WO2023099301A1 - Verfahren zum ausrichten von wenigstens zwei optisch funktional zusammenwirkenden komponenten einer optischen vorrichtung, optische vorrichtung und fahrzeug mit wenigstens einer optischen vorrichtung zur überwachung wenigstens eines überwachungsbereichs - Google Patents

Verfahren zum ausrichten von wenigstens zwei optisch funktional zusammenwirkenden komponenten einer optischen vorrichtung, optische vorrichtung und fahrzeug mit wenigstens einer optischen vorrichtung zur überwachung wenigstens eines überwachungsbereichs Download PDF

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optical
reception
illumination
receiving
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Thorsten BEUTH
Lukasz Niestoruk
Christoph Parl
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for aligning at least two optically functionally interacting components of an optical device, in particular an optical device for a vehicle, relative to one another, in which an actual state of the optical device is determined, which characterizes an alignment of the at least two optical components , and the alignment of the at least two optical components is set depending on the at least one determined actual state.
  • the invention also relates to an optical device, in particular an optical device for a vehicle, with at least one transmission device for transmitting optical beams and with at least one alignment device for aligning at least two functionally interacting optical components of the optical device relative to one another, the at least one alignment device at least one analysis device for determining at least one actual state of the optical device, which characterizes an alignment of the at least two optical components, and at least one adjusting device for adjusting the alignment of the at least two optical components relative to one another depending on at least one determined actual state.
  • an optical device in particular an optical device for a vehicle, with at least one transmission device for transmitting optical beams and with at least one alignment device for aligning at least two functionally interacting optical components of the optical device relative to one another, the at least one alignment device at least one analysis device for determining at least one actual state of the optical device, which characterizes an alignment of the at least two optical components, and at least one adjusting device for adjusting the alignment of the at least two optical components relative to one another depending on at least one determined actual state
  • the invention relates to a vehicle with at least one optical device for monitoring at least one monitoring area.
  • An optical scanning device and an image generation device are known from US Pat. No. 6,785,028 B1.
  • a light source emits a light beam and an optical scanning unit deflects the light beam from the light source and focuses the deflected light beam to form a spot of light on a scanned surface, the scanned surface being scanned by the light beam from the scanning optical unit.
  • a temperature detection unit detects the temperature of the optical pickup unit and its adjacent areas.
  • a temperature compensation unit adjusts a focus position of the light beam on the scanned surface in accordance with a change in temperature detected by the temperature detection unit, the temperature compensation unit adjusting the focus position of the light beam by having a focusing effect of a correction lens on the light beam from the light source by a controlled amount of movement of the Correction lens changed directly along its optical axis, which corresponds to the temperature change.
  • a correction lens actuator moves the correction lens along an optical axis in accordance with a control signal supplied from the temperature compensation control unit.
  • the temperature compensation control unit includes a memory in which is stored a table defining the relationship between temperature change and a corresponding defocus of the light beam on the scanned surface.
  • the invention is based on the object of designing a method, an optical device and a vehicle of the type mentioned at the outset, in which an alignment of at least two optically interacting optical components relative to one another can be improved.
  • the object is achieved according to the invention in the method in that at least two functionally interacting optical components of an optical device in the form of a LiDAR system are aligned with the method, at least one optical beam is sent into at least one monitoring area with at least one optical transmission device of the LiDAR system is received, at least one optical beam reflected in the at least one monitoring area is received with at least one of at least two optical receiving areas of the LiDAR system arranged along an imaginary axis of the receiving area and is converted into at least one actual illumination variable, which represents an actual illumination state with regard to the illumination of the at least an optimal see reception area characterized by the at least one reflected optical beam, the alignment of the at least two optical components is set relative to one another with at least one adjusting device of the LiDAR system on the basis of the at least one actual illumination variable.
  • an actual state of the optical device with regard to the alignment of the at least two functionally interacting optical components is determined in the form of actual illumination states of optical reception areas of the LiDAR system with regard to reflected optical beams.
  • the illumination of the optical receiving areas can be improved by appropriate alignment of the at least two optical components relative to one another.
  • the alignment of the at least two optical components is set using at least one adjustment device of the LiDAR system on the basis of actual illumination variables that characterize the actual illumination states.
  • the at least two optical components can be aligned during operation of the LiDAR system. In this way, the performance of the LiDAR system can be improved.
  • the LiDAR system can independently carry out the optimal alignment of the at least two optical components. In this way, deviations from the optimal alignment, which are caused in particular by aging processes of components of the LiDAR system, in particular by aging processes of fastening means such as adhesive spots, or by influences, in particular operational influences and/or external influences, such as temperature changes, humidity or the like, can also occur , to be compensated.
  • the at least one actuating device can advantageously be an electromechanical actuating device. Electromechanical actuators can be easily controlled with electrical control variables.
  • the at least one adjusting device can advantageously have at least one micro-actuator, in particular at least one piezo element. In this way, the at least one actuating device can be implemented in a more compact manner.
  • the at least one adjusting device can advantageously have a plurality of actuators. In this way, movements in different spatial directions, in particular in orthogonal spatial directions, can be carried out with the at least one adjusting device. Furthermore, the at least one adjusting device can be designed in such a way that it can be used to implement rotational movements of the at least two optical components relative to one another.
  • the LiDAR system can work according to a signal transit time method.
  • a distance to an object at which the optical beam is reflected can be determined as a function of the propagation time of a transmitted optical beam.
  • the LiDAR system can advantageously be designed as a laser-based distance measuring system.
  • Laser-based distance measuring systems can have lasers, in particular diode lasers, as beam sources.
  • pulsed laser beams can be sent as optical beams with lasers.
  • Lasers can be used to emit optical beams in wavelength ranges that are visible or invisible to the human eye.
  • receivers of the LiDAR system can be sensors designed for the wavelength of the emitted optical beams, in particular point sensors, line sensors and/or area sensors, in particular (avalanche) photodiodes, photodiode lines, CCD sensors, active pixel sensors, in particular CMOS sensors or the like, comprise or consist of.
  • the invention can advantageously be used in vehicles, in particular motor vehicles.
  • the invention can advantageously be used in land vehicles, in particular passenger cars, trucks, buses, motorcycles or the like, Aircraft, especially drones, and / or watercraft are used.
  • the invention can also be used in vehicles that can be operated autonomously or at least partially autonomously.
  • the invention is not limited to vehicles. It can also be used in stationary operation, in robotics and/or in machines, in particular construction or transport machines such as cranes, excavators or the like.
  • the LiDAR system can advantageously be connected to at least one electronic control device of a vehicle or a machine, in particular a driver assistance system or the like, or be part of such. In this way, at least some of the functions of the vehicle or machine can be carried out autonomously or partially autonomously.
  • the LiDAR system can be used to detect stationary or moving objects, in particular vehicles, people, animals, plants, obstacles, bumps in the roadway, in particular potholes or stones, roadway boundaries, traffic signs, free spaces, in particular parking spaces, precipitation or the like, and/or movements and /or gestures are used.
  • At least one control variable can be determined from a relationship between the actual illumination variables determined with the optical receiving areas and the positions of the optical receiving areas relative to one another, with which the at least one adjusting device can be controlled.
  • Patterns of the illumination of the optical reception areas can be characterized from the relationship between the actual illumination variables and the positions, in particular the geometric arrangement, of the optical reception areas relative to one another.
  • a defined beam profile of the optical beams can be specified with the transmitting device, which can be imaged on the optical receiving areas. If the optical components are optimally aligned, the beam profile can evenly illuminate the optical receiving areas. If the alignment deviates from the optimal alignment, this can result in individual optical receiving areas not being or not completely being targeted by the optical beam. be lit.
  • control parameters for the at least one control device can be determined more precisely.
  • At least one actual illumination variable can be determined, which characterizes a quantity, an intensity, a strength, a power and/or an energy of the optical beams impinging on the at least one optical reception area.
  • the actual illumination size can be used as a measure of the impinging optical rays.
  • At least one actual illumination variable can be normalized with respect to the performance of the corresponding optical reception area.
  • the at least one actual illumination variable can thus be related to an individual capability, in particular a performance, of the corresponding optical reception areas. In this way, the actual illumination parameters of the at least two optical reception areas can be compared directly with one another.
  • At least one actual illumination variable can advantageously be determined in the form of an electrical variable, in particular an electrical signal.
  • the at least one actual illumination variable can be further processed with appropriate evaluation means, in particular electrical evaluation means.
  • At least one optical beam can be transmitted with an elongated beam profile, the reflected at least one optical beam can be received with at least one of at least two optical reception areas arranged along the imaginary axis of the reception area, the actual illumination variables that characterize the respective actual illumination state of the at least two reception areas are compared with one another and/or with respective target illumination variables and, depending on the result of the comparison, the alignment of the at least two optical components relative to one another is adjusted, in particular the at least one position -Control variable are determined.
  • the imaging of the at least one optical beam onto the at least two optical reception areas can serve as a reference for the alignment of the at least two optical components.
  • the at least two optical receiving areas can be illuminated as uniformly as possible with the elongated beam profile of the reflected optical beam, so that they have comparable actual illumination variables, in particular the same normalized actual illumination variables.
  • the illumination of the optical receiving areas with the elongated beam profile of the reflected optical beam can be improved by appropriately changing the alignment of the at least two optical components.
  • At least one optical beam can be transmitted with an elongated beam profile in the form of a line.
  • Directions of lines can be precisely defined.
  • At least one of the optical components to be aligned can be moved relative to at least one other optical component, in particular are shifted and/or rotated, so that the image of the reflected optical beam, in particular the beam profile of the reflected optical beam imaged onto the reception areas, is moved relative to the optical reception area with the actual illumination size characterizing the lower illumination, and/or if the actual illumination parameters of at least two reception areas arranged along the reception area axis characterize roughly the same illumination of the respective reception areas, which lie below the illumination with the respective target illumination parameters, at least one of the optical components to be aligned relative to at least one other optical component be moved so that the image of the reflected optical beam, in particular the beam profile of the reflected optical beam imaged on the reception areas, is shifted relative to the axis of the reception area perpendicularly to the reception area axis, and/or
  • the at least one reflected optical beam with the elongated beam profile can be aligned as parallel as possible to the reception area axis with the aid of corresponding rotary and/or displacement movements, so that the reflected optical beam illuminates as uniformly as possible all optical reception areas.
  • the alignment method can be carried out iteratively. In this way, alignment can be further improved.
  • At least one reflected optical beam can be received with at least one of at least three optical reception areas, with at least two of the at least three optical see reception areas are arranged along the reception area axis and at least one optical reception area is arranged at a greater distance from the reception area axis than the at least two other reception areas.
  • the reception areas can be arranged in two dimensions. In this way, the alignment of the at least two optical components can be further improved.
  • the at least two reception areas can be arranged in a reception level or span such a level. In this way, the reflected optical beam can be more uniformly focused on the receiving areas.
  • optical components in the form of optical beam sources, optical sensors and/or optical systems, in particular optical lenses can be aligned with the method.
  • the optical components can be aligned in such a way that reflected optical beams can be better focused on optical components in the form of optical sensors.
  • At least one optical component in the form of an optical system in particular with at least one optical lens, which can be arranged in the beam path of the optical beams in front of a second optical component in the form of the at least two optical receiving areas, relative to the at least two optical receiving areas even during of the company.
  • the effect of the adjusting device on the alignment can be determined more directly.
  • At least one manipulated variable determined to improve the alignment of the at least two optical components can be stored in at least one memory means, in particular in connection with a temperature variable characterizing a temperature. In this way, the at least one manipulated variable can be taken over directly from the storage means.
  • the at least one manipulated variable can advantageously be stored in connection with a temperature variable that characterizes a temperature. In this way, the at least one manipulated variable can be determined directly from the temperature.
  • the at least one manipulated variable can be determined using a calculation routine, in particular in connection with the prevailing temperature. In this way, the need for storage means can be reduced.
  • the object is achieved according to the invention in the device in that the optical device is a LiDAR system which has at least one receiving device with at least one receiving area for receiving optical beams transmitted with the at least one transmitting device and at least one control and evaluation device for controlling the has at least one transmitting device and the at least one receiving device and for evaluating optical beams received with the at least one receiving device, and the at least one analysis device of the at least one alignment device of the LiDAR system has at least two optical receiving areas for receiving optical beams sent with the at least one transmitting device , at least one evaluation device for determining at least one actual illumination variable, which characterizes an actual illumination state with regard to an illumination of the at least two receiving areas of the at least one analysis device with optical beams, and at least one positioning control device for controlling the at least one positioning device on the basis of the at least one Has actual illumination size.
  • the optical device is a LiDAR system which has at least one receiving device with at least one receiving area for receiving optical beams transmitted with the at least one transmitting device and at least one control and
  • the LiDAR system has an analysis device with which at least one actual illumination variable can be determined, which characterizes an actual illumination state of the reception areas of the alignment device of the LiDAR system with reflected optical beams.
  • the LiDAR system has a positioning control device with which the at least one positioning device can be controlled on the basis of the determined at least one actual illumination variable in order to improve the illumination of the at least two reception areas with the reflected optical beam.
  • the at least two reception areas of the at least one analysis device can be implemented with reception areas of the at least one reception device and/or at least one reception area, in particular at least one reception area of the at least one analysis device and/or the at least one reception device, can be implemented with at least one optical sensor and/or at least one receiving device has at least one optical sensor with at least one receiving area for optical beams and/or the at least one transmitting device has or consists of at least one optical beam source, in particular at least one laser.
  • the at least two receiving areas of the at least one analysis device can advantageously be realized with receiving areas of the at least one receiving device. In this way, additional reception areas for the analysis device can be dispensed with. In this way, the alignment of the optical components, in particular the focussing of the optical beams on the receiving areas of the receiving device, can be directly analyzed and improved.
  • At least one receiving area can be implemented with at least one optical, in particular electro-optical, sensor.
  • the optical beams can be converted into corresponding received quantities.
  • the optical beams can be converted into electrical quantities received.
  • These received variables can be further processed with suitable evaluation means, in particular electrical evaluation means.
  • the corresponding actual illumination variables can be determined from the received variables, in particular electrical ones.
  • At least one receiving device can advantageously have at least one optical, in particular electro-optical, sensor with at least an optical beam receiving area.
  • optical beams can be converted into electrical signals.
  • At least one optical, in particular electro-optical, sensor can advantageously have at least one point sensor, line sensor and/or area sensor, in particular at least one (avalanche) photodiode, a photodiode line, a CCD sensor, an active pixel sensor, in particular a CMOS sensor or the like, have or consist of.
  • Such sensors can be used reliably and flexibly.
  • the at least one transmission device can advantageously have or consist of at least one optical beam source, in particular at least one laser.
  • the corresponding optical beams can be generated with the at least one transmitting device.
  • Laser beams can be precisely designed with a corresponding beam profile.
  • the at least one transmission device can advantageously have at least one surface emitter as an optical beam source.
  • a surface emitter also referred to as a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is a semiconductor laser in which the light is emitted perpendicular to the plane of the semiconductor chip.
  • VCSEL vertical-cavity surface-emitting laser
  • At least one of the at least two optical components to be aligned relative to one another can be an optical beam source, in particular at least one laser, an optical sensor, in particular with at least one optical receiving area, and/or an optical system, in particular at least one optical lens and/or the at least two reception areas of the analysis device and/or at least one reception area of the at least one reception device may be preceded by an imaging optical system, in particular at least one optical lens.
  • an imaging optical system the reflected optical beams can be focused on the at least two reception areas.
  • the at least one analysis device and/or the at least one positioning control device can be implemented using software and/or hardware and/or the at least one analysis device and/or the at least one positioning control device using means of the at least one controller - and evaluation device of the LiDAR system can be implemented and/or the LiDAR system has at least one comparison means, in particular at least one conversion table and/or at least one calculation routine, for comparing illumination variables, which actual illumination states and/or target illumination states of the LiDAR characterize the system.
  • the at least one analysis device and/or the at least one positioning control device can be implemented flexibly in terms of software and hardware.
  • the outlay can be reduced by implementing the at least one analysis device and/or the at least one positioning control device using means of the control and evaluation device.
  • Actual illumination states and target illumination states can be compared by using at least one comparison means. In this way, alignment can be further improved.
  • actuating control variables which are required for setting the alignment of the LiDAR system, can be assigned directly to corresponding actual state variables, which characterize the actual illumination state of the LiDAR system.
  • the required control variables can be taken directly from the conversion table.
  • the required control variables can be calculated individually on the basis of actual illumination variables, which characterize the actual illumination states of the LiDAR system.
  • the at least one actuating device can have at least one mechanical, in particular electromechanical, actuating element, in particular at least one micromechanical actuating element, in particular a piezoelectric element or the like, and/or the at least one actuating device can be mechanically directly or indirectly connected to at least one of the at least two relatively optical components to be aligned relative to one another can be connected, and/or at least the at least two optical components to be aligned relative to one another can be arranged to be movable relative to one another. In this way, the at least two optical components can be precisely aligned relative to one another.
  • Electromechanical actuators can be controlled precisely with electrical control variables.
  • Micromechanical actuators can be implemented to save space.
  • the LiDAR system can have at least one temperature detection means, with which at least one temperature variable can be determined, which characterizes at least one actual temperature of the LiDAR system.
  • the at least two optical components can additionally or alternatively be aligned on the basis of the actual temperature of the LiDAR system.
  • the object is achieved according to the invention in the vehicle in that the vehicle has at least one optical device according to the invention in the form of a LiDAR system.
  • the vehicle has at least one LiDAR system according to the invention, with which at least one monitoring area in an environment and/or in an interior of the vehicle can be monitored for objects.
  • the vehicle can advantageously have at least one driver assistance system. At least some of the functions of the vehicle, in particular driving functions, can be operated autonomously or partially autonomously with the aid of a driver assistance system.
  • At least one optical device in particular at least one LiDAR system, can advantageously be functionally connected to at least one driver assistance system of the vehicle.
  • information about the monitoring area in particular about objects in the monitoring area, which is determined using the at least one LiDAR system, can be used by the at least one driver assistance system for autonomous or semi-autonomous operation of the vehicle.
  • FIG. 1 shows a front view of a vehicle with a driver assistance system and a LiDAR system for monitoring a monitoring area in front of the vehicle in the direction of travel;
  • FIG. 2 shows a functional representation of the LiDAR system of the vehicle from FIG. 1, the LiDAR system having an alignment device for aligning the optical components of the LiDAR system;
  • FIG. 3 shows a view of an object in the form of a wall, which is illuminated with an optical beam with a line-shaped beam profile, which is generated with a laser of the LiDAR system from FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a front view of a receiver of the LiDAR system from FIG. 2 according to a first exemplary embodiment, with four reception areas arranged in a row, which is fastened to a carrier that can be moved with adjusting elements, with all reception areas of the receiver being evenly illuminated in a first illumination state with the on the optical beam reflected from the object from FIG. 3 is irradiated with a line-shaped beam profile;
  • FIG. 5 shows a receiving area intensity diagram in which the normalized actual illumination variables, which characterize the respective illumination of the receiving areas of the receiver in the first illumination state from FIG. 4, are assigned to the respective receiving areas;
  • FIG. 6 shows the front view of the receiver from FIG. 4, the optical beam being shifted along a receiving area axis of the receiver relative to the receiving areas in a second illumination state;
  • FIG. 7 shows the reception area intensity diagram for the second illumination state from FIG. 6
  • FIG. 8 shows the front view of the receiver from FIG. 4, with the optical beam being rotated relative to the reception area axis of the receiver relative to the reception areas in a third illumination state;
  • FIG. 9 shows the reception area intensity diagram for the third illumination state from FIG. 8
  • FIG. 10 shows the front view of the receiver from FIG. 4, the optical beam being displaced perpendicularly to the reception area axis of the receiver relative to the reception areas in a fourth illumination state;
  • FIG. 11 shows the receiving area intensity diagram for the fourth illumination state from FIG. 10
  • FIG. 12 shows a front view of a receiver according to a second exemplary embodiment, in which 16 reception areas are arranged in a 4 ⁇ 4 matrix.
  • FIG. 1 shows a front view of a vehicle 10 in the form of a passenger car.
  • vehicle 10 includes a LiDAR system 12 and a driver assistance system 14.
  • the LiDAR system 12 is shown in FIG. 2 in a functional representation.
  • the LiDAR system 12 is located, for example, in the front bumper of the vehicle 10 and is directed into a monitoring area 16 in front of the vehicle 10 in the direction of travel.
  • the LiDAR system 12 can also be arranged at a different point of the vehicle 10, also in a different orientation.
  • the vehicle 10 can also have several LiDAR systems 12, which can be aligned differently.
  • the LiDAR system 12 is functionally connected to the driver assistance system 14 .
  • Information about the monitoring area 16, which can be obtained with the LiDAR system 12, can be transmitted to the driver assistance system 14 via the connection.
  • the vehicle 10 can be operated autonomously or partially autonomously with the driver assistance system 14 .
  • FIG. 2 shows an example of an object 18 in the form of a wall. The surface of the wall facing the LiDAR system 12 is flat.
  • the x-axis extends, for example, parallel to a vehicle longitudinal axis of motor vehicle 10
  • the y-axis extends parallel to a vehicle transverse axis
  • the z-axis extends spatially upwards perpendicular to the x-y plane.
  • the motor vehicle 10 is operational on a horizontal roadway
  • the x-axis and y-axis extend horizontally in space and the z-axis extends vertically in space.
  • FIG. 2 shows the LiDAR system 12 and the object 18 in a plan view from above, viewed against the z-axis. The illustration is not true to scale.
  • the LiDAR system 12 comprises a transmitting device 20, a receiving device 22 and a control and evaluation device 24.
  • the transmission device 20 comprises an optical beam source in the form of a laser 26 and an optical system in the form of a transmission lens 28.
  • the laser 26 is connected to the control and evaluation device 24 in a controllable manner. In this way, the laser 26 can be controlled by means of the control and evaluation device 24 .
  • Optical beams 30 in the form of laser pulses can be generated with the laser 26 and sent in the direction of the transmitting lens 28 .
  • the beam profile of the optical beams 30 can be formed into a linear beam profile.
  • the optical beams 30 can along a optical transmission axis 36 of the transmission device 20 are sent into the monitoring area 16.
  • the optical beams 30 impinging on the flat surface of the object 18 produce a laser line 32 there.
  • the laser line 32 on the surface of the object 18 is shown in FIG.
  • the optical rays 30 can be reflected at the surface of the object 18 .
  • the optical beams 30 reflected in the direction of the receiving device 22 can be received with the receiving device 22 .
  • the reflected optical beams 30 can propagate to the receiving device 22 along an imaginary optical reflection axis 38 .
  • the laser line 32 of the optical beams 30 reflected on the object 18 in the direction of the receiving device 22 can be imaged on a receiver 34 of the receiving device 22 .
  • the receiving device 22 comprises the receiver 34, an adjustment device 40 for the receiver 34 and an optical system in the form of a receiving lens 42.
  • the receiving lens 42 is arranged in front of the receiver 34 when viewed from the monitoring area 16 .
  • Optical beams 30 reflected in the monitoring area 16 can be imaged onto the receiver 34 with the receiving lens 42 .
  • the receiving device 22 has an optical receiver axis 44 .
  • the receiver axis 44 ideally runs at a distance A parallel to the transmission axis 36.
  • An angle a between the reflection axis 38 of the reflected optical beams 30 and the reception axis 44 depends on the distance A between the transmission axis 36 and the reception axis 44 on the one hand and the Distance D of the object 18. The greater the distance D, the smaller the angle a at which the reflected optical beams 30 impinge on the receiving device 22.
  • the effect of misaligning the optical components of the LiDAR system 12, such as a laser 26, a transmit lens 28, a receiving lens 42 and a receiver 34 the measurement accuracy for objects 18 at a smaller distance D is greater than for objects 18 at a greater distance D.
  • the adjusting device 40 and the receiver 34 are shown in FIGS. 4, 6, 8 and 10 in a front view, viewed against the x-axis.
  • the receiver 34 is implemented as a diode array, for example.
  • the receiver 34 has, for example, four pixels which each form optical reception areas 46a, 46b, 46c and 46d for optical beams 30. With the receiver 34, optical beams 30 impinging on the reception areas 46a, 46b, 46c and 46d can be converted into electrical reception signals.
  • the receiver 34 is functionally connected to the control and evaluation device 24 .
  • the receiver 34 can be controlled with the control and evaluation device 24 and information determined with the receiver 34, for example in the form of received electrical signals, can be evaluated.
  • the reception areas 46a, 46b, 46c and 46d of the receiver 34 are arranged along an imaginary axis 48 of the reception area.
  • the receiving area axis 48 runs, for example, parallel to the y-axis and perpendicular to the x-axis, i.e. perpendicular to the optical receiving axis 44.
  • the receiver 34 and thus the receiving areas 46a, 46b, 46c and 46d are arranged on a carrier 50, for example in the form of a rectangular plate .
  • the carrier 50 is part of the adjusting device 40.
  • the adjusting device 40 has, for example, eight micro-electromechanical adjusting elements 52.
  • the adjusting elements 52 can be designed as piezo elements, for example.
  • the adjusting elements 52 are fastened with one side, for example their respective translator, for example at the corners of the carrier 50 .
  • the actuating elements 52 are each attached to the other side, for example the respective stator, for example via a frame part or a housing in the LiDAR system 12 (not shown).
  • the actuating elements 52 have different driving directions.
  • the drive directions of four of the actuating elements 52 run, for example, parallel to the y-axis.
  • the drive direction of the other four adjusting elements 52 runs parallel to the z-axis.
  • the adjusting elements 52 can be controlled individually with an adjusting control device 54 .
  • the positioning control device 54 is integrated into the control and evaluation device 24 , for example.
  • the carrier 50 and thus the receiver 34 with the reception areas 46 can be moved, for example rotated and/or pushed, in different spatial directions relative to other components of the LiDAR system 12 with the adjusting elements 52 .
  • the adjusting device 40 and the adjusting control device 54 form an alignment device 56 with which optical components of the LiDAR system 12 that interact in an optically functional manner can be aligned relative to one another.
  • the laser 26, the transmitting lens 28, the receiving lens 42 and the receiver 34 with the receiving areas 46 are such optically functionally interacting components of the LiDAR system 12.
  • the optical beams 30 are generated with the laser 26, and these optical beams 30 are generated with the transmitting lens 28 formed into laser lines 32 and with the receiving lens 42 the optical beams 30 generated with the laser 26 or the laser lines 32 formed with the transmitting lens 28 are imaged onto the receiving areas 46a, 46b, 46c and 46d of the receiver 34.
  • the LiDAR system 12 has an analysis device 58 .
  • the alignment of the functionally interacting optical components, namely the reception areas 46a, 46b, 46c and 46d, the reception lens 42, the transmission lens 28 and the laser 26, can be analyzed with the analysis device 58 .
  • the analysis device 58 includes the reception areas 46a, 46b, 46c and 46d and an evaluation device 60.
  • the evaluation device 60 is implemented as part of the control and evaluation device 28, for example.
  • the evaluation device 60 can be used to determine actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d characterizing an actual illumination state AZ of the reception areas 46a, 46b, 46c and 46d with regard to the reflected optical beams 30.
  • FIGS. 4, 6, 8 and 10 show four different actual illumination states AZ, which are labeled AZi, AZH, AZIH and AZiv for better differentiation. In FIGS.
  • the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d characterizing the respective actual illumination states AZi, AZH, AZm and AZiv are shown for the receiving areas 46a, 46b, 46c and 46d are each shown in a receiving area-intensity diagram.
  • the positioning device 40 can be controlled with the positioning control device 54 on the basis of the actual illumination parameters 62a, 62b, 62c and 62d determined with the analysis device 58, in order to align the optical components, namely the receiver 34 with the reception areas 46, the reception lens 42 , the transmitting lens 28 and the laser 26 to optimize.
  • a first actual illumination state AZi is shown in FIG. 4, in which the reflected laser line 32 uniformly covers all four reception areas 46a, 46b, 46c and 46d.
  • An actual illumination variable 62a, 62b, 62c and 62d characterizing the respective illumination is determined for each reception area 46a, 46b, 46c and 46d from the electrical reception variables obtained with the reception areas 46a, 46b, 46c and 46d.
  • the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d are each normalized intensities P of the portions of the laser line 32 of the reflected optical beams 30 impinging on the respective reception areas 46a, 46b, 46c and 46d.
  • the reception area intensity diagram in FIG. 5 shows the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d for the respective reception areas 46a, 46b, 46c and 46d, which characterize the actual illumination state AZi shown in FIG. Since all four reception areas 46a, 46b, 46c and 46d are radiated evenly with the laser line 32 of the optical beams 30, the normalized actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d are of the same size.
  • the amount of the normalized actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d is equal to 1 in each case. Due to the normalization of the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d, 1 corresponds to the maximum performance (performance P) of the respective reception areas 46a, 46b, 46c and 46d and represents a target illumination variable (63).
  • FIG. 6 An actual illumination state AZH is shown in FIG. 6, in which the laser line 32 is shifted parallel to the axis 48 .
  • the lower receiving area 46d in FIG. 6 is only partially illuminated with the laser line 32.
  • the corresponding actual illumination variable 62d is smaller than the actual illumination variables 62a, 62b and 62c for the other reception areas 46a, 46b and 46c.
  • the laser line 32 is shifted in the axial direction along the reception area axis 48, this is reflected in an asymmetrical distribution of the actual illumination parameters 62a, 62b, 62c and 62d.
  • asymmetrical means that smaller actual illumination variables 62, such as actual illumination variable 62d shown in FIG.
  • the corresponding comparison of the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d with the aid of the evaluation device 60 determines that a displacement of the receiver 34 axially to the reception area axis 48, i.e parallel to the y-axis, is required to improve the alignment of the optically interacting components.
  • corresponding control variables for example in the form of electrical voltages, are generated with the evaluation device 60, with which the actuating elements 52 are controlled via the actuating control device 54 in such a way that the carrier 50 with the receiving areas 46 parallel to the y-axis is postponed.
  • the reflected optical beam 30, or the laser line 32 imaged on the reception areas 46 is moved towards the reception area 46d, which is only partially illuminated.
  • the amount of displacement required for the receiver 34 and the corresponding control variables can be determined from the distance of the absolute value of the lower actual illumination variable 62d from FIG. After a shift has taken place, the actual illumination state AZ can be analyzed again and, if necessary, a further shift can be carried out. In this way, alignment can be improved iteratively.
  • symmetrical distribution of the actual illumination parameters 62a, 62b, 62c and 62d means that the actual illumination parameters 62a and 62d for the outer reception areas 46a and 46d are smaller than the actual illumination parameters 62b and 62c for the central reception areas 46b and 46c .
  • An asymmetrical distribution of the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d can be detected with the evaluation device 60 using the evaluation device 60 .
  • the adjusting elements 52 can be controlled by means of the adjusting control device 54 with the corresponding adjusting control variables in such a way that the carrier 50 with the receiver 34, i.e. the reception area axis 48, is rotated relative to the laser line 32.
  • the image of the reflected optical beam 30, namely the laser line 32 is rotated relative to the reception area axis 48.
  • a required measure for the rotation for example a rotation angle, can be determined from the amounts of the reduced actual illumination variables 62a and 62d compared to the target illumination variable (63) with the amount 1.
  • the direction of rotation required can be determined by trial and error.
  • the adjusting elements 52 are controlled accordingly with the adjusting control device 54 in such a way that the carrier 50 communicates with the receiver 34 is rotated in one direction relative to the laser line 32 .
  • a further analysis of the orientation is then carried out. If the actual illumination quantities 62a, 62b, 62c and 62da and 62d have further reduced as a result of the rotation, a rotation in the opposite direction is carried out in a next step.
  • the analysis of the alignment is then carried out again and, if necessary, a further rotation with a new change in direction of rotation and/or a changed angle of rotation is performed. This is repeated until all four actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d correspond to the target illumination variable (63)n, ie are approximately 1.
  • the actual illumination state AZiv requires a lateral displacement of the receiver 34 perpendicular to the receiving area axis 48 to improve the alignment.
  • the image of the reflected optical beam 30, namely the laser line 32 is shifted relative to the reception area axis 48 perpendicularly.
  • the direction and/or the extent of the required displacement can be determined using a trial and error method. If the actual illumination quantities 62a, 62b, 62c and 62d decrease after a shift, the direction of shift must be changed. A measure of the required shift can be determined from the amounts of the actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d.
  • the laser line 32 varies both in the direction of the reception area axis 48 and in the direction perpendicular to the reception area axis 48. pushed, but can also be twisted with respect to the receiving area axis 48. If this is the case, displacements and rotations are carried out in the manner described above until the alignment of the optical components, namely the receiver 34 with the receiving areas 46a, 46b, 46c and 46d, the receiving lens 42, the transmitting lens 28 and the laser 26, is optimized.
  • the illumination state AZi shown in FIG. 5 sets in, in which all characterizing actual illumination variables 62a, 62b, 62c and 62d, as shown in FIG. 5, are equal to the target illumination variable (63), namely 1 are.
  • the analysis of the alignment and the alignment of the optical components namely the receiver 34 with the receiving areas 46a, 46b, 46c and 46d, the receiving lens 42, the transmitting lens 28 and the laser 26 can be performed during operation of the LiDAR system 12.
  • alignment degenerations can be corrected.
  • Such degeneration can occur, for example, as a result of the effects of temperature and moisture, loss of elasticity of components, for example adhesive materials, of the LiDAR system 10, and/or loosening of mechanical connections, for example screws or the like.
  • the type of power loss for example the reduction in the actual illumination variables 62, can be analyzed using analysis cycles in which the actual illumination state AZ is analyzed.
  • setting control variables determined in the analysis cycles, with which the setting device 40 can be controlled to improve the alignment can be stored in a storage means 66 and used for later alignments of the LiDAR system 12 .
  • the storage means 66 can be part of the control and evaluation device 24, for example.
  • the LiDAR system 12 from FIG. 2 can have a temperature detection device 64 with which a temperature of the LiDAR system 12 can be determined.
  • a conversion table can be stored in the storage means 66, in which temperatures and control variables required to improve the alignment of the optical components for controlling the control device 40 are stored. In this way, the alignment of the optical components can be performed depending on the detected temperature.
  • FIG. 12 shows a receiver 34 according to a second exemplary embodiment.
  • the receiver 34 according to the second exemplary embodiment has, by way of example, 16 reception areas 46 which are arranged over an area in a 4 ⁇ 4 matrix.
  • the reception areas 46 lying next to one another, viewed perpendicularly to the reception area axis 48, can also be used here.

Landscapes

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Ausrichten von wenigstens zwei optisch funktional zusammenwirkenden Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) einer optischen Vorrichtung (12) relativ zueinander, eine optische Vorrichtung (12) und ein Fahrzeug (10) beschrieben. Bei dem Verfahren werden ein Ist-Zustand (AZ) der optischen Vorrichtung (12) ermittelt, welcher eine Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) charakterisiert, und die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) abhängig von dem wenigstens einen ermittelten Ist-Zustand (AZ) eingestellt. Mit dem Verfahren werden wenigstens zwei funktional zusammenwirkende optische Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) einer optischen Vorrichtung (12) in Form eines LiDAR-Systems (12) ausgerichtet. Mit wenigstens einer optischen Sendeeinrichtung (20) des LiDAR-Systems (12) wird wenigstens ein optischer Strahl (30) in wenigstens einen Überwachungsbereich (16) gesendet. Wenigstens ein in dem wenigstens einen Überwachungsbereich (16) reflektierter optischer Strahl (30) wird mit wenigstens einem von wenigstens zwei entlang einer gedachten Empfangsbereichsachse angeordneten optischen Empfangsbereichen (46) des LiDAR-Systems (12) empfangen und in wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße (62) umgewandelt, welche einen Ist-Ausleuchtungszustand (AZ) bezüglich der Ausleuchtung des wenigstens einen optischen Empfangsbereichs (46) mit den wenigstens einen reflektierten optischen Strahl (30) charakterisiert. Die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zueinander wird mit wenigstens einer Stelleinrichtung (40) des LiDAR-Systems (12) auf Basis der wenigstens einen Ist-Ausleuchtungsgröße (62) eingestellt.

Description

2021PF00891
Beschreibung
Verfahren zum Ausrichten von wenigstens zwei optisch funktional zusammenwirkenden Komponenten einer optischen Vorrichtung, optische Vorrichtung und Fahrzeug mit wenigstens einer optischen Vorrichtung zur Überwachung wenigstens eines Überwachungsbereichs
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten von wenigstens zwei optisch funktional zusammenwirkenden Komponenten einer optischen Vorrichtung, insbesondere eines optischen Vorrichtung für ein Fahrzeug, relativ zueinander, bei dem ein Ist- Zustand der optischen Vorrichtung ermittelt wird, welcher eine Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten charakterisiert, und die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten abhängig von dem wenigstens einen ermittelten Ist- Zustand eingestellt wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine optische Vorrichtung, insbesondere eine optische Vorrichtung für ein Fahrzeug, mit wenigstens einer Sendeeinrichtung zum Senden von optischen Strahlen und mit wenigstens einer Ausrichteinrichtung zum Ausrichten von wenigstens zwei funktional zusammenwirkenden optischen Komponenten der optischen Vorrichtung relativ zueinander, wobei die wenigstens eine Ausrichteinrichtung wenigstens eine Analyseeinrichtung zur Ermittlung wenigstens eines Ist-Zustands der optischen Vorrichtung, welcher eine Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten charakterisiert, und wenigstens eine Stelleinrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten relativ zueinander abhängig von wenigstens einem ermittelten Ist- Zustand aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit wenigstens einer optischen Vorrichtung zur Überwachung wenigstens eines Überwachungsbereichs.
Stand der Technik
Aus der US 6.785.028 B1 sind eine optische Abtastvorrichtung und ein Bilderzeugungsgerät bekannt. Eine Lichtquelle emittiert einen Lichtstrahl und eine optische Abtasteinheit lenkt den Lichtstrahl von der Lichtquelle ab und fokussiert den abgelenkten Licht- strahl, um einen Lichtpunkt auf einer abgetasteten Oberfläche zu bilden, wobei die abgetastete Oberfläche durch den Lichtstrahl von der optischen Abtasteinheit abgetastet wird. Eine Temperaturerfassungseinheit erfasst die Temperatur der optischen Abtasteinheit und ihrer benachbarten Bereiche. Eine Temperaturkompensationseinheit stellt eine Brennpunktposition des Lichtstrahls auf der abgetasteten Oberfläche in Übereinstimmung mit einer Änderung der von der Temperaturerfassungseinheit erfassten Temperatur ein, wobei die Temperaturkompensationseinheit die Brennpunktposition des Lichtstrahls einstellt, indem sie einen Fokussierungseffekt einer Korrekturlinse auf den Lichtstrahl von der Lichtquelle durch einen kontrollierten Bewegungsbetrag der Korrekturlinse entlang ihrer optischen Achse, der der Temperaturänderung entspricht, direkt verändert. Ein Korrekturlinsen-Aktuator bewegt die Korrekturlinse entlang einer optischen Achse in Übereinstimmung mit einem Steuersignal, das von der Temperaturkompensations-Steuereinheit geliefert wird. Die Steuereinheit für die Temperaturkompensation enthält einen Speicher, in dem eine Tabelle gespeichert ist, die die Beziehung zwischen der Temperaturänderung und einer entsprechenden Brennpunktsabweichung des Lichtstrahls auf der abgetasteten Oberfläche definiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine optische Vorrichtung und ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zu gestalten, bei denen eine Ausrichtung von wenigstens zwei optisch zusammenwirkenden optischen Komponenten relativ zueinander verbessert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren dadurch gelöst, dass mit dem Verfahren wenigstens zwei funktional zusammenwirkende optische Komponenten einer optischen Vorrichtung in Form eines LiDAR-Systems ausgerichtet werden, mit wenigstens einer optischen Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems wenigstens ein optischer Strahl in wenigstens einen Überwachungsbereich gesendet wird, wenigstens ein in dem wenigstens einen Überwachungsbereich reflektierter optischer Strahl mit wenigstens einem von wenigstens zwei entlang einer gedachten Empfangsbereichsachse angeordneten optischen Empfangsbereichen des LiDAR-Systems empfangen und in wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße umgewandelt wird, welche einen Ist-Ausleuchtungszustand bezüglich der Ausleuchtung des wenigstens einen opti- sehen Empfangsbereichs mit den wenigstens einen reflektierten optischen Strahl charakterisiert, die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten relativ zueinander mit wenigstens einer Stelleinrichtung des LiDAR-Systems auf Basis der wenigstens einen Ist-Ausleuchtungsgröße eingestellt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Ist-Zustand der optischen Vorrichtung bezüglich der Ausrichtung der wenigstens zwei funktional zusammenwirkenden optischen Komponenten in Form von Ist-Ausleuchtungszuständen von optischen Empfangsbereichen des LiDAR- Systems bezüglich reflektierten optischen Strahlen ermittelt. Durch entsprechende Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten relativ zueinander kann die Ausleuchtung der optischen Empfangsbereiche verbessert werden. Um die Ausleuchtung zu verbessern, wird die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten mithilfe wenigstens einer Stelleinrichtung des LiDAR-Systems auf Basis von Ist- Ausleuchtungsgrößen, welche die Ist-Ausleuchtungszustände charakterisieren, eingestellt.
Vorteilhafterweise können die wenigstens zwei optischen Komponenten während des Betriebs des LiDAR-Systems ausgerichtet werden. So kann die Performance des LiDAR-Systems verbessert werden.
Zur Ausrichtung ist keine Vorschrift, insbesondere werkseitige Vorschrift, erforderlich, welche vorgibt, in welcher Weise die optischen Komponenten in einer spezifischen Betriebssituation des LiDAR-Systems auszurichten sind. Mithilfe der Erfindung kann das LiDAR-System selbstständig die optimale Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten durchführen. Auf diese Weise können auch Abweichungen von der optimalen Ausrichtung, die insbesondere durch Alterungsprozesse von Komponenten des LiDAR-Systems, im Besonderen durch Alterungsprozesse von Befestigungsmitteln wie Klebestellen, oder durch Einflüsse, insbesondere betriebsbedingte Einflüsse und/oder äußere Einflüsse, wie Temperaturänderungen, Feuchtigkeit oder dergleichen, kompensiert werden. Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Stelleinrichtung eine elektromechanische Stelleinrichtung sein. Elektromechanische Stelleinrichtungen können einfach mit elektrischen Stell-Steuergrößen angesteuert werden.
Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Stelleinrichtung wenigstens einen Mikro- Aktuator, insbesondere wenigstens ein Piezoelement, aufweisen. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Stelleinrichtung kompakter realisiert werden.
Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Stelleinrichtung mehrere Aktuatoren aufweisen. Auf diese Weise können mit der wenigstens einen Stelleinrichtung Bewegungen in unterschiedliche Raumrichtungen, insbesondere in orthogonalen Raumrichtungen, durchgeführt werden. Ferner kann die wenigstens eine Stelleinrichtung so ausgestaltet sein, dass mit ihr Drehbewegungen der wenigstens zwei optischen Komponenten relativ zueinander realisiert werden können.
Vorteilhafterweise kann das LiDAR-System nach einem Signal-Laufzeitverfahren arbeiten. Bei einem Signal-Laufzeitverfahren kann abhängig von der Laufzeit eines gesendeten optischen Strahls eine Entfernung zu einem Objekt, an dem der optische Strahl reflektiert wird, ermittelt werden.
Vorteilhafterweise kann das LiDAR-System als laserbasiertes Entfernungsmesssystem ausgestaltet sein. Laserbasierte Entfernungsmesssysteme können Laser, insbesondere Diodenlaser, als Strahlquellen aufweisen. Mit Lasern können insbesondere gepulste Laserstrahlen als optische Strahlen gesendet werden. Mit Lasern können optische Strahlen in für das menschliche Auge sichtbaren oder nicht sichtbaren Wellenlängenbereichen emittiert werden. Entsprechend können Empfänger des LiDAR-Systems für die Wellenlänge der ausgesendeten optischen Strahlen ausgelegte Sensoren, insbesondere Punktsensoren, Zeilensensoren und/oder Flächensensoren, im Besonderen eine (Lawinen)fotodioden, Photodiodenzeilen, CCD-Sensoren, Active-Pixel-Sensoren, insbesondere CMOS-Sensoren oder dergleichen, aufweisen oder daraus bestehen.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, verwendet werden. Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei Landfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen, Motorrädern oder dergleichen, Luftfahrzeugen, insbesondere Drohnen, und/oder Wasserfahrzeugen verwendet werden. Die Erfindung kann auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die autonom oder wenigstens teilautonom betrieben werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf Fahrzeuge. Sie kann auch im stationären Betrieb, in der Robotik und/oder bei Maschinen, insbesondere Bau- oder Transportmaschinen, wie Kränen, Baggern oder dergleichen, eingesetzt werden.
Das LiDAR-System kann vorteilhafterweise mit wenigstens einer elektronischen Steuervorrichtung eines Fahrzeugs oder einer Maschine, insbesondere einem Fahrerassistenzsystem oder dergleichen, verbunden oder Teil einer solchen sein. Auf diese Weise kann wenigstens ein Teil der Funktionen des Fahrzeugs oder der Maschine autonom oder teilautonom ausgeführt werden.
Das LiDAR-System kann zur Erfassung von stehenden oder bewegten Objekten, insbesondere Fahrzeugen, Personen, Tieren, Pflanzen, Hindernissen, Fahrbahnunebenheiten, insbesondere Schlaglöchern oder Steinen, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräumen, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, und/oder von Bewegungen und/oder Gesten eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann aus einer Beziehung zwischen den mit den optischen Empfangsbereichen jeweils ermittelten Ist- Ausleuchtungsgrößen und den Lagen der optischen Empfangsbereiche relativ zueinander wenigstens eine Stell-Steuergröße ermittelt werden, mit der die wenigstens eine Stelleinrichtung angesteuert werden kann.
Aus der Beziehung zwischen den Ist-Ausleuchtungsgrößen und den Lagen, insbesondere der geometrischen Anordnung, der optischen Empfangsbereiche relativ zueinander können Muster der Ausleuchtung der optischen Empfangsbereiche charakterisiert werden. So kann insbesondere ein definiertes Strahlprofil der optischen Strahlen mit der Sendeeinrichtung vorgegeben werden, welches auf den optischen Empfangsbereichen abgebildet werden kann. Bei optimaler Ausrichtung der optischen Komponenten kann das Strahlprofil die optischen Empfangsbereiche gleichmäßig anleuchten. Falls die Ausrichtung von der optimalen Ausrichtung abweicht, kann das dazu führen, dass einzelne optische Empfangsbereiche nicht oder nicht vollständig von dem optischen Strahl ange- leuchtet werden. Aus der Kenntnis der Beziehung zwischen den Ist- Ausleuchtungsgrößen und den Lagen der optischen Empfangsbereichen können die Art der Abweichung der Ausrichtung und die erforderlichen Maßnahmen zur Verbesserung der Ausrichtung, insbesondere die Richtung und/oder Art einer mit der wenigstens Stelleinrichtung zu bewirkenden Korrekturbewegung, ermittelt werden. Aus der Beziehung zwischen den Ist-Ausleuchtungsgrößen und den Lagen der optischen Empfangsbereichen relativ zueinander können so Stell-Steuergrößen für die wenigstens eine Stelleinrichtung genauer ermittelt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens eine Ist- Ausleuchtungsgröße ermittelt werden, welche eine Menge, eine Intensität, eine Stärke, eine Leistung und/oder eine Energie der auf den wenigstens einen optischen Empfangsbereich treffenden optischen Strahlen charakterisiert. Auf diese Weise kann die Ist-Ausleuchtungsgröße als Maß für die auftreffenden optischen Strahlen verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße bezüglich der Leistungsfähigkeit des entsprechenden optischen Empfangsbereichs normiert sein. Die wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße kann so zu einer individuellen Leistungsfähigkeit, insbesondere einer Performance, der entsprechenden optischen Empfangsbereiche in Beziehung gesetzt werden. Auf diese Weise können die Ist-Ausleuchtungsgrößen der wenigstens zwei optischen Empfangsbereiche direkt miteinander verglichen werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße in Form einer elektrischen Größe, insbesondere einem elektrischen Signal, ermittelt werden. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße mit entsprechenden Auswertemitteln, insbesondere elektrischen Auswertemitteln, weiterverarbeitet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein optischer Strahl mit einem länglichen Strahlprofil gesendet werden, der reflektierte wenigstens eine optische Strahl mit wenigstens einer von wenigstens zwei entlang der gedachten Empfangsbereichsachse angeordneten optischen Empfangsbereichen empfangen werden, die den jeweiligen Ist-Ausleuchtungszustand der wenigstens zwei Empfangsbereiche jeweils charakterisierenden Ist-Ausleuchtungsgrößen miteinander und/oder mit jeweiligen Soll-Ausleuchtungsgrößen verglichen werden und abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten relativ zueinander eingestellt werden, insbesondere die wenigstens eine Stell-Steuergröße ermittelt werden.
Durch das längliche Strahlprofil des wenigstens einen optischen Strahls kann die Abbildung des wenigstens einen optischen Strahls auf die die wenigstens zwei optischen Empfangsbereiche als Referenz für die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten dienen. Durch die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten kann erreicht werden, dass die wenigstens zwei optischen Empfangsbereiche möglichst gleichmäßig mit dem länglichen Strahlprofil des reflektierten optischen Strahls angeleuchtet werden, sodass diese vergleichbare Ist-Ausleuchtungsgrößen, insbesondere gleiche normierte Ist-Ausleuchtungsgrößen, aufweisen.
Durch entsprechendes Verändern der Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten kann die Ausleuchtung der optischen Empfangsbereiche mit dem länglichen Strahlprofil des reflektierten optischen Strahls verbessert werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens ein optischer Strahl mit einem länglichen Strahlprofil in Form einer Linie gesendet werden. Richtungen von Linien können präzise definiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann, falls eine der Ist-Ausleuchtungsgrößen eine geringere Ausleuchtung des betreffenden optischen Empfangsbereichs charakterisiert als die Ist-Ausleuchtungsgröße eines benachbarten optischen Empfangsbereichs, wenigstens eine der auszurichtenden optischen Komponenten relativ zu wenigstens einer anderen optischen Komponente so bewegt, insbesondere verschoben und/oder gedreht, werden, dass die Abbildung des reflektierten optischen Strahls, insbesondere das auf die Empfangsbereiche abgebildete Strahlprofil des reflektierten optischen Strahls, relativ auf den optischen Empfangsbereich mit der die geringere Ausleuchtung charakterisierenden Ist-Ausleuchtungsgröße zu bewegt wird, und/oder falls die Ist-Ausleuchtungsgrößen von wenigstens zwei entlang der Empfangsbereichsachse angeordneten Empfangsbereiche etwa gleiche Ausleuchtungen der betreffenden Empfangsbereiche charakterisieren, welche unterhalb der Ausleuchtung mit den jeweiligen Soll-Ausleuchtungsgrößen liegen, wenigstens eine der auszurichtenden optischen Komponenten relativ zu wenigstens einer anderen optischen Komponente so bewegt werden, dass die Abbildung des reflektierten optischen Strahls, insbesondere das auf die Empfangsbereiche abgebildete Strahlprofil des reflektierten optischen Strahls, senkrecht zu der Empfangsbereichsachse relativ verschoben wird, und/oder falls bei wenigstens drei entlang der Empfangsbereichsachse angeordneten optischen Empfangsbereichen die Ist-Ausleuchtungsgröße wenigstens eines Empfangsbereichs, der zwischen zwei der anderen Empfangsbereichen liegt, größere Ausleuchtungen charakterisiert als die jeweiligen Ist-Ausleuchtungsgrößen der wenigstens zwei Empfangsbereiche, zwischen denen der wenigstens eine Empfangsbereich mit der größeren Ausleuchtung liegt, wenigstens eine der auszurichtenden Komponenten relativ zu wenigstens einer anderen optischen Komponente so bewegt werden, dass die Abbildung des reflektierten optischen Strahls, insbesondere das auf die Empfangsbereiche abgebildete Strahlprofil des reflektierten optischen Strahls, relativ zu der Empfangsbereichsachse gedreht wird.
Auf diese Weise kann mithilfe von entsprechenden Dreh- und/oder Verschiebebewegungen der wenigstens eine reflektierte optische Strahl mit dem länglichen Strahlprofil möglichst parallel zu der Empfangsbereichsachse ausgerichtet werden, sodass der reflektierte optische Strahl gleichmäßig möglichst alle optischen Empfangsbereiche ausleuchtet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Verfahren zur Ausrichtung iterativ durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Ausrichtung weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein reflektierter optischer Strahl mit wenigstens einem von wenigstens drei optischen Empfangsbereichen empfangen werden, wobei wenigstens zwei der wenigstens drei opti- sehen Empfangsbereiche entlang der Empfangsbereichsachse angeordnet sind und wenigstens ein optischer Empfangsbereich in einer größeren Entfernung zu der Empfangsbereichsachse angeordnet ist, als die wenigstens zwei anderen Empfangsbereiche. Auf diese Weise können die Empfangsbereiche in zwei Dimensionen angeordnet sein. So kann die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die wenigstens zwei Empfangsbereiche in einer Empfangsebene angeordnet sein oder eine solche aufspannen. Auf diese Weise kann der reflektierte optische Strahl gleichmäßiger auf die Empfangsbereiche fokussiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können mit dem Verfahren optische Komponenten in Form von optischen Strahlquellen, optischen Sensoren und/oder optischen Systemen, insbesondere optischen Linsen, ausgerichtet werden. Auf diese Weise können die optischen Komponenten so ausgerichtet werden, dass reflektierte optische Strahlen besser auf optische Komponenten in Form von optischen Sensoren fokussiert werden können.
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine optische Komponente in Form eines optischen Systems, insbesondere mit wenigstens einer optischen Linse, welche im Strahlengang der optischen Strahlen vor einer zweiten optischen Komponente in Form der wenigstens zwei optischen Empfangsbereiche angeordnet sein kann, relativ zu den wenigstens zwei optischen Empfangsbereichen auch während des Betriebs ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann die Wirkung der Stelleinrichtung auf die Ausrichtung direkter ermittelt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens eine zur Verbesserung der Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten ermittelte Stell-Steuergröße insbesondere in Verbindung mit einer eine Temperatur charakterisierenden Temperaturgröße in wenigstens einem Speichermittel gespeichert werden. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Stell-Steuergröße direkt aus dem Speichermittel übernommen werden. Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Stell-Steuergröße in Verbindung mit einer eine Temperatur charakterisierenden Temperaturgröße gespeichert werden. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Stell-Steuergröße direkt aus der Temperatur ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Stell-Steuergröße mithilfe einer Rechenroutine, insbesondere in Verbindung mit der herrschenden Temperatur, ermittelt werden. Auf diese Weise kann auf der Bedarf an Speichermitteln verringert werden.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei der Vorrichtung dadurch gelöst, dass die optische Vorrichtung ein LiDAR-System ist, welches wenigstens eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Empfangsbereich zum Empfangen von mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung gesendeten optischen Strahlen und wenigstens eine Steuer- und Auswerteeinrichtung zur Steuerung der wenigstens einen Sendeeinrichtung und der wenigstens einen Empfangseinrichtung und zur Auswertung von mit der wenigstens einen Empfangseinrichtung empfangenen optischen Strahlen aufweist, und die wenigstens eine Analyseeinrichtung der wenigstens einen Ausrichteinrichtung des LiDAR-Systems wenigstens zwei optische Empfangsbereiche zum empfangen von mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung gesendeten optischen Strahlen, wenigstens eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln wenigstens einer Ist-Ausleuchtungsgröße, welche einen Ist-Ausleuchtungszustand bezüglich einer Ausleuchtung der wenigstens zwei Empfangsbereiche der wenigstens eine Analyseeinrichtung mit optischen Strahlen charakterisiert, und wenigstens eine Stell-Steuereinrichtung zum Steuern der wenigstens einen Stelleinrichtung auf Basis der wenigstens einen Ist-Ausleuchtungsgröße aufweist.
Erfindungsgemäß weist das LiDAR-System eine Analyseeinrichtung auf, mit welcher wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße ermittelt werden kann, welche einen Ist- Ausleuchtungszustand der Empfangsbereiche der Ausrichteinrichtung des LiDAR- Systems mit reflektierten optischen Strahlen charakterisiert.
Ferner weist das LiDAR-System eine Stell-Steuereinrichtung auf, mit der die wenigstens eine Stelleinrichtung auf Basis der ermittelten wenigstens einen Ist-Ausleuchtungsgröße angesteuert werden kann, um die Ausleuchtung der wenigstens zwei Empfangsbereiche mit dem reflektierten optischen Strahl zu verbessern. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die wenigstens zwei Empfangsbereiche der wenigstens einen Analyseeinrichtung mit Empfangsbereichen der wenigstens einen Empfangseinrichtung realisiert sein und/oder wenigstens ein Empfangsbereich, insbesondere wenigstens ein Empfangsbereich der wenigstens einen Analyseeinrichtung und/oder der wenigstens einen Empfangseinrichtung, mit wenigstens einem optischen Sensor realisiert sein und/oder wenigstens eine Empfangseinrichtung wenigstens einen optischen Sensor mit wenigstens einem Empfangsbereich für optische Strahlen aufweisen und/oder die wenigstens eine Sendeeinrichtung wenigstens eine optische Strahlquelle, insbesondere wenigstens einen Laser, aufweisen oder daraus bestehen.
Vorteilhafterweise können die wenigstens zwei Empfangsbereiche der wenigstens einen Analyseeinrichtung mit Empfangsbereichen der wenigstens einen Empfangseinrichtung realisiert sein. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Empfangsbereiche für die Analyseeinrichtung verzichtet werden. So kann die Ausrichtung der optischen Komponenten, insbesondere die Fokussierung der optischen Strahlen auf die Empfangsbereiche der Empfangseinrichtung, direkt analysiert und verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Empfangsbereich mit wenigstens einem optischen, insbesondere elektrooptischen, Sensor realisiert sein. Mit einem optischen Sensor können die optischen Strahlen in entsprechende Empfangsgrößen umgewandelt werden. Mit einem elektrooptischen Sensor können die optischen Strahlen elektrische Empfangsgrößen umgewandelt werden. Diese Empfangsgrößen können mit geeigneten Auswertemitteln, insbesondere elektrischen Auswertemitteln, weiterverarbeitet werden. Aus den insbesondere elektrischen Empfangsgrößen können die entsprechenden Ist-Ausleuchtungsgrößen ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhafterweise wenigstens eine Empfangseinrichtung wenigstens einen optischen, insbesondere elektrooptischen, Sensor mit wenigstens einem Empfangsbereich für optische Strahlen aufweisen. Mit elektrooptischen Sensoren können optische Strahlen in elektrische Empfangsgrößen umgewandelt werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens ein optischer, insbesondere elektrooptischer, Sensor wenigstens einen Punktsensor, Zeilensensor und/oder Flächensensor, im Besonderen wenigstens eine (Lawinen)fotodiode, eine Photodiodenzeile, einen CCD-Sensor, einen Active-Pixel-Sensor, insbesondere einen CMOS-Sensor oder dergleichen, aufweisen oder daraus bestehen. Derartige Sensoren sind zuverlässig und flexibel einsetzbar.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhafterweise die wenigstens eine Sendeeinrichtung wenigstens eine optische Strahlquelle, insbesondere wenigstens einen Laser, aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise können mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung die entsprechenden optischen Strahlen erzeugt werden. Laserstrahlen können präzise mit einem entsprechenden Strahlprofil ausgestaltet werden.
Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Sendeeinrichtung wenigstens einen Oberflächenemitter als optische Strahlquelle aufweisen. Ein Oberflächenemitter, im englischen auch als vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) bezeichnet, ist ein Halbleiterlaser, bei dem das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens eine der wenigstens zwei relativ zueinander auszurichtenden optischen Komponenten eine optische Strahlquelle, insbesondere wenigstens ein Laser, ein optischer Sensor, insbesondere mit wenigstens einem optischen Empfangsbereich, und/oder ein optisches System, insbesondere wenigstens eine optische Linse, sein und/oder den wenigstens zwei Empfangsbereichen der Analyseeinrichtung und/oder wenigstens einem Empfangsbereich der wenigstens einen Empfangseinrichtung ein abbildendes optisches System, insbesondere wenigstens eine optische Linse, vorgeordnet sein. Auf diese Weise kann der Strahlengang der optischen Strahlen optimal ausgerichtet werden. Mit einem abbildenden optischen System können die reflektierten optischen Strahlen auf die wenigstens zwei Empfangsbereiche fokussiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine Analyseeinrichtung und/oder die wenigstens eine Stell- Steuereinrichtung auf softwaremäßigem und/oder hardwaremäßigem Wege realisiert sein und/oder die wenigstens eine Analyseeinrichtung und/oder die wenigstens eine Stell- Steuereinrichtung mit Mitteln der wenigstens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung des LiDAR-Systems realisiert sein und/oder das LiDAR-System wenigstens ein Vergleichsmittel, insbesondere wenigstens eine Umsetzungstabelle und/oder wenigstens eine Rechenroutine, zum Gegenüberstellen von Ausleuchtungsgrößen aufweisen, welche Ist-Ausleuchtungszustände und/oder Soll- Ausleuchtungszustände des LiDAR-Systems charakterisieren können.
Auf softwaremäßigem und hardwaremäßigem Wege können die wenigstens eine Analyseeinrichtung und/oder die wenigstens eine Stell-Steuereinrichtung flexibel realisiert werden.
Durch die Realisierung der wenigstens einen Analyseeinrichtung und/oder der wenigstens einen Stell-Steuereinrichtung mit Mitteln der Steuer- und Auswerteeinrichtung kann der Aufwand reduziert werden.
Durch die Verwendung wenigstens eines Vergleichsmittels können Ist- Ausleuchtungszustände und Soll-Ausleuchtungszustände verglichen werden. Auf diese Weise kann die Ausrichtung weiter verbessert werden.
In Umsetzungstabellen können Stell-Steuergrößen, welche zur Einstellung der Ausrichtung des LiDAR-Systems erforderlich sind, entsprechenden Ist-Zustandsgrößen, welche den Ist-Ausleuchtungszustand des LiDAR-Systems charakterisieren, direkt zugeordnet sein. Die erforderlichen Stell-Steuergrößen können direkt der Umsetzungstabelle entnommen werden. Mit Rechenroutinen können die erforderlichen Stell-Steuergrößen individuell auf Basis von Ist-Ausleuchtungsgrößen, welche Ist-Ausleuchtungszustände des LiDAR-Systems charakterisieren, berechnet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine Stelleinrichtung wenigstens ein mechanisches, insbesondere elektromechanisches, Stellelement, insbesondere wenigstens ein mikromechanisches Stellelement, insbesondere ein Piezoelement oder dergleichen, aufweisen und/oder die wenigstens eine Stelleinrichtung mechanisch direkt oder indirekt mit wenigstens einer der wenigstens zwei relativ zueinander auszurichtenden optischen Komponenten verbunden sein, und/oder wenigstens die wenigstens zwei relativ zueinander auszurichtenden optischen Komponenten relativ zueinander bewegbar angeordnet sein. Auf diese Weise können die wenigstens zwei optischen Komponenten präzise relativ zueinander ausgerichtet werden.
Elektromechanische Stellelemente können präzise mit elektrischen Stell-Steuergrößen angesteuert werden.
Mikromechanisches Stellelement können platzsparend realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das LiDAR-System wenigstens ein Temperaturerfassungsmittel aufweisen, mit dem wenigstens eine Temperaturgröße ermittelt werden kann, welche wenigstens eine Ist-Temperatur des LiDAR-Systems charakterisiert. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten zusätzlich oder alternativ auf Basis der Ist-Temperatur des LiDAR-Systems erfolgen.
Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei dem Fahrzeug dadurch gelöst, dass das Fahrzeug wenigstens eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung in Form eines LiDAR-Systems aufweist. Erfindungsgemäß weist das Fahrzeug wenigstens ein erfindungsgemäßes LiDAR- System auf, mit dem wenigstens ein Überwachungsbereich in einer Umgebung und/oder in einem Innenraum des Fahrzeugs auf Objekte überwacht werden kann.
Vorteilhafterweise kann das Fahrzeug wenigstens ein Fahrerassistenzsystem aufweisen. Mithilfe eines Fahrerassistenzsystems kann wenigstens ein Teil der Funktionen des Fahrzeugs, insbesondere Fahrfunktionen, autonom oder teilautonom betrieben werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens eine optische Vorrichtung, insbesondere wenigstens ein LiDAR-System, funktional mit wenigstens einem Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs verbunden sein. Auf diese Weise können Informationen über den Überwachungsbereich, insbesondere über Objekte im Überwachungsbereich, die mit dem wenigstens einen LiDAR-System ermittelt werden, von dem wenigstens einen Fahrerassistenzsystem zum autonomen oder teilautonomen Betrieb des Fahrzeuges herangezogen werden.
Im Übrigen gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und deren jeweiligen vorteilhaften Ausgestaltungen aufgezeigten Merkmale und Vorteile untereinander entsprechend und umgekehrt. Die einzelnen Merkmale und Vorteile können selbstverständlich untereinander kombiniert werden, wobei sich weitere vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen schematisch Figur 1 eine Vorderansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrerassistenzsystem und einem LiDAR-System zur Überwachung eines Überwachungsbereichs in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug;
Figur 2 eine Funktionsdarstellung des LiDAR-Systems des Fahrzeugs aus der Figur 1 , wobei das LiDAR-System eine Ausrichteinrichtung zum Ausrichten der optischen Komponenten des LiDAR-Systems aufweist;
Figur 3 eine Ansicht eines Objekts in Form einer Wand, welches mit einem optischen Strahl mit einem linienförmigen Strahlprofil, welcher mit einem Laser des LiDAR-Systems aus der Figur 2 erzeugt wird, angestrahlt wird,
Figur 4 eine Vorderansicht eines Empfängers des LiDAR-Systems aus der Figur 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, mit vier in einer Reihe angeordneten Empfangsbereichen, welcher auf einem mit Stellelementen bewegbaren Träger befestigt ist, wobei in einem ersten Ausleuchtungszustand alle Empfangsbereiche des Empfängers gleichmäßig mit dem an dem Objekt aus der Figur 3 reflektierten optischen Strahl mit linienförmigem Strahlprofil angestrahlt werden;
Figur 5 ein Empfangsbereichs-Intensitäts-Diagramm, in dem die normierten Ist- Ausleuchtungsgrößen, welche die jeweilige Ausleuchtung der Empfangsbereiche des Empfängers in dem ersten Ausleuchtungszustand aus der Figur 4 charakterisieren, den jeweiligen Empfangsbereichen zugeordnet sind;
Figur 6 die Vorderansicht des Empfängers aus der Figur 4, wobei in einem zweiten Ausleuchtungszustand der optische Strahl entlang einer Empfangsbereichsachse des Empfängers relativ zu den Empfangsbereichen verschoben ist;
Figur 7 das Empfangsbereichs-Intensitäts-Diagramm für den zweiten Ausleuchtungszustand aus der Figur 6;
Figur 8 die Vorderansicht des Empfängers aus der Figur 4, wobei in einem dritten Ausleuchtungszustand der optische Strahl gegenüber der Empfangsbereichsachse des Empfängers relativ zu den Empfangsbereichen verdreht ist;
Figur 9 das Empfangsbereichs-Intensitäts-Diagramm für den dritten Ausleuchtungszustand aus der Figur 8; Figur 10 die Vorderansicht des Empfängers aus der Figur 4, wobei in einem vierten Ausleuchtungszustand der optische Strahl senkrecht zur Empfangsbereichsachse des Empfängers relativ zu den Empfangsbereichen verschoben ist;
Figur 11 das Empfangsbereichs-Intensitäts-Diagramm für den vierten Ausleuchtungszustand aus der Figur 10;
Figur 12 eine Vorderansicht eines Empfängers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel bei dem 16 Empfangsbereiche in einer 4x4- Matrix angeordnet sind.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist ein Fahrzeug 10 in Form eines Personenkraftwagens in der Vorderansicht gezeigt. Das Fahrzeug 10 umfasst ein LiDAR-System 12 und ein Fahrerassistenzsystem 14. Das LiDAR-System 12 ist in der Figur 2 in einer Funktionsdarstellung gezeigt.
Das LiDAR-System 12 befindet sich beispielhaft in der vorderen Stoßstange des Fahrzeugs 10 und ist in einen Überwachungsbereich 16 in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug 10 gerichtet. Das LiDAR-System 12 kann auch an anderer Stelle des Fahrzeugs 10 auch anders ausgerichtet angeordnet sein. Das Fahrzeug 10 kann auch mehrere Li- DAR-Systeme 12 aufweisen, welche unterschiedlich ausgerichtet sein können.
Das LiDAR-System 12 ist funktional mit dem Fahrerassistenzsystem 14 verbunden. Über die Verbindung können Informationen über den Überwachungsbereich 16, welche mit dem LiDAR-System 12 gewonnen werden können, an das Fahrerassistenzsystem 14 übermittelt werden. Mit dem Fahrerassistenzsystem 14 kann das Fahrzeug 10 autonom oder teilautonom betrieben werden.
Mit dem LiDAR-System 12 können Objekte 18, welche sich im Überwachungsbereich 16 befinden, erfasst werden. Es können Objektinformationen, beispielsweise Entfernungen D, Richtungen und/oder Geschwindigkeiten von erfassten Objekten 18 relativ zu dem LiDAR-System 12, also relativ zu dem Fahrzeug 10, ermittelt werden. Mit dem LiDAR-System 12 können stehende oder bewegte Objekte 18, beispielsweise Fahrzeuge, Personen, Tiere, Pflanzen, Hindernisse, Fahrbahnunebenheiten, beispielsweise Schlaglöcher oder Steine, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräume, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, und/oder Bewegungen von Objekten 18 und/oder Gesten erfasst werden. In der Figur 2 ist beispielhaft ein Objekt 18 in Form einer Wand gezeigt. Die Oberfläche der Wand, welche dem LiDAR-System 12 zugewandt ist, ist eben.
Der besseren Orientierung wegen sind in den Figuren 1 bis 12 die entsprechenden Koordinatenachsen eines kartesischen x-y-z-Koordinatensystems eingezeichnet. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen erstreckt sich die x-Achse beispielsweise parallel zu einer Fahrzeuglängsachse des Kraftfahrzeugs 10, die y-Achse erstreckt parallel zu einer Fahrzeugquerachse und die z-Achse erstreckt sich senkrecht zur x-y-Ebene nach räumlich oben. Wenn das Kraftfahrzeug 10 sich betriebsgemäß auf einer horizontalen Fahrbahn befindet, erstrecken sich die x-Achse und die y-Achse räumlich horizontal und die z-Achse räumlich vertikal.
In der Figur 2 sind das LiDAR-System 12 und das Objekt 18 in einer Draufsicht von oben, entgegen der z-Achse betrachtet, gezeigt. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu.
Das LiDAR-System 12 umfasst eine Sendeeinrichtung 20, eine Empfangseinrichtung 22 und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 24.
Die Sendeeinrichtung 20 umfasst eine optische Strahlquelle in Form eines Lasers 26 und ein optisches System in Form einer Sendelinse 28. Der Laser 26 ist steuerbar mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 24 verbunden. Auf diese Weise kann mit Mitteln der Steuer- und Auswerteeinrichtung 24 der Laser 26 gesteuert werden. Mit dem Laser 26 können optische Strahlen 30 in Form von Laserpulsen erzeugt und in Richtung der Sendelinse 28 gesendet werden.
Mit der Sendelinse 28 kann das Strahlprofil der optischen Strahlen 30 zu einem linienförmigen Strahlprofil geformt werden. Die optischen Strahlen 30 können entlang einer optischen Sendeachse 36 der Sendeeinrichtung 20 in den Überwachungsbereich 16 gesendet werden.
Die auf die ebene Oberfläche des Objekts 18 treffenden optischen Strahlen 30 erzeugen dort eine Laserlinie 32. In der Figur 3 ist die Laserlinie 32 auf der Oberfläche des Objekts 18 gezeigt.
Die optischen Strahlen 30 können an der Oberfläche des Objekts 18 reflektiert werden. Die in Richtung der Empfangseinrichtung 22 reflektierten optischen Strahlen 30 können mit der Empfangseinrichtung 22 empfangen werden.
Die reflektierten optischen Strahlen 30 können sich entlang einer gedachten optischen Reflexionsachse 38 zu der Empfangseinrichtung 22 ausbreiten. Die Laserlinie 32 der an dem Objekt 18 in Richtung zu der Empfangseinrichtung 22 reflektierten optischen Strahlen 30 können auf einem Empfänger 34 der Empfangseinrichtung 22 abgebildet werden.
Die Empfangseinrichtung 22 umfasst den Empfänger 34, eine Stelleinrichtung 40 für den Empfänger 34 und ein optisches System in Form einer Empfangslinse 42.
Die Empfangslinse 42 ist vom Überwachungsbereich 16 aus betrachtet vor dem Empfänger 34 angeordnet. Mit der Empfangslinse 42 können im Überwachungsbereich 16 reflektierte optische Strahlen 30 auf den Empfänger 34 abgebildet werden.
Die Empfangseinrichtung 22 weist eine optische Empfängerachse 44 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die Empfängerachse 44 im Idealfall in einem Abstand A parallel zur Sendeachse 36. Ein Winkel a zwischen der Reflexionsachse 38 der reflektierten optischen Strahlen 30 und der Empfangsachse 44 ist abhängig vom Abstand A der Sendeachse 36 und der Empfangsachse 44 einerseits und der Entfernung D des Objekts 18. Je größer die Entfernung D ist, umso kleiner wird der Winkel a, unter dem die reflektierten optischen Strahlen 30 auf die Empfangseinrichtung 22 treffen. Infolgedessen ist die Auswirkung einer nicht korrekten Ausrichtung der optischen Komponenten des LiDAR-Systems 12, beispielsweise eines Lasers 26, einer Sendelinse 28, eine Empfangslinse 42 und eines Empfängers 34, auf die Messgenauigkeit für Objekte 18 in geringerer Entfernung D größer als für Objekte 18 in größerer Entfernung D.
Die Stelleinrichtung 40 und der Empfänger 34 sind in den Figuren 4, 6, 8 und 10 jeweils in der Vorderansicht, entgegen der x-Achse betrachtet, gezeigt. Der Empfänger 34 ist beispielhaft als Dioden-Array realisiert. Der Empfänger 34 weist beispielhaft vier Pixel auf, welche jeweils optische Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d für optische Strahlen 30 bilden. Mit dem Empfänger 34 können jeweils auf die Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d treffende optische Strahlen 30 in elektrische Empfangssignale umgewandelt werden.
Der Empfänger 34 ist funktional mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 24 verbunden. Mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 24 können der Empfänger 34 gesteuert werden und mit dem Empfänger 34 ermittelte Informationen, beispielsweise in Form von elektrischen Empfangssignalen, ausgewertet werden.
Die Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d des Empfängers 34 sind entlang einer gedachten Empfangsbereichsachse 48 angeordnet. Die Empfangsbereichsachse 48 verläuft beispielhaft parallel zur y-Achse und senkrecht zur x-Achse, also senkrecht zur optischen Empfangsachse 44. Der Empfänger 34 und damit die Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d sind auf einem Träger 50 beispielhaft in Form einer rechteckigen Platte angeordnet. Der Träger 50 ist Teil der Stelleinrichtung 40.
Die Stelleinrichtung 40 verfügt über beispielhaft acht mikro-elektromechanische Stellelemente 52. Die Stellelemente 52 können beispielsweise als Piezoelemente ausgestaltet sein. Die Stellelemente 52 sind mit einer Seite, beispielsweise ihrem jeweiligen Translator, beispielhaft an den Ecken des Trägers 50 befestigt. Die Stellelemente 52 sind jeweils mit der anderen Seite, beispielsweise dem jeweiligen Stator, beispielsweise über ein nicht gezeigtes Rahmenteil oder ein Gehäuse in dem LiDAR-System 12 befestigt.
Die Stellelemente 52 haben unterschiedliche Antriebsrichtungen. Die Antriebsrichtungen von vier der Stellelementen 52 verlaufen beispielhaft parallel zur y-Achse. Die Antriebsrichtung der anderen vier Stellelemente 52 verlaufen parallel zur z-Achse. Die Stellelemente 52 können einzeln mit einer Stell-Steuereinrichtung 54 gesteuert werden. Die Stell-Steuereinrichtung 54 ist beispielhaft in die Steuer- und Auswerteeinrichtung 24 integriert. Mit den Stellelementen 52 kann der Träger 50 und damit der Empfänger 34 mit den Empfangsbereichen 46 relativ zu anderen Komponenten des LiDAR-Systems 12 in unterschiedliche Raumrichtungen bewegt, beispielhaft gedreht und und/oder geschoben, werden.
Die Stelleinrichtung 40 und die Stell-Steuereinrichtung 54 bilden eine Ausrichteinrichtung 56, mit der optisch funktional zusammenwirkende optische Komponenten des LiDAR-Systems 12 relativ zueinander ausgerichtet werden können. Der Laser 26, die Sendelinse 28, die Empfangslinse 42 und der Empfänger 34 mit den Empfangsbereichen 46 sind solche optisch funktional zusammenwirkenden Komponenten des LiDAR- Systems 12. Mit dem Laser 26 werden die optischen Strahlen 30 erzeugt, mit der Sendelinse 28 diese optischen Strahlen 30 zu Laserlinien 32 geformt und mit der Empfangslinse 42 die mit dem Laser 26 erzeugten optischen Strahlen 30, respektive die mit der Sendelinse 28 geformten Laserlinien 32, auf die Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d des Empfängers 34 abgebildet.
Ferner weist das LiDAR-System 12 eine Analyseeinrichtung 58 auf. Mit der Analyseeinrichtung 58 kann die Ausrichtung der funktional zusammenwirkenden optischen Komponenten, nämlich der Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d , der Empfangslinse 42, der Sendelinse 28 und des Lasers 26, analysiert werden.
Die Analyseeinrichtung 58 umfasst die Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d und eine Auswerteeinrichtung 60. Die Auswerteeinrichtung 60 ist beispielhaft als Teil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 28 realisiert. Mit der Auswerteeinrichtung 60 können einen Ist-Ausleuchtungszustand AZ der Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d bezüglich der reflektierten optischen Strahlen 30 charakterisierende Ist- Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d ermittelt werden. In den Figuren 4, 6, 8 und 10 sind beispielhaft vier unterschiedliche Ist-Ausleuchtungszustände AZ gezeigt, welche zur besseren Unterscheidung mit AZi, AZH, AZIH und AZiv bezeichnet sind. In den Figuren 5, 7, 9 und 11 sind die die jeweiligen Ist-Ausleuchtungszustände AZi, AZH, AZm und AZiv charakterisierenden Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d für die Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d jeweils in einem Empfangsbereichs- Intensitäts-Diagramm gezeigt.
Die Stelleinrichtung 40 kann mit der Stell-Steuereinrichtung 54 auf Basis der mit der Analyseeinrichtung 58 ermittelten Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d gesteuert werden, um die Ausrichtung der optischen Komponenten, nämlich des Empfängers 34 mit den Empfangsbereichen 46, der Empfangslinse 42, der Sendelinse 28 und des Lasers 26, zu optimieren.
In der Figur 4 ist ein erster Ist-Ausleuchtungszustand AZi gezeigt, bei dem die reflektierte Laserlinie 32 alle vier Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d gleichmäßig abdeckt. Aus den jeweils mit den Empfangsbereichen 46a, 46b, 46c und 46d gewonnenen elektrischen Empfangsgrößen wird für jeden Empfangsbereich 46a, 46b, 46c und 46d ein die jeweilige Ausleuchtung charakterisierende Ist-Ausleuchtungsgröße 62a, 62b, 62c und 62d ermittelt. Die Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d sind jeweils normierte Intensitäten P der auf die jeweiligen Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d treffenden Anteile der Laserlinie 32 der reflektierten optischen Strahlen 30.
In der Figur 5 sind in dem Empfangsbereichs-Intensitäts-Diagramm die Ist- Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d für die jeweiligen Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d dargestellt, welche den in der Figur 4 gezeigten Ist- Ausleuchtungszustand AZi charakterisieren. Da alle vier Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d gleichmäßig mit der Laserlinie 32 der optischen Strahlen 30 ausgestrahlt werden, sind die normierten Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d gleich groß.
Bei optimaler Ausrichtung der optischen Komponenten des LiDAR-Systems 12 ist der Betrag der normierten Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d jeweils gleich 1 . Wegen der Normierung der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d entspricht 1 der maximalen Leistungsfähigkeit (Performance P) der jeweiligen Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d und stellt eine Soll-Ausleuchtungsgröße (63) dar.
In dem in den Figuren 4 und 5 gezeigten Beispiel ist die Ausrichtung der optischen Komponenten, nämlich des Lasers 26, der Sendelinse 28, der Empfangslinse 42 und des Empfängers 34 mit den Empfangsbereichen 46, bereits optimal, sodass keine Veränderung der Ausrichtung erforderlich ist.
In der Figur 6 ist ein Ist-Ausleuchtungszustand AZH gezeigt, in dem die Laserlinie 32 parallel zur Achse 48 verschoben ist. Der in der Figur 6 untere Empfangsbereich 46d wird lediglich zu einem Teil mit der Laserlinie 32 ausgeleuchtet.
Wie in dem Empfangsbereichs-Intensitäts-Diagramm der Figur 7 ersichtlich, ist die entsprechende Ist-Ausleuchtungsgröße 62d kleiner als die Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b und 62c für die anderen Empfangsbereiche 46a, 46b und 46c. Für das in der Figur 6 gezeigte Beispiel, bei dem die Laserlinie 32 entlang der Empfangsbereichsachse 48 in axialer Richtung verschoben ist, zeigt sich dies in einer asymmetrischen Verteilung der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d.
Asymmetrisch bedeutet in diesem Fall, dass kleinere Ist-Ausleuchtungsgrößen 62, wie die in der Figur 7 gezeigte Ist-Ausleuchtungsgröße 62d, des Empfangsbereichs 46d nur auf einer Seite der linearen Anordnung der vier Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d auftreten.
Im Fall der asymmetrischen Verteilung der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d wird durch den entsprechenden Vergleich der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d mithilfe der Auswerteeinrichtung 60 ermittelt, dass eine Verschiebung des Empfängers 34 axial zur Empfangsbereichsachse 48, also parallel zur y-Achse, erforderlich ist, um die Ausrichtung der optisch zusammenwirkenden Komponenten zu verbessern.
Zu diesem Zweck werden mit der Auswerteeinrichtung 60 entsprechende Stell- Steuergrößen, beispielsweise in Form von elektrischen Spannungen, erzeugt, mit denen über die Stell-Steuereinrichtung 54 die Stellelemente 52 so angesteuert werden, dass der Träger 50 mit den Empfangsbereichen 46 parallel zur y-Achse verschoben wird. So wird der reflektierte optische Strahl 30, respektive die auf die Empfangsbereiche 46 abgebildete Laserlinie 32, auf den nur teilweise ausgeleuchteten Empfangsbereich 46d zu bewegt. Aus dem Abstand des Betrags der geringeren Ist-Ausleuchtungsgröße 62d von 1 , können das erforderliche Maß der Verschiebung für den Empfänger 34 und die entsprechenden Stell-Steuergrößen ermittelt werden. Nach einer erfolgten Verschiebung kann erneut eine Analyse des Ist-Ausleuchtungszustands AZ und gegebenenfalls eine weitere Verschiebung durchgeführt werden. Auf diese Weise kann iterativ die Ausrichtung verbessert werden.
Falls mit der Auswerteeinrichtung 60 eine symmetrische Anordnung der Ist- Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d ermittelt wird, wie dies beispielsweise in der Figur 9 gezeigt ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Laserlinie 32 gegenüber der Empfangsbereichsachse 48 verdreht ist, wie dies in Figur 8 beispielsweise bei dem Ist-Ausleuchtungszustand AZIH gezeigt ist.
Symmetrische Verteilung der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d bedeutet in diesem Fall, dass die Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a und 62d für die äußeren Empfangsbereiche 46a und 46d kleiner sind als die Ist-Ausleuchtungsgrößen 62b und 62c für die zentralen Empfangsbereiche 46b und 46c.
Mit der Auswerteeinrichtung 60 kann eine asymmetrischen Verteilung der Ist- Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d mit der Auswerteeinrichtung 60 erkannt werden. Zur Korrektur der Ausrichtung der optischen Komponenten können die Stellelemente 52 mittels der Stell-Steuereinrichtung 54 mit den entsprechenden Stell- Steuergrößen so angesteuert werden, dass der Träger 50 mit dem Empfänger 34, also die Empfangsbereichsachse 48, gegenüber der Laserlinie 32 gedreht wird. Dabei wird die Abbildung des reflektierten optischen Strahls 30, nämlich die Laserlinie 32, relativ zu der Empfangsbereichsachse 48 gedreht.
Ein erforderliches Maß für die Drehung, beispielsweise ein Drehwinkel, kann aus den Beträgen der verkleinerten Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a und 62d im Vergleich zur Soll- Ausleuchtungsgröße (63) mit dem Betrag 1 ermittelt werden.
Die Richtung der erforderlichen Drehung kann nach einem Trial-and-Error-Verfahren ermittelt werden. Dabei werden die Stellelemente 52 entsprechend mit der Stell- Steuereinrichtung 54 so angesteuert, dass der Träger 50 mit dem Empfänger 34 ge- genüber der Laserlinie 32 in einer Richtung gedreht wird. Anschließend wird eine weitere Analyse der Ausrichtung durchgeführt. Falls sich die Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62da und 62d durch die Drehung weiter verkleinert haben, wird in einem nächsten Schritt eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung durchgeführt. Anschließend wird die Analyse der Ausrichtung erneut durchgeführt und gegebenenfalls eine weitere Drehung mit einem erneuten Drehrichtungswechsel und/oder einem veränderten Drehwinkel durchgeführt werden. Dies wird so oft wiederholt, bis alle vier Ist- Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d der Soll-Ausleuchtungsgröße (63)n entsprechen, also etwa 1 betragen.
Falls alle vier Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d zwar gleich groß, aber kleiner sind als die Soll-Ausleuchtungsgröße (63)n, also 1 , wie dies in der Figur 11 gezeigt ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Laserlinie 32, wie in einem Ist- Ausleuchtungszustand AZiv in der Figur 10 gezeigt, gegenüber der Empfangsbereichsachse 48 zur Seite verschoben ist. In diesem Fall werden alle vier Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d, wie in der Figur 10 gezeigt, nicht mit der gesamten Breite der Laserlinie 32 angestrahlt.
Der Ist-Ausleuchtungszustand AZiv erfordert zur Verbesserung der Ausrichtung eine seitliche Verschiebung des Empfängers 34 senkrecht zur Empfangsbereichsachse 48. Hierzu werden die Stellelemente 52 mit der Stell-Steuereinrichtung 54 zur seitlichen Verschiebung des Trägers 50 und des Empfängers 34 angesteuert. Dabei wird die Abbildung des reflektierten optischen Strahls 30, nämlich die Laserlinie 32, senkrecht zur Empfangsbereichsachse 48 relativ verschoben.
Auch in dem in der Figur 10 gezeigten Fall kann die Richtung und/oder das Maß der erforderlichen Verschiebung nach einem Trial-and-Error-Verfahren ermittelt werden. Verkleinern sich nach einer Verschiebung die Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d , so muss die Verschieberichtung geändert werden. Ein Maß für die erforderliche Verschiebung kann aus den Beträgen der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d ermittelt werden.
Es kann auch vorkommen, dass die Laserlinie 32 sowohl in Richtung der Empfangsbereichsachse 48, als auch in Richtung senkrecht zur Empfangsbereichsachse 48 ver- schoben, aber auch bezüglich der Empfangsbereichsachse 48 verdreht sein kann. Ist dies der Fall, werden nacheinander so oft Verschiebungen und Verdrehungen in oben beschriebene Weise durchgeführt, bis die Ausrichtung der optischen Komponenten, nämlich dem Empfänger 34 mit den Empfangsbereichen 46a, 46b, 46c und 46d, der Empfangslinse 42, der Sendelinse 28 und des Lasers 26, optimiert ist. In der optimierten Ausrichtung stellt sich der in der Figur 5 gezeigte Ausleuchtungszustand AZi ein, bei dem alle charakterisierenden Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d, wie in der Figur 5 gezeigt, gleich der Soll-Ausleuchtungsgröße (63), nämlich 1 , sind.
Insgesamt wird also aus der Beziehung der mit den Empfangsbereichen 46a, 46b, 46c und 46d jeweils ermittelten Ist-Ausleuchtungsgrößen 62a, 62b, 62c und 62d und der Lagen der Empfangsbereiche 46a, 46b, 46c und 46d relativ zueinander, also deren räumliche Anordnung entlang der Empfangsbereichsachse 48, Stell-Steuergrößen ermittelt, mit denen die Stelleinrichtung 40, nämlich die Stellelemente 52, angesteuert werden kann.
Die Analyse der Ausrichtung und die Ausrichtung der optischen Komponenten, nämlich des Empfängers 34 mit den Empfangsbereichen 46a, 46b, 46c und 46d, der Empfangslinse 42, der Sendelinse 28 und des Lasers 26, kann während des Betriebs des LiDAR- Systems 12 durchgeführt werden. So können Degenerationen der Ausrichtung korrigiert werden. Derartige Degenerationen können beispielsweise durch Einwirkung von Temperatur und Feuchtigkeit, Verlust von Elastizität von Bauteilen, beispielsweise Klebematerialien, des LiDAR-System 10, und/oder Lockerung von mechanischen Verbindungen, beispielsweise Schrauben oder dergleichen, erfolgen. Mit Analysezyklen, bei denen der Ist-Ausleuchtungszustand AZ analysiert wird, kann die Art des Leistungsverlustes, beispielsweise die Verringerung der Ist-Ausleuchtungsgrößen 62, analysiert werden.
Optional können in den Analysezyklen ermittelte Stell-Steuergrößen, mit denen die Stelleinrichtung 40 zur Verbesserung der Ausrichtung angesteuert werden können, in einem Speichermittel 66 gespeichert werden und bei späteren Ausrichtungen des LiDAR- Systems 12 verwendet werden. Das Speichermittel 66 kann beispielsweise Teil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 24 sein. Optional kann das LiDAR-System 12 aus der Figur 2 eine Temperaturerfassungseinrichtung 64 aufweisen, mit welcher eine Temperatur des LiDAR-Systems 12 ermittelt werden kann. In dem Speichermittel 66 kann eine Umsetzungstabelle gespeichert sein, in welcher Temperaturen und zur Verbesserung der Ausrichtung der optischen Komponenten erforderliche Stell-Steuergrößen zur Steuerung der Stelleinrichtung 40 gespeichert sind. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der optischen Komponenten abhängig von der erfassten Temperatur durchgeführt werden.
In der Figur 12 ist ein Empfänger 34 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel aus den Figuren 2 bis 11 verfügt der Empfänger 34 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel über beispielhaft 16 Empfangsbereiche 46, welche flächig in einer 4x4-Matrix angeordnet sind. Zur Verbesserung der Ausrichtung der optischen Komponenten können hier auch die senkrecht zur Empfangsbereichsachse 48 betrachtet nebeneinanderliegenden Empfangsbereiche 46 herangezogen werden.

Claims

28 Ansprüche
1 . Verfahren zum Ausrichten von wenigstens zwei optisch funktional zusammenwirkenden Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) einer optischen Vorrichtung (12), insbesondere eines optischen Vorrichtung (12) für ein Fahrzeug (10), relativ zueinander, bei dem ein Ist-Zustand (AZ) der optischen Vorrichtung (12) ermittelt wird, welcher eine Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) charakterisiert, und die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) abhängig von dem wenigstens einen ermittelten Ist-Zustand (AZ) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren wenigstens zwei funktional zusammenwirkende optische Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) einer optischen Vorrichtung (12) in Form eines LiDAR-Systems (12) ausgerichtet werden, mit wenigstens einer optischen Sendeeinrichtung (20) des LiDAR-Systems (12) wenigstens ein optischer Strahl (30) in wenigstens einen Überwachungsbereich (16) gesendet wird, wenigstens ein in dem wenigstens einen Überwachungsbereich (16) reflektierter optischer Strahl (30) mit wenigstens einem von wenigstens zwei entlang einer gedachten Empfangsbereichsachse (48) angeordneten optischen Empfangsbereichen (46) des LiDAR-Systems (12) empfangen und in wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße (62) umgewandelt wird, welche einen Ist-Ausleuchtungszustand (AZ) bezüglich der Ausleuchtung des wenigstens einen optischen Empfangsbereichs (46) mit den wenigstens einen reflektierten optischen Strahl (30) charakterisiert, die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zueinander mit wenigstens einer Stelleinrichtung (40) des LiDAR-Systems (12) auf Basis der wenigstens einen Ist-Ausleuchtungsgröße (62) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Beziehung zwischen den mit den optischen Empfangsbereichen (46) jeweils ermittelten Ist- Ausleuchtungsgrößen (62) und den Lagen der optischen Empfangsbereiche (46) relativ zueinander wenigstens eine Stell-Steuergröße ermittelt wird, mit der die wenigstens eine Stelleinrichtung (40) angesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ist-Ausleuchtungsgröße (62) ermittelt wird, welche eine Menge, eine Intensität, eine Stärke, eine Leistung und/oder eine Energie der auf den wenigstens einen optischen Empfangsbereich (46) treffenden optischen Strahlen (30) charakterisiert.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein optischer Strahl (30) mit einem länglichen Strahlprofil (32) gesendet wird, der reflektierte wenigstens eine optische Strahl (30) mit wenigstens einer von wenigstens zwei entlang der gedachten Empfangsbereichsachse (48) angeordneten optischen Empfangsbereichen (46) empfangen wird, die den jeweiligen Ist-Ausleuchtungszustand (AZ) der wenigstens zwei Empfangsbereiche (46) jeweils charakterisierenden Ist-Ausleuchtungsgrößen (62) miteinander und/oder mit jeweiligen Soll-Ausleuchtungsgrößen (63) verglichen werden und abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs die Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zueinander eingestellt wird, insbesondere die wenigstens eine Stell-Steuergröße ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, falls eine der Ist-Ausleuchtungsgrößen (62d) eine geringere Ausleuchtung des betreffenden optischen Empfangsbereichs (46d) charakterisiert als die Ist- Ausleuchtungsgröße (62c) eines benachbarten optischen Empfangsbereichs (46c), wenigstens eine der auszurichtenden optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zu wenigstens einer anderen optischen Komponente (26, 28, 34, 42, 46) so bewegt, insbesondere verschoben und/oder gedreht, wird, dass die Abbildung des reflektierten optischen Strahls (30), insbesondere das auf die Empfangsbereiche (46) abgebildete Strahlprofil (32) des reflektierten optischen Strahls (30), relativ auf den optischen Empfangsbereich (46d) mit der die geringere Ausleuchtung charakterisierenden Ist- Ausleuchtungsgröße (62d) zu bewegt wird, und/oder falls die Ist-Ausleuchtungsgrößen (62a, 62d) von wenigstens zwei entlang der Empfangsbereichsachse (48) angeordneten Empfangsbereichen (46a, 46d) etwa gleiche Ausleuchtungen der betreffenden Empfangsbereiche (46a, 46d) charakterisieren, welche unterhalb der Ausleuchtung mit den jeweiligen Soll-Ausleuchtungsgrößen (63) liegen, wenigstens eine der auszurichtenden optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zu wenigstens einer anderen optischen Komponente (26, 28, 34, 42, 46) so be- wegt wird, dass die Abbildung des reflektierten optischen Strahls (30), insbesondere das auf die Empfangsbereiche (46) abgebildete Strahlprofil (32) des reflektierten optischen Strahls (30), senkrecht zu der Empfangsbereichsachse (48) relativ verschoben wird, und/oder falls bei wenigstens drei entlang der Empfangsbereichsachse (48) angeordneten optischen Empfangsbereichen (46) die Ist-Ausleuchtungsgröße (62b, 62c) wenigstens eines Empfangsbereichs (46b, 46c), der zwischen zwei der anderen Empfangsbereichen (46a, 46d) liegt, größere Ausleuchtungen charakterisiert als die jeweiligen Ist- Ausleuchtungsgrößen (62a, 62d) der wenigstens zwei Empfangsbereiche (46a, 46d), zwischen denen der wenigstens eine Empfangsbereich (46b, 46c) mit der größeren Ausleuchtung liegt, wenigstens eine der auszurichtenden Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zu wenigstens einer anderen optischen Komponente (26, 28, 34, 42, 46) so bewegt wird, dass die Abbildung des reflektierten optischen Strahls (30), insbesondere das auf die Empfangsbereiche (46) abgebildete Strahlprofil (32) des reflektierten optischen Strahls (30), relativ zu der Empfangsbereichsachse (48) gedreht wird.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Ausrichtung iterativ durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein reflektierter optischer Strahl (30) mit wenigstens einem von wenigstens drei optischen Empfangsbereichen (46) empfangen wird, wobei wenigstens zwei der wenigstens drei optischen Empfangsbereiche (46) entlang der Empfangsbereichsachse (48) angeordnet sind und wenigstens ein optischer Empfangsbereich (46) in einer größeren Entfernung zu der Empfangsbereichsachse (48) angeordnet ist, als die wenigstens zwei anderen Empfangsbereiche (46).
8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Empfangsbereiche (46) in einer Empfangsebene angeordnet sind oder eine solche aufspannen.
9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren optische Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) in Form von optischen Strahlquellen (26), optischen Sensoren (34) und/oder optischen Systemen (28, 42), insbesondere optischen Linsen, ausgerichtet werden.
10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zur Verbesserung der Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) ermittelte Stell-Steuergröße insbesondere in Verbindung mit einer eine Temperatur charakterisierenden Temperaturgröße in wenigstens einem Speichermittel (66) gespeichert wird.
1 1. Optische Vorrichtung (12), insbesondere eine optische Vorrichtung (12) für ein Fahrzeug (10), mit wenigstens einer Sendeeinrichtung (20) zum Senden von optischen Strahlen (30) und mit wenigstens einer Ausrichteinrichtung (56) zum Ausrichten von wenigstens zwei funktional zusammenwirkenden optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) der optischen Vorrichtung (12) relativ zueinander, wobei die wenigstens eine Ausrichteinrichtung (56) wenigstens eine Analyseeinrichtung (58) zur Ermittlung wenigstens eines Ist-Zustands (AZ) der optischen Vorrichtung (12), welcher eine Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) charakterisiert, und wenigstens eine Stelleinrichtung (40) zum Einstellen der Ausrichtung der wenigstens zwei optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zueinander abhängig von wenigstens einem ermittelten Ist-Zustand (AZ) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (12) ein LiDAR-System (12) ist, welches wenigstens eine Empfangseinrichtung (22) mit wenigstens einem Empfangsbereich (46) zum Empfangen von mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung (20) gesendeten optischen Strahlen (30) und wenigstens eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (24) zur Steuerung der wenigstens einen Sendeeinrichtung (20) und der wenigstens einen Empfangseinrichtung (22) und zur Auswertung von mit der wenigstens einen Empfangseinrichtung (22) empfangenen optischen Strahlen (30) aufweist, und die wenigstens eine Analyseeinrichtung (58) der wenigstens einen Ausrichteinrichtung (56) des LiDAR-Systems (12) wenigstens zwei optische Empfangsbereiche (46) zum empfangen von mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung (20) gesendeten optischen Strahlen (30), wenigstens eine Auswerteeinrichtung (60) zum Ermitteln wenigstens einer Ist-Ausleuchtungsgröße (62), welche einen Ist-Ausleuchtungszustand (AZ) 32 bezüglich einer Ausleuchtung der wenigstens zwei Empfangsbereiche (46) der wenigstens eine Analyseeinrichtung (58) mit optischen Strahlen (30) charakterisiert, und wenigstens eine Stell-Steuereinrichtung (54) zum Steuern der wenigstens einen Stelleinrichtung (40) auf Basis der wenigstens einen Ist-Ausleuchtungsgröße (62) aufweist.
12. Optische Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Empfangsbereiche (46) der wenigstens einen Analyseeinrichtung (58) mit Empfangsbereichen (46) der wenigstens einen Empfangseinrichtung (22) realisiert sind und/oder wenigstens ein Empfangsbereich (46), insbesondere wenigstens ein Empfangsbereich (46) der wenigstens einen Analyseeinrichtung (58) und/oder der wenigstens einen Empfangseinrichtung (22), mit wenigstens einem optischen Sensor (34) realisiert ist und/oder wenigstens eine Empfangseinrichtung (22) wenigstens einen optischen Sensor (34) mit wenigstens einem Empfangsbereich (46) für optische Strahlen (30) aufweist und/oder die wenigstens eine Sendeeinrichtung (20) wenigstens eine optische Strahlquelle (26), insbesondere wenigstens einen Laser, aufweist oder daraus besteht.
13. Optische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der wenigstens zwei relativ zueinander auszurichtenden optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) eine optische Strahlquelle (26), insbesondere wenigstens ein Laser, ein optischer Sensor (34), insbesondere mit wenigstens einem optischen Empfangsbereich (46), und/oder ein optisches System (28, 42), insbesondere wenigstens eine optische Linse, ist und/oder den wenigstens zwei Empfangsbereichen (46) der Analyseeinrichtung (58) und/oder wenigstens einem Empfangsbereich (46) der wenigstens einen Empfangseinrichtung (22) ein abbildendes optisches System (42), insbesondere wenigstens eine optische Linse, vorgeordnet sind. 33
14. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Analyseeinrichtung (58) und/oder die wenigstens eine Stell- Steuereinrichtung (54) auf softwaremäßigem und/oder hardwaremäßigem Wege realisiert sind und/oder die wenigstens eine Analyseeinrichtung (58) und/oder die wenigstens eine Stell- Steuereinrichtung (54) mit Mitteln der wenigstens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung (24) des LiDAR-Systems (12) realisiert sind und/oder das LiDAR-System (12) wenigstens ein Vergleichsmittel, insbesondere wenigstens eine Umsetzungstabelle und/oder wenigstens eine Rechenroutine, zum Gegenüberstellen von Ausleuchtungsgrößen aufweist, welche Ist-Ausleuchtungszustände (AZ) und/oder Soll-Ausleuchtungszustände (63) des LiDAR-Systems (12) charakterisieren.
15. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stelleinrichtung (40) wenigstens ein mechanisches, insbesondere elektromechanisches, Stellelement (52), insbesondere wenigstens ein mikromechanisches Stellelement, insbesondere ein Piezoelement oder dergleichen, aufweist und/oder die wenigstens eine Stelleinrichtung (40) mechanisch direkt oder indirekt mit wenigstens einer der wenigstens zwei relativ zueinander auszurichtenden optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) verbunden sind, und/oder wenigstens die wenigstens zwei relativ zueinander auszurichtenden optischen Komponenten (26, 28, 34, 42, 46) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
16. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (12) wenigstens ein Temperaturerfassungsmittel (64) aufweist, mit dem wenigstens eine Temperaturgröße ermittelt werden kann, welche wenigstens eine Ist-Temperatur des LiDAR-Systems (12) charakterisiert.
17. Fahrzeug (10) mit wenigstens einer optischen Vorrichtung (12) zur Überwachung 34 wenigstens eines Überwachungsbereichs (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) wenigstens eine optische Vorrichtung (12) in Form eines LiDAR-Systems (12) nach einem der Ansprüche 11 bis 16 aufweist.
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