondary light can be determined.
  • an intensity of the secondary light received can also be determined.
  • an original pulse shape of the primary light can also be reconstructed. Due to the illumination pattern, such a statistical evaluation can take place in particular more easily and quickly.
  • the advantage of this embodiment is that, for example, compared to an APD (avalanche photodiode), the output signal does not scale linearly with a number of photons.
  • the output signal is a current (avalanche effect, mass flow of electrons in an electrical field of a PN junction). This output signal is usually tapped as a voltage with the aid of a circuit.
  • An A / D conversion then converts the signal to a selected interface, for example as a binary code.
  • a smaller number of photons is necessary for evaluation.
  • improved histogram formation can be achieved with a large number of incoming photons on several SPAD detector units.
  • the ToF per macropixel can be recorded as soon as at least one SPAD single photon detector cell or one SiPM single photon detector cell registers a photon in a macropixel.
  • a SPAD or SiPM detector unit can be inexpensive.
  • SiPM single photon detector cell there is the further advantage that statistics over many pixels can be determined more quickly and without dead time of an individual detector.
  • the LIDAR sensor furthermore has an evaluation unit which is designed to assign at least one single photon detection event of the single photon detector unit to a time of reception.
  • the evaluation unit can thus be designed to determine a light transit time of the primary light emitted and the secondary light received again.
  • the distance between the LIDAR sensor and an object in the field of view can be determined, for example, on the basis of a signal transit time.
  • the LIDAR sensor has further optical and / or electronic elements, the further optical and / or electronic elements being arranged on the stator.
  • Further optical elements can for example be at least one mirror, in particular at least one fixed mirror, optical filters or optical lenses.
  • Further electronic elements can be, for example, controllable optical elements or at least one control device.
  • the receiving unit can have a more optical wavelength filter as a further optical element.
  • Such an optical wavelength filter can be very narrow-band (bandwidth ⁇ 10 nm).
  • the mirror unit is designed as a flat mirror unit with two mirror surfaces aligned parallel to the axis of rotation.
  • the advantage of this embodiment is that it enables a double sampling rate compared to simple playing areas. Compared to LIDAR sensors with polygon mirrors, a better resolution can be achieved, in particular along a horizontal direction of the field of view.
  • the mirror unit with the two mirror surfaces is designed in one piece or that the mirror unit with the two mirror surfaces is designed in several parts.
  • the advantage of the one-piece design is that such a mirror unit is simpler and more cost-effective to manufacture.
  • a multi-part mirror unit has, for example, two flat mirror elements each with a mirror surface, the two mirror surfaces facing away from each other, and an electric drive unit, for example a flat, brushless electric motor, arranged between the two mirror elements.
  • the advantage of the two-part design is that such a mirror unit can be less prone to failure.
  • the primary light and the secondary light can be coupled out and coupled in via an area of the mirror unit which is the same.
  • the advantage of this configuration is that the mirror unit can be kept small. This means that the LIDAR sensor can also be kept small.
  • the invention is further based on a method for optically detecting a field of view by means of a LIDAR sensor described above with the steps of emitting primary light into the field of view by means of a laser pattern generation unit of a transmission unit arranged on a stator, the laser pattern generation unit generating an illumination pattern in the field of view, and wherein the illumination pattern has a first direction and a second direction, wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, and wherein an extension of the Illumination pattern along the first direction is greater than an extension of the illumination pattern along the second direction.
  • the primary light is decoupled by means of at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being aligned parallel to the first direction, and the decoupling taking place perpendicular to the axis of rotation.
  • secondary light is coupled in, which was reflected and / or scattered in the field of view by an object by means of the mirror unit, the coupling taking place perpendicular to the axis of rotation.
  • the secondary light is received by means of at least one single photon detector unit of a receiving unit arranged on the stator.
  • the mirror unit in the step of coupling out the primary light, is rotated about the axis of rotation.
  • the rotation can be divided into several angular steps.
  • the field of view can be recorded with a predetermined angular resolution.
  • the number of angular steps required results from the size of the field of view and the angular resolution. For example, a 145 ° field of view can be captured with an angular resolution of 1/10 ° using 1450 angular steps.
  • Figure 1 First embodiment of a LIDAR sensor for optical
  • FIG. 3 examples of possible illumination patterns
  • FIG. 1 shows a plan view of a first exemplary embodiment of a LIDAR sensor 100.
  • the LIDAR sensor 100 has a housing 111. In the present example, this is angular.
  • the housing 111 can be designed as a symmetrical or asymmetrical angular housing. For example, it can be designed as a cuboid, the overall height of which is significantly less than its overall width or overall depth.
  • the housing 111 can be formed from metal. It can have an optical window made of plastic or glass.
  • the optical window can be transparent for primary light 106 and secondary light 107.
  • the optical window can be designed as a flat, vertically inclined or curved surface.
  • the optical window can have an anti-reflective coating.
  • the LIDAR sensor 100 has a laser pattern generation unit 101 for emitting primary light 106.
  • the laser pattern generation unit 101 is arranged on a stator 114.
  • the laser pattern generation unit 101 is designed to be temperature-stabilized.
  • an active laser material of the laser pattern generation unit 101 can be designed to be periodically structured for this purpose.
  • the laser pattern generation unit 101 can be designed as a DFB laser unit or as a DBR laser unit.
  • the laser pattern generation unit 101 is also designed to generate an illumination pattern in the field of view of the LIDAR sensor 100.
  • the laser pattern generation unit is designed to emit primary light 106 as an illumination pattern into the field of view of the LIDAR sensor 100.
  • the illumination pattern here has a first direction and a second direction, the first direction and the second direction being arranged orthogonally to one another. An extension of the illumination pattern along the first direction is greater than an extension of the illumination pattern along the second direction.
  • the laser pattern generation unit 101 emits primary light 106.
  • the primary light moves along an optical path of the transmission unit in the direction of a mirror unit 103 which can be rotated about an axis of rotation 104.
  • the LIDAR sensor 100 has further optical ones arranged on the stator 114 and / or electronic elements 108 and 109 along the optical path of the transmitter unit.
  • the elements 109 can be optical lenses.
  • the element 108 is designed as a stationary mirror unit for deflecting the primary light 106 in the direction of the rotatable mirror unit 103.
  • the rotatable mirror unit 103 is arranged on a rotor.
  • the axis of rotation 104 is aligned parallel to the first direction of the illumination pattern.
  • the mirror unit 103 rotates about the axis of rotation 104 along the direction 105.
  • the primary light 106 is coupled out by means of the mirror unit 103 perpendicular to the axis of rotation 104, in this example through the optical window 112. In this way, the primary light 106 is coupled out into the field of view of the LIDAR sensor 100. In the field of view, the primary light 106 can strike an object 113 located there.
  • the light reflected and / or scattered by such an object 113 can be received as secondary light 107 by the LIDAR sensor 100.
  • the LIDAR sensor 100 has a receiving unit with a single photon detector unit 102 arranged on the stator 114.
  • the secondary light 107 is received through the optical window 112 in this example and is coupled in perpendicular to the axis of rotation 104 by means of the mirror unit 103.
  • the secondary light 107 is coupled into the LIDAR sensor 100, in particular into an optical path of the receiving unit.
  • the secondary light 107 moves along the optical path in the direction of the single photon detector unit 102.
  • the LIDAR sensor 100 has further optical and / or electronic elements 108 and 110 arranged on the stator 114 along the optical path of the receiving unit.
  • the elements 110 can be, for example, optical lenses and / or optical filters. In particular, one of the elements 110 can be a very narrow-band optical wavelength filter.
  • the element 108 is designed as a stationary mirror unit for deflecting the secondary light 107 in the direction of the single photon detector unit 102.
  • the secondary light 107 strikes the single photon detector unit 102.
  • the secondary light 107 can be detected by the single photon detector unit 102 in the form of one or more photons, for example.
  • the single photon detector unit 102 can have several Have single photon detector cells which can be activated at the same time.
  • the single photon detector unit 102 is designed, for example, as a SPAD or SiPM detector unit.
  • the LIDAR sensor In order to assign at least one single photon detection event to a time of reception, the LIDAR sensor also has an evaluation unit 115.
  • the evaluation unit 115 can be connected to the single photon detector unit 102 in such a way that one or more single photon detection events are sent to the evaluation unit 115 in the form of a detection signal 117.
  • Evaluation unit 115 can also be connected to laser pattern generation unit 101 in such a way that a point in time of the emission of primary light 106 is sent to evaluation unit 115 in the form of a time signal 116. In particular, a point in time of the transmission of a primary light pulse can be sent to the evaluation unit 115 in the form of the time signal 116.
  • the evaluation unit 115 can also be designed as a control unit 115.
  • the adjustment unit 115 can be connected to the laser pattern generation unit 101, to the single photon detector unit 102 and / or to the rotor of the rotatable mirror unit 103. This is the case in the example in FIG.
  • the control unit 115 can send a control signal 119 to the laser pattern generation unit 101 to control the laser pattern generation unit 101.
  • the control unit 115 can also send a control signal 120 to the single photon detector unit 102 for controlling the single photon detector unit 102.
  • the control unit 115 can also send a control signal 121 to the rotor of the rotatable mirror unit 103 to control the rotation of the mirror unit 103.
  • the mirror unit 103 in FIG. 1 is designed as a flat, one-piece mirror unit 103 with two mirror surfaces 122 and 123 aligned parallel to the axis of rotation 104.
  • FIG. 2 shows a plan view of a second exemplary embodiment of a LIDAR sensor 100.
  • This second exemplary embodiment is very similar to the first exemplary embodiment, which is why only the differences below are referred to is received. What was said in the description of FIG. 1 applies to all components that are not discussed again below.
  • the mirror unit 103 in FIG. 2 is designed as a flat, multi-part mirror unit 103 with two mirror surfaces 122 and 123 aligned parallel to the axis of rotation 104.
  • the mirror unit 103 here has two flat mirror elements 201 and 202, each with a mirror surface 122 and 123, respectively.
  • the two mirror elements 201 and 202 are arranged parallel to one another.
  • the two mirror elements 201 and 202 are arranged in such a way that the two playing surfaces 122 and 123 point away from one another.
  • An electric drive unit can be arranged between the two mirror elements 201 and 202.
  • FIG. 3 shows examples 304, 305 and 306 of possible illumination patterns in a field of view of a LIDAR sensor 100 described in FIGS. 1 and 2, for example.
  • Each of the illustrated illumination patterns 304, 305 and 306 has a first direction 302 and a second direction 303, the first direction 302 being arranged to the second direction 303 orthogonally to one another.
  • the first direction 302 of the illumination pattern can correspond to a direction of the field of view 301, in particular the vertical direction.
  • the second direction 303 of the illumination pattern can correspond to a direction of the field of view 301, in particular the horizontal direction.
  • each illumination pattern 304, 305 and 306 is greater along the first direction 302 than an extent of each illumination pattern 304, 305 and 306 along the second direction 303.
  • Illumination pattern 304 is designed as a line.
  • the rotatable mirror unit of the LIDAR sensor can be designed one-dimensional.
  • a high sampling rate and / or redundant sampling of the field of view 301 can be implemented by means of the illumination pattern 304.
  • the illumination pattern 305 is designed as a broader line or rectangle. With such a Illumination pattern 305, the single photon detector unit of the LIDAR sensor could be designed as an elongated two-dimensional detector unit.
  • the single photon detector unit could be formed from two one-dimensional arrangements of a plurality of single photon detector cells arranged directly next to one another.
  • the illumination pattern 305 offers the advantage that the field of view 301 can be scanned faster, more redundantly or statistically deeper.
  • the illumination pattern 306 is designed as a pattern consisting of the two rectangles 306-1 and 306-2.
  • the illumination pattern 306 can also be referred to as a vertical line with high-contrast gaps.
  • the illumination pattern 306 can be used to achieve an improved trend capability on the single photon detector unit of the LIDAR sensor.
  • the illumination pattern 306 is advantageous for eye safety.
  • FIG. 4 shows, as an exemplary embodiment, the method 400 for optically detecting a field of view by means of a LIDAR sensor described above.
  • the method starts in step 401.
  • step 402 primary light is emitted into the field of view by means of a laser pattern generation unit of a transmission unit arranged on a stator, the laser pattern generation unit generating an illumination pattern in the field of view, and the illumination pattern having a first direction and a second direction wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, and wherein an extent of the illumination pattern along the first direction is greater than an extent of the illumination pattern along the second direction.
  • step 403 the primary light is decoupled by means of at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being aligned parallel to the first direction, and the decoupling taking place perpendicular to the axis of rotation.
  • step 404 secondary light is coupled in that has been reflected and / or scattered in the field of view by an object by means of the mirror unit, the coupling taking place perpendicular to the axis of rotation.
  • step 405 the secondary light is received by means of at least one single photon detector unit of a receiving unit arranged on the stator. The method 400 ends in step 406.

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Abstract

A LIDAR sensor (100) for optically capturing a field of view (301), said LIDAR sensor having: a transmitting unit comprising a laser pattern generation unit (101), which is disposed on a stator (114), for transmitting primary light (106) into the field of view (301), the laser pattern generation unit (101) being temperature-stabilised, and the laser pattern generation unit (101) being designed to generate an illumination pattern (304, 305, 306) in the field of view (301), the illumination pattern (304, 305, 306) having a first direction (302) and a second direction (303), the first direction (302) and the second direction (303) running orthogonally relative to each other, and the extent of said illumination pattern (304, 305, 306) along the first direction (302) being greater than the extent of said illumination pattern (304, 305, 306) along the second direction (303); a receiving unit comprising at least one single-photon detector unit (102), which is disposed on the stator (114), for receiving secondary light (107) that has been reflected and/or scattered by an object (113) in the field of view (301); and at least one mirror unit (103) which can rotate about an axis of rotation (104) and is disposed on a rotor, the axis of rotation (104) being oriented parallel to the first direction (302), and wherein the primary light (106) and the secondary light (107) can be coupled out and in perpendicularly to the axis of rotation (104) by means of the mirror unit (103).

Description

Beschreibung description
Titel title
LIDAR-Sensor und Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes LIDAR sensor and method for optical detection of a field of view
Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und ein Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. The present invention relates to a LIDAR sensor for optically detecting a field of view and a method for optically detecting a field of view.
Stand der Technik State of the art
Die DE 10 2016219 955 Al offenbart eine Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Lasermustererzeugungseinheit, einer Ablenkeinheit und einer Steuereinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit eingerichtet ist ein Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung, und die Steuereinheit eingerichtet ist, die Ablenkeinheit mindestens entlang der zweiten Richtung zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster mindestens entlang der zweiten Richtung bewegt wird. DE 10 2016219 955 A1 discloses a transmission unit for illuminating an environment, in particular a vehicle, with a laser pattern generation unit, a deflection unit and a control unit, the laser pattern generation unit being set up to generate an illumination pattern in a field of view, the illumination pattern having a first direction and a second Direction, wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, wherein an extent of the illumination pattern along the first direction is greater than an extent of the illumination pattern along the second direction, and the control unit is set up, the deflection unit at least along the second direction to move so that the illumination pattern is moved at least along the second direction.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes aufweisend eine Sendeeinheit mit einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit zur Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld; und wobei die Lasermustererzeugungseinheit temperaturstabilisiert ausgebildet ist, und wobei dieThe present invention is based on a LIDAR sensor for the optical detection of a field of view, having a transmission unit with a laser pattern generation unit arranged on a stator for the transmission of primary light into the field of view; and wherein the laser pattern generation unit is temperature-stabilized, and wherein the
Lasermustererzeugungseinheit ausgebildet ist, ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung; eine Empfangseinheit mit wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit zum Empfangen von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde; wenigstens eine um eine Rotationsachse rotierbare und auf einem Rotor angeordnete Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist; und wobei das Primärlicht und das Sekundärlicht mittels der Spiegeleinheit senkrecht zur Rotationsachse aus- und einkoppelbar sind. Laser pattern generation unit is formed, an illumination pattern in the To generate field of view, wherein the illumination pattern has a first direction and a second direction, wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, wherein an extension of the illumination pattern along the first direction is greater than an extension of the illumination pattern along the second direction; a receiving unit with at least one single photon detector unit arranged on the stator for receiving secondary light which has been reflected and / or scattered in the field of view by an object; at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being oriented parallel to the first direction; and wherein the primary light and the secondary light can be coupled out and in by means of the mirror unit perpendicular to the axis of rotation.
Der hier vorgestellte LIDAR-Sensor ist somit als Makroscanner ausgebildet. Unter einem Makroscanner versteht ein Fachmann einen optoelektronischen Sensor, bei dem eine makroskopische Einheit rotierbar angeordnet ist. Als die makroskopische Einheit kann im Fall des hier vorgestellten LIDAR-Sensors die auf dem Rotor angeordnete Spiegeleinheit aufgefasst werden. Das Sichtfeld (engl. Field of View, FoV) des LIDAR-Sensors kann zeitlich mit dem Primärlicht abgetastet werden. Die Auflösung entlang einer Richtung des Sichtfeldes, insbesondere entlang der horizontalen Richtung, kann mithilfe einer Winkelmessung in feinen Schritten realisiert werden. Diese Richtung des Sichtfeldes, entlang derer das Sichtfeld abgetastet werden kann, ist bevorzugt parallel zur zweiten Richtung des Ausleuchtungsmusters angeordnet. The LIDAR sensor presented here is therefore designed as a macro scanner. A person skilled in the art understands a macro scanner to be an optoelectronic sensor in which a macroscopic unit is rotatably arranged. In the case of the LIDAR sensor presented here, the mirror unit arranged on the rotor can be understood as the macroscopic unit. The field of view (FoV) of the LIDAR sensor can be scanned over time with the primary light. The resolution along one direction of the field of view, in particular along the horizontal direction, can be implemented in fine steps with the aid of an angle measurement. This direction of the field of view, along which the field of view can be scanned, is preferably arranged parallel to the second direction of the illumination pattern.
Die Lasermustererzeugungseinheit weist insbesondere wenigstens einen Laser auf. Der wenigstens eine Laser kann als DFB-Laser (DFB: engl, für Distributed feedback, DFB), als DBR-Laser (DBR: engl, für Distributed Bragg Reflector), als temperaturstabilisierter Kanten- oder Oberflächenemitter oder als temperaturstabilisierter Festkörperlaser ausgebildet sein. Bei einem DFB-Laser oder einem DBR-Laser kann es sich hierbei bereits um einen temperaturstabilisierten Laser handeln. Kanten- oder Oberflächenemitter oder Festkörperlaser können mittels zusätzlicher Einheiten temperaturstabilisiert werden. Dass die Lasermustererzeugungseinheit, bzw. insbesondere der wenigstens eine Laser, temperaturstabilisiert ausgebildet ist, kann derart verstanden werden, dass erreicht werden kann, dass die Eigenschaften des LIDAR-Sensors, und insbesondere der Lasermustererzeugungseinheit, über einen gesamten Betriebstemperaturbereich des LIDAR-Sensors stabil gehalten werden können. Der Betriebstemperaturbereich eines LIDAR-Sensors kann zum Beispiel einen Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C umfassen. Die Temperaturstabilisierung kann bewirken, dass eine Wellenlänge des Primärlichts als eine mögliche Eigenschaft der Lasermustererzeugungseinheit stabil über den Betriebstemperaturbereich ist. Die Temperaturstabilisierung kann bewirken, dass das Primärlicht über den Betriebstemperaturbereich eine sehr schmale Bandbreite aufweist. Es ist möglich, dass die Lasermustererzeugungseinheit weder beim Hochlauf aufgeheizt, noch im Betrieb gekühlt werden muss, um beispielsweise die Wellenlänge des Primärlichts stabil zu halten. The laser pattern generation unit has in particular at least one laser. The at least one laser can be designed as a DFB laser (DFB: for Distributed Feedback, DFB), as a DBR laser (DBR: for Distributed Bragg Reflector), as a temperature-stabilized edge or surface emitter or as a temperature-stabilized solid-state laser. A DFB laser or a DBR laser can already be a temperature-stabilized laser. Edge or surface emitters or solid-state lasers can be temperature-stabilized by means of additional units. The fact that the laser pattern generation unit, or in particular the at least one laser, is embodied in a temperature-stabilized manner, can in this way It can be understood that it can be achieved that the properties of the LIDAR sensor, and in particular of the laser pattern generation unit, can be kept stable over an entire operating temperature range of the LIDAR sensor. The operating temperature range of a LIDAR sensor can include a temperature range of -40 ° C to +125 ° C, for example. The temperature stabilization can cause a wavelength of the primary light as a possible property of the laser pattern generation unit to be stable over the operating temperature range. The temperature stabilization can have the effect that the primary light has a very narrow bandwidth over the operating temperature range. It is possible that the laser pattern generation unit neither has to be heated up during start-up nor cooled during operation in order to keep the wavelength of the primary light stable, for example.
Die Lasermustererzeugungseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Primärlicht gepulst auszusenden. Die Lasermustererzeugungseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Ausleuchtungsmuster gepulst auszusenden. Die Lasermustererzeugungseinheit kann somit dazu ausgebildet sein, das Primärlicht als Ausleuchtungsmuster auszusenden. Das Ausleuchtungsmuster ist insbesondere als eine Linie, ein Rechteck oder ein Muster, z. B. ein Karomuster, ausgebildet. Insbesondere ist die erste Richtung des Ausleuchtungsmusters parallel zu einer vertikalen Richtung des Sichtfeldes angeordnet. Insbesondere ist die zweite Richtung des Ausleuchtungsmusters parallel zu einer horizontalen Richtung des Sichtfeldes angeordnet. Die Lasermustererzeugungseinheit kann einen einzigen Laser mit hoher Divergenz entlang der ersten Richtung des Ausleuchtungsmusters aufweisen. Die Lasermustererzeugungseinheit kann eine Mehrzahl Laser aufweisen, die dazu ausgebildet sind, das Ausleuchtungsmuster zu erzeugen. Hierfür kann die Mehrzahl Laser beispielsweise in einer Spalte angeordnet sein. Im optischen Pfad der Sendeeinheit kann relativ bald nach Austritt aus dem LIDAR-Sensor (unmittelbar oder nach wenigen Zentimetern) eine zusammenhängende, über den Abstand zum LIDAR-Sensor zunehmend homogenere Beleuchtung des Sichtfeldes mit dem Ausleuchtungsmuster entstehen. Dass die Lasermustererzeugungseinheit auf dem Stator angeordnet ist, kann derart verstanden werden, dass die Lasermustererzeugungseinheit stationär (oder auch anders ausgedrückt ortsfest) angeordnet ist. Die Einzelphotonendetektoreinheit weist insbesondere wenigstens einen Einzelphotonendetektor auf. Der wenigstens eine Einzelphotonendetektor kann beispielsweise als SPAD (engl, für Single Photon Avalanche Diode) oder als SiPM (engl, für Silicon photon multiplier) ausgebildet sein. Eine SiPM- Detektoreinheit weist im Besonderen eine Vielzahl von SPADs in spezieller Schaltung auf. Die Einzelphotonendetektoreinheit ist zur Einzelphotonenzählung ausgebildet. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweisen. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann beispielsweise als eine eindimensionale Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen ausgebildet sein. Unabhängig davon, welcher Laser aus einer Mehrzahl Lasern Primärlicht aussendet, kann eine Einzelphotonendetektorzelle Sekundärlicht beispielsweise in Form von Photonen, empfangen. Die Einzelphotonendetektoreinheit kann in BSI-Technik (BSI: engl, für backside Illumination) aufgebaut sein. Hierfür können einzelne Einzelphotonendetektorzellen an nur äußerst kleinen Chipflächen, quasi lückenlos, angeordnet sein. Dass die Einzelphotonendetektoreinheit auf dem Stator angeordnet ist, kann derart verstanden werden, dass die Einzelphotonendetektoreinheit stationär (oder auch anders ausgedrückt ortsfest) angeordnet ist. Insbesondere ist die Einzelphotonendetektoreinheit dazu ausgebildet, ein Erfassungsmuster zu erfassen, welches dem Ausleuchtungsmuster gleicht. Die Einzelphotonendetektoreinheit empfängt hierbei insbesondere Sekundärlicht aus einem vorgegebenen Ausschnitt des Sichtfeldes, in welchen zuvor das Primärlicht mittels der Lasermustererzeugungseinheit ausgesandt wurde. Die Aussendung des Primärlichts und das Empfangen des Sekundärlicht erfolgt dabei vorzugsweise gleichzeitig über den vorgegebenen Ausschnitt des Sichtfeldes. The laser pattern generation unit is designed in particular to emit the primary light in a pulsed manner. The laser pattern generation unit is designed in particular to emit the illumination pattern in a pulsed manner. The laser pattern generation unit can thus be designed to emit the primary light as an illumination pattern. The illumination pattern is in particular as a line, a rectangle or a pattern, e.g. B. a checked pattern. In particular, the first direction of the illumination pattern is arranged parallel to a vertical direction of the field of view. In particular, the second direction of the illumination pattern is arranged parallel to a horizontal direction of the field of view. The laser pattern generation unit can have a single laser with high divergence along the first direction of the illumination pattern. The laser pattern generation unit can have a plurality of lasers which are designed to generate the illumination pattern. For this purpose, the plurality of lasers can be arranged in a column, for example. Relatively soon after exiting the LIDAR sensor (immediately or after a few centimeters), a coherent illumination of the field of view with the illumination pattern, which is increasingly homogeneous over the distance to the LIDAR sensor, can arise in the optical path of the transmitter unit. The fact that the laser pattern generation unit is arranged on the stator can be understood to mean that the laser pattern generation unit is arranged in a stationary (or, in other words, stationary) arrangement. The single photon detector unit has in particular at least one single photon detector. The at least one single photon detector can be designed, for example, as a SPAD (for single photon avalanche diode) or as a SiPM (for silicon photon multiplier). In particular, a SiPM detector unit has a large number of SPADs in a special circuit. The single photon detector unit is designed for counting single photons. The single photon detector unit can have a plurality of single photon detector cells. The single photon detector unit can be designed, for example, as a one-dimensional arrangement of a plurality of single photon detector cells. Regardless of which laser emits primary light from a plurality of lasers, a single photon detector cell can receive secondary light, for example in the form of photons. The single photon detector unit can be constructed using BSI technology (BSI: for backside illumination). For this purpose, individual single photon detector cells can be arranged almost without gaps on only extremely small chip areas. The fact that the single photon detector unit is arranged on the stator can be understood to mean that the single photon detector unit is arranged in a stationary manner (or, in other words, also in a stationary manner). In particular, the single photon detector unit is designed to detect a detection pattern which is identical to the illumination pattern. The single photon detector unit receives in particular secondary light from a predetermined section of the field of view in which the primary light was previously emitted by means of the laser pattern generation unit. The transmission of the primary light and the reception of the secondary light preferably take place simultaneously over the predetermined section of the field of view.
Die Lasermustererzeugungseinheit und die Einzelphotonendetektoreinheit können am Stator getrennt angeordnet sein. Die Lasermustererzeugungseinheit und die Einzelphotonendetektoreinheit können am Stator nebeneinander oder übereinander angeordnet sein. Der optische Pfad der Sendeeinheit zwischen Lasermustererzeugungseinheit und der rotierbaren Spiegeleinheit und der optische Pfad der Empfangseinheit zwischen der rotierbaren Spiegeleinheit und der Einzelphotonendetektoreinheit können getrennt oder überlappend, übereinander oder nebeneinander verlaufen. Der optische Pfad der Sendeeinheit und der optische Pfad der Empfangseinheit können biaxial, koaxial oder zu teilweise koaxial zueinander verlaufen. The laser pattern generation unit and the single photon detector unit can be arranged separately on the stator. The laser pattern generation unit and the single photon detector unit can be arranged next to one another or one above the other on the stator. The optical path of the transmitting unit between the laser pattern generation unit and the rotatable mirror unit and the optical path of the receiving unit between the rotatable mirror unit and the single photon detector unit can run separately or overlapping, one above the other or next to one another. The optical path of the sender unit and the optical path of the receiving unit can be biaxial, coaxial or partially coaxial with one another.
Zum Antreiben der rotierbaren Spiegeleinheit kann der LIDAR-Sensor eine elektrische Antriebseinheit, zum Beispiel einen flachbauenden, bürstenlosen Elektromotor, aufweisen. Mittels der Spiegeleinheit kann das Primärlicht aus dem LIDAR-Sensor in das Sichtfeld ausgekoppelt, mit anderen Worten ausgesandt, werden. Mittels der Spiegeleinheit kann Sekundärlicht aus dem Sichtfeld in den LIDAR-Sensor eingekoppelt, mit anderen Worten empfangen, werden. Das Sichtfeld kann insbesondere entlang einer horizontalen Richtung eine Ausdehnung von 120 bis 145° aufweisen. To drive the rotatable mirror unit, the LIDAR sensor can have an electric drive unit, for example a flat, brushless electric motor. By means of the mirror unit, the primary light can be decoupled from the LIDAR sensor into the field of view, in other words emitted. Secondary light from the field of view can be coupled, in other words received, into the LIDAR sensor by means of the mirror unit. The field of view can in particular have an extension of 120 to 145 ° along a horizontal direction.
Der LIDAR-Sensor weist weiterhin insbesondere wenigstens eine Auswerteeinheit auf. Die wenigstens eine Auswerteeinheit ist dafür ausgebildet, eine Lichtlaufzeit des ausgesandten Primärlichts und des wieder empfangenen Sekundärlichts zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld kann beispielsweise auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) bestimmt werden. Zu den Lichtlaufzeitverfahren zählen Pulsverfahren, die den Empfangszeitpunkt eines reflektierten Laserpulses bestimmen, oder Phasenverfahren, die ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal aussenden und den Phasenversatz zu dem empfangenen Lichtsignal bestimmen. Eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (engl.: time-correlated single photon counting, TCSPC) kann für ein ToF-System realisierbar sein. The LIDAR sensor also has, in particular, at least one evaluation unit. The at least one evaluation unit is designed to determine a light transit time of the primary light emitted and the secondary light received again. The distance between the LIDAR sensor and an object in the field of view can be determined, for example, on the basis of a signal transit time (time of flight, TOF). The time-of-flight methods include pulse methods that determine the time at which a reflected laser pulse is received, or phase methods that emit an amplitude-modulated light signal and determine the phase offset to the received light signal. Time-correlated single photon counting (TCSPC) can be implemented for a ToF system.
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass im Vergleich zu zweidimensional abtastenden LIDAR-Sensoren (zum Beispiel bei Verwendung eines Mikrospiegels) die Messzeit bzw. die Pulszahl pro Pixel höher sein kann. Es ist bei dem hier beschriebenen LIDAR-Sensor lediglich eine Abtastung entlang einer Richtung des Sichtfeldes notwendig. Im Vergleich zu bekannten LIDAR- Sensoren kann also die Auflösung entlang wenigstens einer Richtung des Sichtfeldes erhöht werden. Die Auflösung entlang einer vertikalen und/oder entlang einer horizontalen Richtung des Sichtfeldes kann erhöht werden. Es kann eine sehr hohe Winkelauflösung, zum Beispiel 0,1 * 0,1°, erreicht werden. Die Abtastung des Sichtfeldes kann mithilfe einer lückenlosen Beleuchtung mit Primärlicht erfolgen. Gleichzeitig kann auch die Erfassung der Sekundärstrahlung quasi lückenlos mithilfe beispielsweise einer eindimensionalen Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen erfolgen. Die Wahrscheinlichkeit von Bewegungsartefakten in den Messdaten des LIDAR-Sensors wird hierdurch verringert. Die Gefahr, Objekte im Sichtfeld zu übersehen, kann verringert werden. Gleichzeitig muss die Leistung des ausgesandten Primärlichts wesentlich geringer sein als beispielsweise bei einem nach einem Flash-System arbeitenden LIDAR-Sensor. Der Energieverbrauch des LIDAR-Sensors kann im Vergleich zu einem Flash-System geringgehalten werden. Die Augensicherheit des LIDAR-Sensors kann im Vergleich zu einem Flash-System verbessert sein. Außerdem kann durch die Verwendung der SPAD- oder SiPM- Detektoren eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung ermöglicht werden. Durch die Verwendung einer eindimensionalen Anordnung mehrerer Einzelphotonendetektorzellen kann die Einzelphotonendetektoreinheit klein gehalten werden. Eine solche Einzelphotonendetektoreinheit benötigt weniger Energie, erzeugt weniger Abwärme im Gerät und bewirkt eine verbesserte Augensicherheit. Der LIDAR- Sensor weist ein optimiertes Temperaturverhalten auf. Das optimierte Temperaturverhalten ermöglicht die Verwendung eines sehr schmalbandigen Bandpassfilters (z. B. Bandbreite < 10 nm) im optischen Pfad der Empfangseinheit. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Anteil von Nutzphotonen, sprich Photonen, die für die Erfassung des Sichtfeldes genutzt werden können, größer ist als ein Anteil von Störphotonen, sprich Photonen, die bei der Erfassung des Sichtfeldes stören, beispielsweise stark leuchtende Objekte, Hintergrundlicht oder Streustrahlung. Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Sättigung der Einzelphotonendetektoreinheit kommt, ist stark verringert. Der LIDAR-Sensor kann somit robust gegenüber Umwelteinflüssen sein. Bei Änderungen der Umgebungstemperatur des LIDAR-Sensors, aber auch anderen Störungen wie beispielsweise Hintergrundlicht tritt keine oder nur eine geringe Veränderung der Messeigenschaften des LIDAR-Sensors auf. Der LIDAR- Sensor kann hierdurch auch eine erhöhte, und bei Änderungen der Umgebungstemperatur gleichbleibende, Reichweite aufweisen. Eine Trennung des optischen Pfads der Sendeeinheit und des optischen Pfads der Empfangseinheit ist nicht nötig. Hierdurch kann beispielsweise die Spiegeleinheit klein gehalten werden. Der LIDAR-Sensor kann weiterhin wenigstens entlang einer Ausdehnung seines Gehäuses besonders flach sein. Der LIDAR-Sensor kann beispielsweise eine flache Bauhöhe haben. Außerdem ist im Vergleich zu LIDAR-Sensoren, bei denen neben der Spiegeleinheit auch aktive optische Komponenten (beispielsweise eine Lasereinheit oder eine Detektoreinheit) und elektrische Komponenten (beispielsweise eine Auswerteeinheit) rotierbar angeordnet sind, sowohl die Temperaturstabilisierung, sprich das Thermomanagement, als auch eine Energie- und Datenübertragung wesentlich vereinfacht. Die rotierbare Spiegeleinheit, welche elektrisch und optisch passiv sein kann, benötigt im Allgemeinen keine drahtlose Energieübertragung, keine drahtlose Datenübertragung und keine Temperierung. Advantages of the invention are that compared to two-dimensional scanning LIDAR sensors (for example when using a micromirror) the measuring time or the number of pulses per pixel can be higher. With the LIDAR sensor described here, only one scanning along one direction of the field of view is necessary. In comparison to known LIDAR sensors, the resolution can be increased along at least one direction of the field of view. The resolution along a vertical and / or along a horizontal direction of the field of view can be increased. A very high angular resolution, for example 0.1 * 0.1 °, can be achieved. The field of view can be scanned using a gapless illumination with primary light. The secondary radiation can also be recorded at the same time virtually seamlessly with the help of, for example, a one-dimensional arrangement of several single photon detector cells. This reduces the probability of movement artifacts in the measurement data from the LIDAR sensor. The risk of overlooking objects in the field of view can be reduced. At the same time, the output of the primary light emitted must be significantly lower than, for example, with a LIDAR sensor working according to a flash system. The energy consumption of the LIDAR sensor can be kept low compared to a flash system. The eye safety of the LIDAR sensor can be improved compared to a flash system. In addition, the use of the SPAD or SiPM detectors enables time-correlated single photon counting. By using a one-dimensional arrangement of a plurality of single photon detector cells, the single photon detector unit can be kept small. Such a single photon detector unit requires less energy, generates less waste heat in the device and improves eye safety. The LIDAR sensor has an optimized temperature behavior. The optimized temperature behavior enables the use of a very narrow bandpass filter (e.g. bandwidth <10 nm) in the optical path of the receiving unit. This means that a proportion of useful photons, i.e. photons that can be used to capture the field of view, is greater than a proportion of interfering photons, i.e. photons that interfere with the capture of the field of vision, for example strongly luminous objects, background light or Scattered radiation. The probability that the single photon detector unit will become saturated is greatly reduced. The LIDAR sensor can thus be robust against environmental influences. With changes in the ambient temperature of the LIDAR sensor, but also with other disturbances such as background light, there is little or no change in the measurement properties of the LIDAR sensor. As a result, the LIDAR sensor can also have an increased range that remains the same when the ambient temperature changes. A separation of the optical path of the transmitting unit and the optical path of the receiving unit is not necessary. In this way, for example, the mirror unit can be kept small. The LIDAR sensor can furthermore be particularly flat at least along one extension of its housing. The LIDAR sensor can, for example, have a flat overall height. Also is compared to LIDAR sensors in which, in addition to the mirror unit, active optical components (for example a laser unit or a detector unit) and electrical components (for example an evaluation unit) are rotatably arranged, both temperature stabilization, i.e. thermal management, and energy and data transmission are significantly simplified . The rotatable mirror unit, which can be electrically and optically passive, generally requires no wireless energy transmission, no wireless data transmission and no temperature control.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein aktives Lasermaterial der Lasermustererzeugungseinheit periodisch strukturiert ausgebildet ist; und wobei die Lasermustererzeugungseinheit insbesondere als DFB-Lasereinheit oder als DBR-Lasereinheit ausgebildet ist. Strukturen wechselnder Brechungsindices können ein eindimensionales Interferenzgitter bzw. einen eindimensionalen Interferenzfilter ausbilden. Die Lasermustererzeugungseinheit kann hierbei eine einzelne DFB- oder DBR- Lasereinheit mit einem asymmetrischen Divergenzwinkel sein. Die Lasermustererzeugungseinheit kann alternativ eine eindimensionale Anordnung jeweils mehrerer DFB-Lasereinheiten oder DBR-Lasereinheiten sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die spektrale Breite einer solchen Lasermustererzeugungseinheit sehr gering ist. Für DFB-Laser oder DBR-Laser liegen Abweichung von der eingestellten Wellenlänge beispielsweise im Bereich von 105 nm. Eine entsprechende Lasermustererzeugungseinheit weist somit eine sehr gute Temperaturstabilisierung auf. Falls hingegen eine Wellenlängenänderung der Lasermustererzeugungseinheit gewünscht ist, so lässt sich diese bei DFB-Lasern oder DBR-Lasern durch eine Stromänderung innerhalb einer kurzen Zeitspanne erzeugen. Diese Art der Wellenlängenveränderung ist dabei wesentlich schneller als eine Wellenlängenveränderung über eine Änderung der Temperatur. Darüber hinaus kann eine Lasermustererzeugungseinheit mit den hier beschriebenen Merkmalen kostengünstig sein. In an advantageous embodiment of the invention it is provided that an active laser material of the laser pattern generation unit is periodically structured; and wherein the laser pattern generation unit is designed in particular as a DFB laser unit or as a DBR laser unit. Structures with changing refractive indices can form a one-dimensional interference grating or a one-dimensional interference filter. The laser pattern generation unit can be a single DFB or DBR laser unit with an asymmetrical divergence angle. The laser pattern generation unit can alternatively be a one-dimensional arrangement of several DFB laser units or DBR laser units. The advantage of this configuration is that the spectral width of such a laser pattern generation unit is very small. For DFB lasers or DBR lasers, deviations from the set wavelength are, for example, in the range of 10 5 nm. A corresponding laser pattern generation unit thus has very good temperature stabilization. If, on the other hand, a change in the wavelength of the laser pattern generation unit is desired, this can be generated in the case of DFB lasers or DBR lasers by changing the current within a short period of time. This type of wavelength change is much faster than a wavelength change via a change in temperature. In addition, a laser pattern generation unit with the features described here can be inexpensive.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasermustererzeugungseinheit als Oberflächenemitter oder sogenannter VCSE-Laser (Englisch für vertical-cavity surface-emitting) ausgebildet ist. Hierdurch kann der LIDAR-Sensor kostengünstig gehalten werden. Eine derartige Lasermustererzeugungseinheit kann weiterhin eine bessere Strahlqualität des ausgesendeten Primärlichts haben. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the laser pattern generation unit is designed as a surface emitter or so-called VCSE laser (English for vertical cavity surface emitting). This allows the LIDAR sensor to be kept inexpensive. Such a laser pattern generation unit can furthermore have a better beam quality of the emitted primary light.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelphotonendetektoreinheit mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweist; und wobei die mehreren Einzelphotonendetektorzellen gleichzeitig aktivierbar sind. Die Einzelphotonendetektorzellen können als Einzelphotonenlawinendioden ausgebildet sein. DieIn a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the single photon detector unit has a plurality of single photon detector cells; and wherein the plurality of single photon detector cells can be activated simultaneously. The single photon detector cells can be designed as single photon avalanche diodes. The
Einzelphotonendetektoreinheit kann eine Vielzahl von Bildpunkten aufweisen, wobei wenigstens einige Bildpunkte jeweils eine Mehrzahl von aktivierbaren Einzelphotonendetektorzellen aufweisen. Eine Einzelphotonendetektorzelle kann hierbei als Subpixel bezeichnet werden. Der LIDAR-Sensor kann weiterhin wenigstens einen Verknüpfer aufweisen, der dazu ausgelegt ist, empfangenes Sekundärlicht repräsentierende Detektionssignale wenigstens zweier Einzelphotonendetektorzellen eines Bildpunktes über eine kombinatorische Logik zu verknüpfen. Durch die Verknüpfung wenigstens zweier Einzelphotonendetektorzellen eines Bildpunktes entstehen sogenannte Makropixel. Die Bildpunkte der Einzelphotonendetektoreinheit können als Makropixel bezeichnet werden. Eine Einzelphotonendetektorzelle löst einen elektrischen Puls aus, wenn eine minimale Menge Sekundärlicht, beispielsweise in Form von Photonen, auf einen lichtintensiven Bereich der Einzelphotonendetektorzelle fällt. Die Menge des Sekundärlicht kann bereits bei einem Einzelphotonendetektionsereignis, sprich einem einzelnen Photon, erreicht werden. Eine Einzelphotonendetektorzelle kann entsprechend sehr sensitiv sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Dynamikbereich der Einzelphotonendetektoreinheit erhöht werden kann. Die Bildpunkte, sprich Makropixel, ermöglichen die Verwendung, der ansonsten meist zu sensitiven Einzelphotonendetektorzellen. Die Leistung eines Bildpunktes kann unabhängig von der optisch notwendigen Größe optimiert werden. Im Fall einer defekten Einzelphotonendetektorzelle eines Bildpunktes fällt nicht der komplette Bildpunkt aus. Die Lichtausbeute eines Bildpunktes wird somit im Fall einer defekten Einzelphotonendetektorzelle erhöht. Bei einer flexiblen Zuordnung der Bildpunkte zu Auswerteeinheiten des LIDAR-Sensors kann eine Anpassung der auszuwertenden Fläche der Einzelphotonendetektoreinheit im Subpixel-Bereich ermöglicht werden. Dies erlaubt eine einfache Anpassung der Einzelphotonendetektoreinheit an die Sendeeinheit des LIDAR-Sensors. Zudem können sowohl systematische Fehlerquellen (zum Beispiel elektrische Offsets, Gleichanteile in der Hintergrundbeleuchtung) als auch stochastische Fehlerquellen (zum Beispiel elektrisches und thermisches Rauschen) minimiert werden. Single photon detector unit can have a plurality of pixels, at least some pixels each having a plurality of activatable single photon detector cells. A single photon detector cell can be referred to as a subpixel. The LIDAR sensor can furthermore have at least one linker which is designed to link detection signals representing received secondary light from at least two single photon detector cells of a pixel via a combinatorial logic. So-called macropixels are created by linking at least two single photon detector cells of an image point. The pixels of the single photon detector unit can be referred to as macropixels. A single photon detector cell triggers an electrical pulse when a minimal amount of secondary light, for example in the form of photons, falls on a light-intensive area of the single photon detector cell. The amount of secondary light can already be achieved with a single photon detection event, i.e. a single photon. A single photon detector cell can accordingly be very sensitive. The advantage of this embodiment is that the dynamic range of the single photon detector unit can be increased. The image points, i.e. macropixels, enable the use of the otherwise mostly sensitive single photon detector cells. The performance of a pixel can be optimized independently of the optically necessary size. In the case of a defective single photon detector cell of a pixel, not the entire pixel fails. The light yield of a pixel is thus increased in the case of a defective single photon detector cell. With a flexible assignment of the image points to evaluation units of the LIDAR sensor, the area to be evaluated can be adapted to the Single photon detector unit in the subpixel area are made possible. This allows the single photon detector unit to be easily adapted to the transmitter unit of the LIDAR sensor. In addition, both systematic sources of error (e.g. electrical offsets, constant components in the background lighting) and stochastic sources of error (e.g. electrical and thermal noise) can be minimized.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelphotonendetektoreinheit als SPAD- oder SiPM- Detektoreinheit ausgebildet ist. Insbesondere weist die Einzelphotonendetektoreinheit mehrere SPAD-Einzelphotonendetektorzellen oder mehrere SiPM- Einzelphotonendetektorzellen auf. Mehrere Einzelphotonendetektorzellen können gleichzeitig aktiv sein, sprich gleichzeitig Sekundärlicht empfangen. Ist die Einzelphotonendetektoreinheit als SPAD- Detektoreinheit ausgebildet, so kann die Auswertung von Detektionssignalen statistisch, beispielsweise über eine Histogrammbildung, erfolgen. Ist die Einzelphotonendetektoreinheit als SiPM- Detektoreinheit ausgebildet, so kann die Auswertung von Detektionssignalen statistisch, beispielsweise über eine Histogrammbildung, erfolgen. Einzeln detektierte Photonen eines Makropixels können zu Empfangszeitpunkten zugeordnet werden. Die Bildung eines solchen Histogramms kann im Piko- bis Nanosekundenbereich erfolgen. Eine Empfangszeit des Sekundärlicht kann ermittelt werden. Optional kann auch eine Intensität des empfangenen Sekundärlichts ermittelt werden. Optional kann auch eine ursprüngliche Pulsform des Primärlichts rekonstruiert werden. Aufgrund des Ausleuchtungsmusters kann eine solche statistische Auswertung insbesondere einfacher und schneller erfolgen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass zum Beispiel im Vergleich zu einer APD (engl, für Avalanche Photodiode) das Ausgangssignal nicht mit einer Anzahl Photonen linear skaliert. Als Ausgangssignal ist hierbei ein Strom (Lawineneffekt, massenartiger Elektronenfluss in einem elektrischen Feld eines PN-Übergangs) zu verstehen. Dieses Ausgangssignal wird in der Regel mit Hilfe einer Schaltung als Spannung abgegriffen. Anschließend wandelt eine A/D- Wandung das Signal auf eine ausgewählte Schnittstellte z.B. als Binärcode um. Es ist eine geringere Anzahl Photonen zur Auswertung notwendig. Es kann in Kombination mit der Verknüpfung wenigstens zweier Einzelphotonendetektorzellen eines Bildpunktes zu einem Makropixel eine verbesserte Histogrammbildung bei einer Vielzahl eintreffende Photonen auf mehreren SPAD-Detektoreinheiten erreicht werden. Die ToF pro Makropixel kann festgehalten werden, sobald mindestens eine SPAD- Einzelphotonendetektorzelle bzw. eine SiPM-Einzelphotonendetektorzelle in einem Makropixel ein Photon registriert. Hierdurch kann eine doppelte zeitliche Parallelisierung der ToF-Messung in einem Makropixel erreicht werden. Darüber hinaus kann eine SPAD- oder SiPM-Detektoreinheit kostengünstig sein. Für eine SiPM- Einzelphotonendetektorzelle ergibt sich der weitere Vorteil, dass eine Statistik über viele Pixel schneller und ohne Totzeit eines Einzeldetektors ermittelbar ist. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the single photon detector unit is designed as a SPAD or SiPM detector unit. In particular, the single photon detector unit has several SPAD single photon detector cells or several SiPM single photon detector cells. Several single photon detector cells can be active at the same time, i.e. receive secondary light at the same time. If the single photon detector unit is designed as a SPAD detector unit, the evaluation of detection signals can take place statistically, for example via a histogram formation. If the single photon detector unit is designed as a SiPM detector unit, the evaluation of detection signals can take place statistically, for example via a histogram formation. Individually detected photons of a macropixel can be assigned to reception times. Such a histogram can be formed in the picosecond to nanosecond range. A reception time of the secondary light can be determined. Optionally, an intensity of the secondary light received can also be determined. Optionally, an original pulse shape of the primary light can also be reconstructed. Due to the illumination pattern, such a statistical evaluation can take place in particular more easily and quickly. The advantage of this embodiment is that, for example, compared to an APD (avalanche photodiode), the output signal does not scale linearly with a number of photons. The output signal is a current (avalanche effect, mass flow of electrons in an electrical field of a PN junction). This output signal is usually tapped as a voltage with the aid of a circuit. An A / D conversion then converts the signal to a selected interface, for example as a binary code. A smaller number of photons is necessary for evaluation. In combination with the linking of at least two single photon detector cells of an image point to form a macropixel improved histogram formation can be achieved with a large number of incoming photons on several SPAD detector units. The ToF per macropixel can be recorded as soon as at least one SPAD single photon detector cell or one SiPM single photon detector cell registers a photon in a macropixel. As a result, a double temporal parallelization of the ToF measurement in a macropixel can be achieved. In addition, a SPAD or SiPM detector unit can be inexpensive. For a SiPM single photon detector cell there is the further advantage that statistics over many pixels can be determined more quickly and without dead time of an individual detector.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Einzelphotonendetektionsereignis der Einzelphotonendetektoreinheit einem Empfangszeitpunkt zuzuordnen. Die Auswerteeinheit kann somit dafür ausgebildet sein, eine Lichtlaufzeit des ausgesandten Primärlichts und des wieder empfangenen Sekundärlichts zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld kann beispielsweise auf der Basis einer Signallaufzeit bestimmt werden. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the LIDAR sensor furthermore has an evaluation unit which is designed to assign at least one single photon detection event of the single photon detector unit to a time of reception. The evaluation unit can thus be designed to determine a light transit time of the primary light emitted and the secondary light received again. The distance between the LIDAR sensor and an object in the field of view can be determined, for example, on the basis of a signal transit time.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weitere optische und/oder elektronische Elemente aufweist, wobei die weiteren optischen und/oder elektronischen Elemente auf dem Stator angeordnet sind. Weitere optische Elemente können beispielsweise wenigstens ein Spiegel, insbesondere wenigstens ein feststehender Spiegel, optische Filter oder optische Linsen sein. Weitere elektronische Elemente können zum Beispiel ansteuerbare optische Elemente oder wenigstens ein Steuergerät sein. Beispielsweise kann die Empfangseinheit als ein weiteres optisches Element einen optischeren Wellenlängenfilter aufweisen. Ein solcher optischer Wellenlängenfilter kann sehr schmalbandig (Bandbreite < 10 nm) sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass sowohl die Temperaturstabilisierung, sprich das Thermomanagement, als auch eine Energie- und Datenübertragung innerhalb des LIDAR-Sensors wesentlich vereinfacht ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegeleinheit als ebene Spiegeleinheit mit zwei zur Rotationsachse parallel ausgerichteten Spiegelflächen ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine doppelte Abtastrate gegenüber einfachen Spielflächen ermöglicht wird. Gegenüber LIDAR-Sensoren mit Polygonspiegeln kann eine bessere Auflösung, insbesondere entlang einer horizontalen Richtung des Sichtfeldes, erreicht werden. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the LIDAR sensor has further optical and / or electronic elements, the further optical and / or electronic elements being arranged on the stator. Further optical elements can for example be at least one mirror, in particular at least one fixed mirror, optical filters or optical lenses. Further electronic elements can be, for example, controllable optical elements or at least one control device. For example, the receiving unit can have a more optical wavelength filter as a further optical element. Such an optical wavelength filter can be very narrow-band (bandwidth <10 nm). The advantage of this embodiment is that both the temperature stabilization, i.e. the thermal management, and the energy and data transmission within the LIDAR sensor are significantly simplified. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the mirror unit is designed as a flat mirror unit with two mirror surfaces aligned parallel to the axis of rotation. The advantage of this embodiment is that it enables a double sampling rate compared to simple playing areas. Compared to LIDAR sensors with polygon mirrors, a better resolution can be achieved, in particular along a horizontal direction of the field of view.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegeleinheit mit den zwei Spiegelflächen einteilig ausgebildet ist oder dass die Spiegeleinheit mit den zwei Spiegelflächen mehrteilig ausgebildet ist. Der Vorteil der einteiligen Ausgestaltung besteht darin, dass eine solche Spiegeleinheit einfacher und kostengünstiger herzustellen ist. Eine Spiegeleinheit, welche mehrteilig ausgebildet ist, weist beispielsweise zwei ebene Spiegelelemente mit jeweils einer Spiegelfläche, wobei die zwei Spiegelflächen voneinander wegweisen, und eine zwischen den zwei Spiegelelementen angeordnete elektrische Antriebseinheit, zum Beispiel einen flachbauenden, bürstenlosen Elektromotor, auf. Der Vorteil der zweiteiligen Ausgestaltung besteht darin, dass eine derartige Spiegeleinheit weniger störanfällig sein kann. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the mirror unit with the two mirror surfaces is designed in one piece or that the mirror unit with the two mirror surfaces is designed in several parts. The advantage of the one-piece design is that such a mirror unit is simpler and more cost-effective to manufacture. A multi-part mirror unit has, for example, two flat mirror elements each with a mirror surface, the two mirror surfaces facing away from each other, and an electric drive unit, for example a flat, brushless electric motor, arranged between the two mirror elements. The advantage of the two-part design is that such a mirror unit can be less prone to failure.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Primärlicht und das Sekundärlicht über einen sich gleichenden Bereich der Spiegeleinheit aus- und einkoppelbar sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Spiegeleinheit klein gehalten werden kann. Hierdurch kann auch der LIDAR-Sensor klein gehalten werden. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the primary light and the secondary light can be coupled out and coupled in via an area of the mirror unit which is the same. The advantage of this configuration is that the mirror unit can be kept small. This means that the LIDAR sensor can also be kept small.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines oben beschriebenen LIDAR-Sensors mit den Schritten Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit einer Sendeeinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld erzeugt, und wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. In einem weiteren Schritt kommt es zum Auskoppeln des Primärlichts mittels wenigstens einer um eine Rotationsachse rotierbaren und auf einem Rotor angeordneten Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist, und wobei das Auskoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. In einem weiteren Schritt kommt es zum Einkoppeln von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde mittels der Spiegeleinheit, wobei das Einkoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. Und in einem weiteren Schritt kommt es zum Empfangen des Sekundärlichts mittels wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit einer Empfangseinheit. The invention is further based on a method for optically detecting a field of view by means of a LIDAR sensor described above with the steps of emitting primary light into the field of view by means of a laser pattern generation unit of a transmission unit arranged on a stator, the laser pattern generation unit generating an illumination pattern in the field of view, and wherein the illumination pattern has a first direction and a second direction, wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, and wherein an extension of the Illumination pattern along the first direction is greater than an extension of the illumination pattern along the second direction. In a further step, the primary light is decoupled by means of at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being aligned parallel to the first direction, and the decoupling taking place perpendicular to the axis of rotation. In a further step, secondary light is coupled in, which was reflected and / or scattered in the field of view by an object by means of the mirror unit, the coupling taking place perpendicular to the axis of rotation. And in a further step, the secondary light is received by means of at least one single photon detector unit of a receiving unit arranged on the stator.
Insbesondere wird im Schritt des Auskoppelns des Primärlichts die Spiegeleinheit um die Rotationsachse rotiert. Zur Erfassung des gesamten Sichtfeldes kann die Rotation in mehrere Winkelschritte aufgeteilt sein. Die Erfassung des Sichtfeldes kann mit einer vorgegebenen Winkelauflösung erfolgen. Aus der Größe des Sichtfeldes und der Winkelauflösung ergibt sich die Anzahl der notwendigen Winkelschritte. Beispielsweise kann die Erfassung eines 145°-großen Sichtfeldes mit einer Winkelauflösung von 1/10° mittels 1450 Winkelschritten erfolgen. In particular, in the step of coupling out the primary light, the mirror unit is rotated about the axis of rotation. To capture the entire field of view, the rotation can be divided into several angular steps. The field of view can be recorded with a predetermined angular resolution. The number of angular steps required results from the size of the field of view and the angular resolution. For example, a 145 ° field of view can be captured with an angular resolution of 1/10 ° using 1450 angular steps.
Zeichnungen drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen: In the following, exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Identical reference symbols in the figures denote identical or identically acting elements. Show it:
Figur 1 Erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors zur optischenFigure 1 First embodiment of a LIDAR sensor for optical
Erfassung eines Sichtfeldes; Detection of a field of view;
Figur 2 Zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR-Sensors zur optischenFigure 2 Second embodiment of a LIDAR sensor for optical
Erfassung eines Sichtfeldes; Detection of a field of view;
Figur 3 Beispiele möglicher Ausleuchtungsmuster; FIG. 3 examples of possible illumination patterns;
Figur 4 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines LIDAR- Sensors 100. Der LIDAR-Sensor 100 weist ein Gehäuse 111 auf. Im vorliegenden Beispiel ist dieses eckig ausgebildet. Das Gehäuse 111 kann als symmetrisches oder asymmetrisches eckiges Gehäuse ausgebildet sein. Beispielsweise kann es als Quader ausgebildet sein, dessen Bauhöhe wesentlich geringer ist als dessen Baubreite oder Bautiefe. Das Gehäuse 111 kann aus Metall ausgebildet sein. Es kann ein optisches Fenster aus Kunststoff oder Glas aufweisen. Das optische Fenster kann für Primärlicht 106 und Sekundärlicht 107 transparent sein. Das optische Fenster kann als ebene, vertikal geneigte oder gekurvte Oberfläche ausgebildet sein. Das optische Fenster kann eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen. Figure 4 embodiment of a method for optical detection of a field of view. FIG. 1 shows a plan view of a first exemplary embodiment of a LIDAR sensor 100. The LIDAR sensor 100 has a housing 111. In the present example, this is angular. The housing 111 can be designed as a symmetrical or asymmetrical angular housing. For example, it can be designed as a cuboid, the overall height of which is significantly less than its overall width or overall depth. The housing 111 can be formed from metal. It can have an optical window made of plastic or glass. The optical window can be transparent for primary light 106 and secondary light 107. The optical window can be designed as a flat, vertically inclined or curved surface. The optical window can have an anti-reflective coating.
Der LIDAR-Sensor 100 weist als Teil einer Sendeeinheit eine Lasermustererzeugungseinheit 101 zur Aussendung von Primärlicht 106 auf. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 ist auf einem Stator 114 angeordnet. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 ist temperaturstabilisiert ausgebildet. Beispielsweise kann hierfür eine aktives Lasermaterial der Lasermustererzeugungseinheit 101 periodisch strukturiert ausgebildet sein. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 kann hierfür als DFB- Lasereinheit oder als DBR-Lasereinheit ausgebildet sein. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 ist weiterhin dazu ausgebildet, ein Ausleuchtungsmuster im Sichtfeld des LIDAR- Sensors 100 zu erzeugen. Die Lasermustererzeugungseinheit ist in anderen Worten dazu ausgebildet, Primärlicht 106 als Ausleuchtungsmuster in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 auszusenden. Das Ausleuchtungsmuster weist hierbei eine erste Richtung und eine zweite Richtung auf, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind. Eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung ist hierbei größer als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. As part of a transmission unit, the LIDAR sensor 100 has a laser pattern generation unit 101 for emitting primary light 106. The laser pattern generation unit 101 is arranged on a stator 114. The laser pattern generation unit 101 is designed to be temperature-stabilized. For example, an active laser material of the laser pattern generation unit 101 can be designed to be periodically structured for this purpose. For this purpose, the laser pattern generation unit 101 can be designed as a DFB laser unit or as a DBR laser unit. The laser pattern generation unit 101 is also designed to generate an illumination pattern in the field of view of the LIDAR sensor 100. In other words, the laser pattern generation unit is designed to emit primary light 106 as an illumination pattern into the field of view of the LIDAR sensor 100. The illumination pattern here has a first direction and a second direction, the first direction and the second direction being arranged orthogonally to one another. An extension of the illumination pattern along the first direction is greater than an extension of the illumination pattern along the second direction.
Die Lasermustererzeugungseinheit 101 sendet Primärlicht 106 aus. Das Primärlicht bewegt sich entlang eines optischen Pfads der Sendeeinheit in Richtung einer um eine Rotationsachse 104 rotierbaren Spiegeleinheit 103 fort. Der LIDAR-Sensor 100 weist weitere auf dem Stator 114 angeordnete optische und/oder elektronische Elemente 108 und 109 entlang des optischen Pfads der Sendeeinheit auf. Beispielsweise kann es sich bei den Elementen 109 um optische Linsen handeln. Das Element 108 ist im Beispiel als feststehende Spiegeleinheit zur Umlenkung des Primärlichts 106 in Richtung der rotierbaren Spiegeleinheit 103 ausgebildet. Die rotierbare Spiegeleinheit 103 ist auf einem Rotor angeordnet. Hierbei ist die Rotationsachse 104 parallel zur ersten Richtung des Ausleuchtungsmusters ausgerichtet. Die Spiegeleinheit 103 rotiert um die Rotationsachse 104 entlang der Richtung 105. Das Primärlicht 106 wird mittels der Spiegeleinheit 103 senkrecht zur Rotationsachse 104, hier im Beispiel durch das optische Fenster 112 hindurch, ausgekoppelt. Das Primärlicht 106 wird auf diese Weise in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 100 ausgekoppelt. Im Sichtfeld kann das Primärlicht 106 auf ein sich dort befindliches Objekt 113 treffen. The laser pattern generation unit 101 emits primary light 106. The primary light moves along an optical path of the transmission unit in the direction of a mirror unit 103 which can be rotated about an axis of rotation 104. The LIDAR sensor 100 has further optical ones arranged on the stator 114 and / or electronic elements 108 and 109 along the optical path of the transmitter unit. For example, the elements 109 can be optical lenses. In the example, the element 108 is designed as a stationary mirror unit for deflecting the primary light 106 in the direction of the rotatable mirror unit 103. The rotatable mirror unit 103 is arranged on a rotor. Here, the axis of rotation 104 is aligned parallel to the first direction of the illumination pattern. The mirror unit 103 rotates about the axis of rotation 104 along the direction 105. The primary light 106 is coupled out by means of the mirror unit 103 perpendicular to the axis of rotation 104, in this example through the optical window 112. In this way, the primary light 106 is coupled out into the field of view of the LIDAR sensor 100. In the field of view, the primary light 106 can strike an object 113 located there.
Das von einem solchen Objekt 113 reflektierte und/oder gestreute Licht kann als Sekundärlicht 107 von dem LIDAR-Sensor 100 empfangen werden. Hierzu weist der LIDAR-Sensor 100 eine Empfangseinheit mit einer auf dem Stator 114 angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit 102 auf. Insbesondere wird das Sekundärlicht 107 nach der Reflexion und/oder der Streuung, hier im Beispiel durch das optische Fenster 112 hindurch empfangen und mittels der Spiegeleinheit 103 senkrecht zur Rotationsachse 104 eingekoppelt. Das Sekundärlicht 107 wird in den LIDAR-Sensor 100, insbesondere in einen optischen Pfad der Empfangseinheit eingekoppelt. Das Sekundärlicht 107 bewegt sich entlang des optischen Pfads in Richtung der Einzelphotonendetektoreinheit 102. Der LIDAR-Sensor 100 weist weitere auf dem Stator 114 angeordnete optische und/oder elektronische Elemente 108 und 110 entlang des optischen Pfads der Empfangseinheit auf. Bei den Elementen 110 kann es sich beispielsweise um optische Linsen und/oder optische Filter handeln. Insbesondere kann eines der Elemente 110 ein sehr schmalbandiger optischer Wellenlängenfilter sein. Das Element 108 ist im Beispiel als feststehende Spiegeleinheit zur Umlenkung des Sekundärlicht 107 in Richtung der Einzelphotonendetektoreinheit 102 ausgebildet. Das Sekundärlicht 107 trifft auf die Einzelphotonendetektoreinheit 102. Das Sekundärlicht 107 kann beispielsweise in Form von einem oder mehreren Photonen von der Einzelphotonendetektoreinheit 102 detektiert werden. Die Einzelphotonendetektoreinheit 102 kann hierfür mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweisen, welche gleichzeitig aktivierbar sind. Die Einzelphotonendetektoreinheit 102 ist beispielsweise als SPAD- oder SiPM- Detektoreinheit ausgebildet. The light reflected and / or scattered by such an object 113 can be received as secondary light 107 by the LIDAR sensor 100. For this purpose, the LIDAR sensor 100 has a receiving unit with a single photon detector unit 102 arranged on the stator 114. In particular, after the reflection and / or the scattering, the secondary light 107 is received through the optical window 112 in this example and is coupled in perpendicular to the axis of rotation 104 by means of the mirror unit 103. The secondary light 107 is coupled into the LIDAR sensor 100, in particular into an optical path of the receiving unit. The secondary light 107 moves along the optical path in the direction of the single photon detector unit 102. The LIDAR sensor 100 has further optical and / or electronic elements 108 and 110 arranged on the stator 114 along the optical path of the receiving unit. The elements 110 can be, for example, optical lenses and / or optical filters. In particular, one of the elements 110 can be a very narrow-band optical wavelength filter. In the example, the element 108 is designed as a stationary mirror unit for deflecting the secondary light 107 in the direction of the single photon detector unit 102. The secondary light 107 strikes the single photon detector unit 102. The secondary light 107 can be detected by the single photon detector unit 102 in the form of one or more photons, for example. For this purpose, the single photon detector unit 102 can have several Have single photon detector cells which can be activated at the same time. The single photon detector unit 102 is designed, for example, as a SPAD or SiPM detector unit.
Um wenigstens ein Einzelphotonendetektionsereignis einem Empfangszeitpunkt zuzuordnen, weist der LIDAR-Sensor weiterhin eine Auswerteeinheit 115 auf. Die Auswerteeinheit 115 kann mit der Einzelphotonendetektoreinheit 102 derart verbunden sein, dass ein oder mehrere Einzelphotonendetektionsereignisse in Form eines Detektionssignals 117 an die Auswerteeinheit 115 gesendet werden. Auswerteeinheit 115 kann außerdem mit der Lasermustererzeugungseinheit 101 derart verbunden sein, dass ein Zeitpunkt der Aussendung von Primärlicht 106 in Form eines Zeitsignals 116 an die Auswerteeinheit 115 gesendet wird. Insbesondere kann ein Zeitpunkt der Aussendung eines Primärlichtpulses in Form des Zeitsignals 116 an die Auswerteeinheit 115 gesendet werden. In order to assign at least one single photon detection event to a time of reception, the LIDAR sensor also has an evaluation unit 115. The evaluation unit 115 can be connected to the single photon detector unit 102 in such a way that one or more single photon detection events are sent to the evaluation unit 115 in the form of a detection signal 117. Evaluation unit 115 can also be connected to laser pattern generation unit 101 in such a way that a point in time of the emission of primary light 106 is sent to evaluation unit 115 in the form of a time signal 116. In particular, a point in time of the transmission of a primary light pulse can be sent to the evaluation unit 115 in the form of the time signal 116.
Die Auswerteeinheit 115 kann zusätzlich als Ansteuerungseinheit 115 ausgebildet sein. Hierfür kann die Anstellungseinheit 115 mit der Lasermustererzeugungseinheit 101, mit der Einzelphotonendetektoreinheit 102 und/oder mit dem Rotor der rotierbaren Spiegeleinheit 103 verbunden sein. Im Beispiel der Figur 1 ist dies der Fall. Die Ansteuerungseinheit 115 kann hier an die Lasermustererzeugungseinheit 101 ein Steuersignal 119 zur Ansteuerung der Lasermustererzeugungseinheit 101 senden. Die Ansteuerungseinheit 115 kann weiterhin an die Einzelphotonendetektoreinheit 102 ein Steuerungssignal 120 zur Ansteuerung der Einzelphotonendetektoreinheit 102 senden. Die Ansteuerungseinheit 115 kann weiterhin an den Rotor der rotierbaren Spiegeleinheit 103 ein Steuersignal 121 zur Ansteuerung der Rotation der Spiegeleinheit 103 senden. The evaluation unit 115 can also be designed as a control unit 115. For this purpose, the adjustment unit 115 can be connected to the laser pattern generation unit 101, to the single photon detector unit 102 and / or to the rotor of the rotatable mirror unit 103. This is the case in the example in FIG. The control unit 115 can send a control signal 119 to the laser pattern generation unit 101 to control the laser pattern generation unit 101. The control unit 115 can also send a control signal 120 to the single photon detector unit 102 for controlling the single photon detector unit 102. The control unit 115 can also send a control signal 121 to the rotor of the rotatable mirror unit 103 to control the rotation of the mirror unit 103.
Die Spiegeleinheit 103 in Figur 1 ist als ebene, einteilige Spiegeleinheit 103 mit zwei zur Rotationsachse 104 parallel ausgerichteten Spiegelflächen 122 und 123 ausgebildet. The mirror unit 103 in FIG. 1 is designed as a flat, one-piece mirror unit 103 with two mirror surfaces 122 and 123 aligned parallel to the axis of rotation 104.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines LIDAR- Sensors 100. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist sehr ähnlich zum ersten Ausführungsbeispiel, weswegen im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Für alle Komponenten, auf die im Weiteren nicht noch einmal eingegangen wird, gilt das in der Beschreibung der Figur 1 Gesagte. So sind in Figur 2 die Lasermustererzeugungseinheit 101 und dieFIG. 2 shows a plan view of a second exemplary embodiment of a LIDAR sensor 100. This second exemplary embodiment is very similar to the first exemplary embodiment, which is why only the differences below are referred to is received. What was said in the description of FIG. 1 applies to all components that are not discussed again below. Thus, in FIG. 2, the laser pattern generation unit 101 and the
Einzelphotonendetektoreinheit 102 auf dem Stator 114 übereinander angeordnet, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus Figur 1, bei dem die Lasermustererzeugungseinheit 101 und die Einzelphotonendetektoreinheit 102 nebeneinander auf dem Stator 114 angeordnet sind. Außerdem ist im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus Figur 1 die Spiegeleinheit 103 in Figur 2 als ebene, mehrteilige Spiegeleinheit 103 mit zwei zur Rotationsachse 104 parallel ausgerichteten Spiegelflächen 122 und 123 ausgebildet. Die Spiegeleinheit 103 weist hierbei zwei ebene Spiegelelemente 201 und 202 mit jeweils einer Spiegelfläche 122 bzw. 123 auf. Die zwei Spiegelelemente 201 und 202 sind parallel zueinander angeordnet. Die zwei Spiegelelemente 201 und 202 sind hierbei derart angeordnet, dass die zwei Spielflächen 122 und 123 voneinander wegweisen. Zwischen den zwei Spiegelelementen 201 und 202 kann eine elektrische Antriebseinheit angeordnet sein. Single photon detector unit 102 arranged one above the other on the stator 114, in contrast to the exemplary embodiment from FIG. 1, in which the laser pattern generation unit 101 and the single photon detector unit 102 are arranged next to one another on the stator 114. In addition, in contrast to the exemplary embodiment from FIG. 1, the mirror unit 103 in FIG. 2 is designed as a flat, multi-part mirror unit 103 with two mirror surfaces 122 and 123 aligned parallel to the axis of rotation 104. The mirror unit 103 here has two flat mirror elements 201 and 202, each with a mirror surface 122 and 123, respectively. The two mirror elements 201 and 202 are arranged parallel to one another. The two mirror elements 201 and 202 are arranged in such a way that the two playing surfaces 122 and 123 point away from one another. An electric drive unit can be arranged between the two mirror elements 201 and 202.
In Figur 3 sind die Beispiele 304, 305 und 306 möglicher Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld eines beispielsweise in Figur 1 und 2 beschriebenen LIDAR- Sensors 100 gezeigt. Jedes der gezeigten Ausleuchtungsmuster 304, 305 und 306 weist eine erste Richtung 302 und eine zweite Richtung 303 auf, wobei die erste Richtung 302 an die zweite Richtung 303 orthogonal zueinander angeordnet sind. Die erste Richtung 302 des Ausleuchtungsmusters kann hierbei einer Richtung des Sichtfelds 301, insbesondere der vertikalen Richtung, entsprechen. Die zweite Richtung 303 des Ausleuchtungsmusters kann hierbei einer Richtung des Sichtfelds 301, insbesondere der horizontalen Richtung, entsprechen. Die Ausdehnung jedes Ausleuchtungsmusters 304, 305 und 306 ist entlang der ersten Richtung 302 größer als eine Ausdehnung jedes Ausleuchtungsmusters 304, 305 und 306 entlang der zweiten Richtung 303. Ausleuchtungsmuster 304 ist als Linie ausgebildet. Für ein solches Ausleuchtungsmuster 304 kann beispielsweise die rotierbaren Spiegeleinheit des LIDAR-Sensors eindimensional ausgebildet sein. Mittels des Ausleuchtungsmuster 304 kann eine hohe Abtastrate und/oder eine redundante Abtastung des Sichtfelds 301 realisiert werden. Das Ausleuchtungsmuster 305 ist als breitere Linie bzw. Rechteck ausgebildet. Bei einem solchen Ausleuchtungsmuster 305 könnte die Einzelphotonendetektoreinheit des LIDAR- Sensors als längliche zweidimensionale Detektoreinheit ausgebildet sein. Zum Beispiel könnte die Einzelphotonendetektoreinheit aus zwei direkt nebeneinander angeordneten eindimensionaler Anordnungen mehrerer Einzelphotonendetektorzellen ausgebildet sein. Das Ausleuchtungsmuster 305 bietet den Vorteil, dass das Sichtfeld 301 schneller, redundanter bzw. statistisch tiefer abgetastet werden kann. Das Ausleuchtungsmuster 306 ist als ein Muster bestehend aus den zwei Rechtecken 306-1 und 306-2 ausgebildet. Das Ausleuchtungsmuster 306 kann auch als eine vertikale Linie mit Hochkontrastlücken bezeichnet werden. Mittels des Ausleuchtungsmuster 306 kann eine verbesserte Trendfähigkeit auf der Einzelphotonendetektoreinheit des LIDAR-Sensors erreicht werden. Zudem ist das Ausleuchtungsmuster 306 für die Augensicherheit von Vorteil. FIG. 3 shows examples 304, 305 and 306 of possible illumination patterns in a field of view of a LIDAR sensor 100 described in FIGS. 1 and 2, for example. Each of the illustrated illumination patterns 304, 305 and 306 has a first direction 302 and a second direction 303, the first direction 302 being arranged to the second direction 303 orthogonally to one another. The first direction 302 of the illumination pattern can correspond to a direction of the field of view 301, in particular the vertical direction. The second direction 303 of the illumination pattern can correspond to a direction of the field of view 301, in particular the horizontal direction. The extent of each illumination pattern 304, 305 and 306 is greater along the first direction 302 than an extent of each illumination pattern 304, 305 and 306 along the second direction 303. Illumination pattern 304 is designed as a line. For such an illumination pattern 304, for example, the rotatable mirror unit of the LIDAR sensor can be designed one-dimensional. A high sampling rate and / or redundant sampling of the field of view 301 can be implemented by means of the illumination pattern 304. The illumination pattern 305 is designed as a broader line or rectangle. With such a Illumination pattern 305, the single photon detector unit of the LIDAR sensor could be designed as an elongated two-dimensional detector unit. For example, the single photon detector unit could be formed from two one-dimensional arrangements of a plurality of single photon detector cells arranged directly next to one another. The illumination pattern 305 offers the advantage that the field of view 301 can be scanned faster, more redundantly or statistically deeper. The illumination pattern 306 is designed as a pattern consisting of the two rectangles 306-1 and 306-2. The illumination pattern 306 can also be referred to as a vertical line with high-contrast gaps. The illumination pattern 306 can be used to achieve an improved trend capability on the single photon detector unit of the LIDAR sensor. In addition, the illumination pattern 306 is advantageous for eye safety.
Figur 4 zeigt als ein Ausführungsbeispiel das Verfahren 400 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines oben beschriebenen LIDAR-Sensors. Das Verfahren startet im Schritt 401. Im Schritt 402 kommt es zur Aussendung von Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit einer Sendeeinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld erzeugt, und wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. Im Schritt 403 kommt es zum Auskoppeln des Primärlichts mittels wenigstens einer um eine Rotationsachse rotierbaren und auf einem Rotor angeordneten Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist, und wobei das Auskoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. Im Schritt 404 kommt es zum Einkoppeln von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde mittels der Spiegeleinheit, wobei das Einkoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt. Im Schritt 405 kommt es zum Empfangen des Sekundärlichts mittels wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit einer Empfangseinheit. Das Verfahren 400 endet im Schritt 406. FIG. 4 shows, as an exemplary embodiment, the method 400 for optically detecting a field of view by means of a LIDAR sensor described above. The method starts in step 401. In step 402, primary light is emitted into the field of view by means of a laser pattern generation unit of a transmission unit arranged on a stator, the laser pattern generation unit generating an illumination pattern in the field of view, and the illumination pattern having a first direction and a second direction wherein the first direction and the second direction are arranged orthogonally to one another, and wherein an extent of the illumination pattern along the first direction is greater than an extent of the illumination pattern along the second direction. In step 403, the primary light is decoupled by means of at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being aligned parallel to the first direction, and the decoupling taking place perpendicular to the axis of rotation. In step 404, secondary light is coupled in that has been reflected and / or scattered in the field of view by an object by means of the mirror unit, the coupling taking place perpendicular to the axis of rotation. In step 405, the secondary light is received by means of at least one single photon detector unit of a receiving unit arranged on the stator. The method 400 ends in step 406.

Claims

Ansprüche Expectations
1. LIDAR-Sensor (100) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (301) aufweisend: 1. LIDAR sensor (100) for optical detection of a field of view (301) having:
• eine Sendeeinheit mit einer auf einem Stator (114) angeordneten Lasermustererzeugungseinheit (101) zur Aussendung von Primärlicht (106) in das Sichtfeld (301); und wobei die Lasermustererzeugungseinheit (101) temperaturstabilisiert ausgebildet ist, und wobei die• a transmission unit with a laser pattern generation unit (101) arranged on a stator (114) for emitting primary light (106) into the field of view (301); and wherein the laser pattern generation unit (101) is temperature-stabilized, and wherein the
Lasermustererzeugungseinheit (101) ausgebildet ist, ein Ausleuchtungsmuster (304, 305, 306) in dem Sichtfeld (301) zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster (304, 305, 306) eine erste Richtung (302) und eine zweite Richtung (303) aufweist, wobei die erste Richtung (302) und die zweite Richtung (303) orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (304, 305, 306) entlang der ersten Richtung (302) größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (304, 305, 306) entlang der zweiten Richtung (303); The laser pattern generation unit (101) is designed to generate an illumination pattern (304, 305, 306) in the field of view (301), the illumination pattern (304, 305, 306) having a first direction (302) and a second direction (303), wherein the first direction (302) and the second direction (303) are arranged orthogonally to one another, an extent of the illumination pattern (304, 305, 306) along the first direction (302) being greater than an extent of the illumination pattern (304, 305, 306) along the second direction (303);
• eine Empfangseinheit mit wenigstens einer auf dem Stator (114) angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit (102) zum Empfangen von Sekundärlicht (107), das im Sichtfeld (301) von einem Objekt (113) reflektiert und/oder gestreut wurde; A receiving unit with at least one single photon detector unit (102) arranged on the stator (114) for receiving secondary light (107) which has been reflected and / or scattered in the field of view (301) by an object (113);
• wenigstens eine um eine Rotationsachse (104) rotierbare und auf einem Rotor angeordnete Spiegeleinheit (103), wobei die Rotationsachse (104) parallel zur ersten Richtung (302) ausgerichtet ist; und wobei das Primärlicht (106) und das Sekundärlicht (107) mittels der Spiegeleinheit (103) senkrecht zur Rotationsachse (104) aus- und einkoppelbar sind. • at least one mirror unit (103) rotatable about an axis of rotation (104) and arranged on a rotor, the axis of rotation (104) being aligned parallel to the first direction (302); and wherein the primary light (106) and the secondary light (107) can be coupled out and in by means of the mirror unit (103) perpendicular to the axis of rotation (104).
2. LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei ein aktives Lasermaterial der Lasermustererzeugungseinheit (101) periodisch strukturiert ausgebildet ist; und wobei die Lasermustererzeugungseinheit (101) insbesondere als DFB-Lasereinheit oder als DBR-Lasereinheit ausgebildet ist. 2. LIDAR sensor (100) according to claim 1, wherein an active laser material of the laser pattern generation unit (101) is periodically structured; and wherein the laser pattern generation unit (101) is designed in particular as a DFB laser unit or as a DBR laser unit.
3. LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einzelphotonendetektoreinheit (102) mehrere Einzelphotonendetektorzellen aufweist; und wobei die mehreren Einzelphotonendetektorzellen gleichzeitig aktivierbar sind. 3. LIDAR sensor (100) according to claim 1 or 2, wherein the single photon detector unit (102) has a plurality of single photon detector cells; and wherein the plurality of single photon detector cells can be activated simultaneously.
4. LIDAR-Sensor (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Einzelphotonendetektoreinheit (102) als SPAD- oder SiPM- Detektoreinheit ausgebildet ist. 4. LIDAR sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the single photon detector unit (102) is designed as a SPAD or SiPM detector unit.
5. LIDAR-Sensor (100) nach einem der vorherigen Ansprüche weiterhin aufweisend eine Auswerteeinheit (115), die dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Einzelphotonendetektionsereignis der Einzelphotonendetektoreinheit (102) einem Empfangszeitpunkt zuzuordnen. 5. LIDAR sensor (100) according to one of the preceding claims further comprising an evaluation unit (115) which is designed to assign at least one single photon detection event of the single photon detector unit (102) to a time of reception.
6. LIDAR-Sensor (100) nach einem der vorherigen Ansprüche aufweisend weitere optische und/oder elektronische Elemente (108, 109, 110), wobei die weiteren optischen und/oder elektronischen Elemente (108, 109, 110) auf dem Stator (114) angeordnet sind. 6. LIDAR sensor (100) according to one of the preceding claims having further optical and / or electronic elements (108, 109, 110), wherein the further optical and / or electronic elements (108, 109, 110) on the stator (114 ) are arranged.
7. LIDAR-Sensor (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spiegeleinheit (103) als ebene Spiegeleinheit (103) mit zwei zur Rotationsachse (104) parallel ausgerichteten Spiegelflächen (122, 123) ausgebildet ist. 7. LIDAR sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the mirror unit (103) is designed as a flat mirror unit (103) with two mirror surfaces (122, 123) aligned parallel to the axis of rotation (104).
8. LIDAR-Sensor (100) nach Anspruch 7, wobei die Spiegeleinheit (103) mit den zwei Spiegelflächen (122, 123) einteilig ausgebildet ist oder wobei die Spiegeleinheit (103) mit den zwei Spiegelflächen mehrteilig ausgebildet ist. 8. LIDAR sensor (100) according to claim 7, wherein the mirror unit (103) is formed in one piece with the two mirror surfaces (122, 123) or wherein the mirror unit (103) is formed in several parts with the two mirror surfaces.
9. LIDAR-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Primärlicht (106) und das Sekundärlicht (107) über einen sich gleichenden Bereich der Spiegeleinheit (103) aus- und einkoppelbar sind. 9. LIDAR sensor according to one of the preceding claims, wherein the primary light (106) and the secondary light (107) can be coupled out and coupled in via an area of the mirror unit (103) which is identical.
10. Verfahren (400) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes mittels eines LIDAR- Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Schritten: 10. The method (400) for the optical detection of a field of view by means of a LIDAR sensor according to one of claims 1 to 9 with the steps:
• Aussendung (402) von Primärlicht in das Sichtfeld mittels einer auf einem Stator angeordneten Lasermustererzeugungseinheit einer Sendeeinheit, wobei die Lasermustererzeugungseinheit ein Ausleuchtungsmuster in dem Sichtfeld erzeugt, und wobei das Ausleuchtungsmuster eine erste Richtung und eine zweite Richtung aufweist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung; • Auskoppeln (403) des Primärlichts mittels wenigstens einer um eine Rotationsachse rotierbaren und auf einem Rotor angeordneten Spiegeleinheit, wobei die Rotationsachse parallel zur ersten Richtung ausgerichtet ist, und wobei das Auskoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt; · Einkoppeln (404) von Sekundärlicht, das im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wurde mittels der Spiegeleinheit, wobei das Einkoppeln senkrecht zur Rotationsachse erfolgt; und Emission (402) of primary light into the field of view by means of a laser pattern generation unit of a transmission unit arranged on a stator, the laser pattern generation unit generating an illumination pattern in the field of view, and the illumination pattern having a first direction and a second direction, the first direction and the second Direction are arranged orthogonally to one another, and wherein an extent of the illumination pattern along the first direction is greater than an extent of the illumination pattern along the second direction; Decoupling (403) of the primary light by means of at least one mirror unit rotatable about an axis of rotation and arranged on a rotor, the axis of rotation being aligned parallel to the first direction, and the decoupling taking place perpendicular to the axis of rotation; Coupling in (404) secondary light which has been reflected and / or scattered in the field of view by an object by means of the mirror unit, the coupling taking place perpendicular to the axis of rotation; and
• Empfangen (405) des Sekundärlichts mittels wenigstens einer auf dem Stator angeordneten Einzelphotonendetektoreinheit einer Empfangseinheit. • Receiving (405) the secondary light by means of at least one single photon detector unit of a receiving unit arranged on the stator.
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