Titel

LIDAR-Vorrichtung mit winkelbasierter Detektorauswertung

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines

Abtastbereichs, aufweisend eine Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen, einen beweglichen Spiegel zum Ablenken der erzeugten Strahlen entlang des Abtastbereichs und aufweisend eine Empfangseinheit zum Empfangen von im Abtastbereich reflektierten oder rückgestreuten Strahlen mit mindestens einer Empfangsoptik und mit mindestens einem Detektor, wobei der Detektor eine Vielzahl an strahlensensitiven Detektorabschnitten aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Detektor sowie eine Steuereinheit.

Stand der Technik

Es sind LIDAR(light detection and ranging)-Vorrichtungen bekannt, welche mit Hilfe einer Sendeeinheit Strahlen erzeugen und in Richtung eines Abtastbereichs abstrahlen. Die im Abtastbereich reflektierten Strahlen können anschließend von einer Empfangseinheit detektiert und ausgewertet werden.

Zur Abdeckung großer horizontaler Erfassungswinkel, beispielsweise zwischen 150° und 360°, sind heute nur mechanische als Laserscanner ausgestaltete LIDAR-Vorrichtungen bekannt. Wird nur ein Ablenkspiegel gedreht, so ist der maximale horizontale Abtastbereich auf ca. 150° beschränkt. Für größere Erfassungsbereiche von bis zu 360° befinden sich alle elektrooptischen

Komponenten auf einem motorgetriebenen Drehteller oder einem Rotor.

Offenbarung der Erfindung Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung und einen Detektor zu schaffen, welche technisch einfach umsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Detektor, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Der Detektor weist eine Vielzahl an strahlensensitiven Belichtungsbereichen zum temporären Aufnehmen von Bildinformationen auf. Des Weiteren ist mindestens ein Ausleseregister zum Empfangen der Bildinformationen und zum Transportieren der empfangenen Bildinformationen vorgesehen. Der Detektor weist mindestens eine

Ausleseeinheit zum Auslesen der über das Ausleseregister transportierten Bildinformationen auf. Die Ausleseeinheit kann beispielsweise als ein

Steuergerät ausgestaltet sein oder mit einem Steuergerät verbindbar sein. Das Ausleseregister weist mindestens einen Füllbereich und mindestens einen Barrierebereich auf, wobei das Ausleseregister entlang des Füllbereichs mit Bildinformationen aus den Belichtungsbereichen befüllbar ist.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine

Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen und einen beweglichen Spiegel zum Ablenken der erzeugten Strahlen entlang des Abtastbereichs. Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung eine Empfangseinheit zum Empfangen von im Abtastbereich reflektierten oder rückgestreuten Strahlen mit mindestens einer Empfangsoptik und mit mindestens einem Detektor auf. Der Detektor weist eine Vielzahl an strahlensensitiven Detektorabschnitten auf, wobei die

Detektorabschnitte abhängig von einer Winkelposition des beweglichen Spiegels zum Detektieren von Strahlen aktivierbar sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuereinheit zum Ansteuern und Auslesen eines Detektors und zum Betreiben einer LIDAR- Vorrichtung bereitgestellt. Hierdurch kann ein speziell konstruierter Detektor bereitgestellt werden, welcher als ein CCD-Chip ausgeführt sein kann. Der Detektor kann insbesondere für eine technisch einfache und robuste Ausgestaltung einer LIDAR-Vorrichtung eingesetzt werden.

Eine derartige LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise für hochautomatisiertes Fahren, Messverfahren, Robotik-Anwendungen und dergleichen eingesetzt werden.

Es wird nur noch die Sendeeinheit über einen beweglichen Spiegel bzw.

Drehspiegel abgelenkt. Die Empfangseinheit wird mit einem speziell dafür designten CCD-Chip in Verbindung mit einer Empfangsoptik umgesetzt.

Mit Hilfe einer Sendeoptik der Sendeeinheit können beispielsweise linienförmige Strahlen erzeugt werden. Diese Strahlen werden mit Hilfe des Drehspiegels in einen Winkelbereich abgelenkt und somit der Abtastbereich gescannt. Mit Hilfe der Empfangsoptik wird das ausgesendete Licht auf dem Detektor abgebildet.

Um die genaue Position des Spiegels und damit den zu aktivierenden

Detektorabschnitt oder Detektorabschnitte ermitteln zu können wird eine Winkelmessung des Spiegels durchgeführt. Dies kann beispielsweise durch die Ansteuerung des Antriebsmotors des Spiegels erfolgen. Alternativ kann durch einen zusätzlichen Sensor, wie beispielsweise einen optischen Sensor oder einen Hallsensor, die Wnkelposition des Spiegels ermittelbar sein.

Der als CCD Chip ausgestaltete Detektor kann auf der Vorderseite aus einem Array von lichtempfindlichen Pixeln bestehen. Es werden nun diejenigen Zeilen bzw. Detektorabschnitte aktiviert, welche dem eingestellten Wnkel des Spiegels entsprechen. Hierbei können auch einzelne Zeilen bzw. Abschnitte aktiviert werden. Die Detektorabschnitte können zellenförmig, flächig oder als einzelne oder mehrere Pixel ausgestaltet sein.

Eine derartige LIDAR-Vorrichtung kann derart ausgeführt sein, dass eine rotierend angeordnete Sendeeinheit und eine ebenfalls rotierende

Empfangseinheit nicht notwendig sind. Dies kann beispielsweise mit Hilfe des entsprechend ausgeprägten Detektors realisiert werden. Es ergeben sich hierbei die folgenden Vorteile:

- Es werden keine elektronischen oder optischen Komponenten auf einem Drehteller benötigt.

- Eine„Dunkelphase“, in der die LIDAR-Vorrichtung einen uninteressanten Bereich misst, wird vermieden.

- Der bewegliche Spiegel kann kleiner ausgestaltet sein, da nur die

erzeugten Strahlen abgelenkt werden. Die Empfangseinheit mit einer entsprechenden Apertur muss nicht durch den Spiegel mit reflektierten Strahlen beaufschlagt werden.

- Durch einen kleiner ausgestalteten Spiegel kann ein kleiner

Antriebsmotor eingesetzt werden.

- Durch ein Aussenden eines linienförmigen Strahls kann die

Augensicherheit erhöht und eine Abtastfrequenz erhöht werden.

- Durch eine Ausgestaltung des Detektors als CCD-Chip kann eine hohe Auflösung im Nahbereich und im Fernbereich gegenüber einem

Detektorarray realisiert werden.

- Eine optionale Parallel-Verschaltung von Detektorabschnitten bzw. Pixeln erlaubt höhere Reichweiten auf Kosten von einer geringeren Auflösung des Detektors.

Um eine LIDAR-Vorrichtung mit höheren Winkelbereichen bzw. Abtastbereichen bereitzustellen, kann die Empfangseinheit eine oder mehrere Empfangsoptiken aufweisen. Beispielsweise kann eine Optik in einen horizontalen Abtast- Winkelbereich 0-60° ausgerichtet sein und eine weitere in einem horizontalen Abtast-Winkelbereich 60-120°. Hierbei kann die Empfangseinheit auch mehrere Detektoren aufweisen, die von den entsprechenden Empfangsoptiken mit ankommenden Strahlen beaufschlagen.

Nach einer Ausführungsform ist das mindestens eine Ausleseregister zellenförmig ausgeprägt und zumindest einseitig mit zellenförmig angeordneten Belichtungsbereichen des Detektors zum Auslesen von Bildinformationen verbindbar. Mehrere Ausleseregister und Belichtungsbereiche sind abwechselnd angeordnet, wobei die Füllbereiche und die Barrierebereiche der

unterschiedlichen Ausleseregister sich überlappend oder sich abwechselnd angeordnet sind. Hierdurch können die vorhandenen Belichtungsbereiche durch mehrere Ausleseregister ausgelesen werden. Beispielsweise kann eine Hälfte der Belichtungsbereiche durch ein erstes Ausleseregister und eine zweite Hälfte durch ein zweites Ausleseregister ausgelesen werden. Hierdurch kann die Länge der Ausleseregister und damit die Geschwindigkeit zum vollständigen Auslesen bzw. Auswerten der Register reduziert werden. Die Anzahl der eingesetzten Register kann beliebig gesteigert werden, wodurch zunehmend die

Auslesegeschwindigkeit und damit die Abtastgeschwindigkeit des Detektors erhöht wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Ausleseregister einseitig durch die Ausleseeinheit auslesbar.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mindestens zwei Ausleseregister abwechselnd aus unterschiedlichen Richtungen einseitig durch mindestens eine Ausleseeinheit auslesbar.

Insbesondere kann das Ausleseregister beidseitig oder einseitig auslesbar sein. Beispielsweise kann eine Hälfte der Register von einer ersten Seite und eine zweite Hälfte der Ausleseregister von einer zweiten Seite durch die

Ausleseeinheit auslesbar sein. Hierdurch kann die Auslesegeschwindigkeit der in dem Ausleseregister enthaltenen Bildinformation erhöht werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine

Ausleseregister am Barrierebereich oder am Füllbereich durch die Ausleseeinheit auslesbar. Hierdurch kann das Ausleseregister flexibel und vielseitig ausgelesen werden.

Nach einer Ausführungsform sind die Sendeeinheit und/oder die

Empfangseinheit relativ zum beweglichen Spiegel stationär angeordnet.

Hierdurch sind alle datenleitend mit einer Steuereinheit gekoppelten

Komponenten der LIDAR-Vorrichtung stationär, sodass umständliche

Kontaktierungen von sich drehenden Bauteilen entfallen kann. Die technische Umsetzung der LIDAR-Vorrichtung kann somit vereinfacht werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der bewegliche Spiegel ein entlang einer Rotationsachse drehbarer Spiegel. Somit kann der Spiegel mit einer Rotationsachse eines Antriebsmotors direkt gekoppelt sein und mit einer konstanten oder veränderlichen Winkelgeschwindigkeit drehbar sein.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet und sind durch den beweglichen Spiegel voneinander beabstandet. Hierdurch kann die LIDAR- Vorrichtung besonders flach ausgestaltet sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Empfangseinheit und der bewegliche Spiegel auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei die Sendeeinheit derart ausgerichtet ist, dass die erzeugten Strahlen quer zum Abtastbereich auf den beweglichen Spiegel abstrahlbar sind. Dabei ist die Empfangseinheit in Verlängerung der Rotationsachse des Spiegels angeordnet und quer zu der Rotationsachse zum Empfangen von ankommenden Strahlen ausgerichtet. Eine derartige LIDAR-Vorrichtung kann besonders kompakt aufgebaut sein.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der bewegliche Spiegel als ein Facettenspiegel ausgestaltet. Die jeweiligen Facetten können unter einem definierten Winkel zueinander angeordnet sein, sodass beispielsweise kleine Winkelbereiche gescannt werden können. Insbesondere kann durch den Einsatz eines derartigen Spiegels die Abtastrate des Abtastbereichs in Relation zur Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors angepasst oder verändert werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die abhängig von einer Winkelposition des beweglichen Spiegels aktivierbaren Detektorabschnitte spaltenförmig oder zellenförmig ausgeformt. Hierdurch können Abschnitte des Detektors festgelegt werden, welche einzeln durch eine Steuereinheit für eine definierte Zeitspanne aktiv geschaltet werden. Hierdurch können insbesondere unter einem Winkel in der Empfangseinheit ankommenden Strahlen von gezielten Partien des

Detektors detektiert werden, sodass nicht die gesamte Detektorfläche ausgelesen und ausgewertet werden muss. Die Auswertung des Detektors kann somit beschleunigt werden. Nach einer weiteren Ausführungsform sind die winkelabhängig aktivierten Detektorabschnitte durch mindestens ein Schieberegister auslesbar. Mit Hilfe von Schieberegistern, welche sich auf der Rückseite eines als CCD-Chip

ausgestalteten Detektors befinden können, kann das Signal zeitaufgelöst aufgenommen. Dazu werden die Signal-Elektronen in einem Zeittakt von beispielsweise 2 - 10 ns von der Vorderseite des Detektors in das

Schieberegister übertragen. Das Schieberegister wird nun durch

aufeinanderfolgende Messungen stetig gefüllt. Nach einem Durchlauf der Detektorfläche kann das mindestens eine Schieberegister von der Steuereinheit ausgelesen und die gespeicherten Signale ausgewertet werden.

Es können beispielsweise zwei in entgegengesetzte Richtungen verschiebbare bzw. wirkbare Schieberegister eingesetzt werden. Die Schieberegister können nacheinander in entgegengesetzter Richtung gefüllt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass abhängig von der aktivierten Zeile bzw.

Detektorabschnitt unterschiedliche Register-Längen ausgewertet werden müssen. Des Weiteren können durch die Verwendung von zwei Schieberegistern im CCD-Chip Zeit- und Synchronisationsprobleme beseitigt werden.

Alternativ kann ein Schieberegister, welches für die gesamte Detektorfläche wirkt, eingesetzt werden. Dabei kann eine Parallaxe in vertikaler Richtung ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass die Ansteuerung der Signale für den Nahbereich einfacher umgesetzt werden kann.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen

Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer LIDAR- Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Detailansicht eines Detektors gemäß einer ersten Ausführungsform und

Fig. 4 eine Detailansicht eines Detektors gemäß einer zweiten

Ausführungsform.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Zum Verdeutlichen des Aufbaus ist die LIDAR-Vorrichtung 1 aus unterschiedlichen Perspektiven dargestellt.

Die LIDAR-Vorrichtung 1 dient zum Abtasten eines Abtastbereichs A und eine Sendeeinheit 2 zum Erzeugen von Strahlen 4 und einen beweglichen Spiegel 6 zum Ablenken der erzeugten Strahlen 4 entlang des Abtastbereichs A. Der bewegliche Spiegel 6 ist hier als ein rotierender Spiegel ausgestaltet und ist mit einem Antriebsmotor 7 mechanisch gekoppelt. Der Spiegel 6 wird um eine Rotationsachse R rotiert. Der Antriebsmotor 7 ist derart ausgeführt, dass die Winkelposition des Spiegels 6 zu jeder Zeit anhand des Antriebsmotors 7 ermittelbar ist.

Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung 1 eine Empfangseinheit 8 zum Empfangen von im Abtastbereich A reflektierten oder rückgestreuten Strahlen 10 mit mindestens einer Empfangsoptik 12 und mit mindestens einem Detektor 14 auf.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Sendeeinheit 2, die Empfangseinheit 8 und der bewegliche Spiegel 6 auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet.

In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die LIDAR-Vorrichtung 1 unterscheidet sich hierbei von der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung durch die Anordnung der Empfangseinheit 8 und der Sendeeinheit 2.

Die Empfangseinheit 8 ist in Verlängerung der Rotationsachse R des

Antriebsmotors 7 angeordnet und kann orthogonal zur Rotationsachse R ankommenden Strahlen 10 empfangen. Die Sendeeinheit 2 ist auf den Spiegel 6 gerichtet, wobei der Spiegel 6 die erzeugten Strahlen 4 in einen Abtastbereich A ablenkt, welcher in einem rechten Winkel zu der Abstrahlrichtung der Sendeeinheit 2 liegt.

In der Figur 3 ist eine Detailansicht eines Detektors 14 gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Dabei ist eine Variante gezeigt, welche aus zwei zellenförmigen Schieberegistern bzw. Ausleseregistern 16, 17 besteht, welche nacheinander in entgegengesetzter Richtung gefüllt und ausgelesen werden. Im dargestellten Fall sind die Schieberegister 16, 17 überlagert dargestellt. Insbesondere dienen die Schieberegister 16, 17 zum sukzessiven Aktivieren der jeweiligen Detektorspalten.

Beidseitig der jeweiligen Ausleseregister 16, 17 (schattiert) ist jeweils ein zellenförmiger Belichtungsbereich (weiß) angeordnet. Die durch die

Belichtungsbereiche ermittelten Bildinformationen können somit durch die Ausleseregister 16, 17 ausgelesen und anschließend über die Ausleseeinheit 20 ausgelesen werden. Der für das Auslesen der Bildinformation zuständige Bereich der Ausleseregister 16, 17 ist durch die Pfeile veranschaulicht. Die Pfeile zeigen die Ausleserichtung durch die Ausleseeinheit 20.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Bildinformationen jedes Belichtungsbereichs des Detektors 14 anteilig durch zwei Ausleseregister 16, 17 ausgelesen und an jeweils unterschiedlichen Seiten des Detektors 14 durch zwei Ausleseeinheiten 20 entnommen. Hierdurch kann die effektive Länge der jeweiligen Ausleseregister 16, 17 und die Auslesezeit der Bildinformationen halbiert werden.

Der Detektor 14 weist eine Vielzahl an strahlensensitiven Detektorabschnitten 18 auf, welche abhängig von einer Winkelposition des beweglichen Spiegels 6 zum Detektieren von Strahlen 10 durch die Schieberegister 16, 17 aktivierbar sind.

Die Spalten 18 sind hier als Detektorabschnitte 18 ausgestaltet, welche für eine definierte Zeitspanne nacheinander aktiviert und ausgelesen werden. Durch den Einsatz von zwei Schieberegistern 16, 17 wird verhindert, dass abhängig von der aktivierten Zeile 18 unterschiedliche Register-Längen von der Steuereinheit 20 ausgewertet werden müssen.

Die Ausleseeinheit bzw. Steuereinheit 20 ist hier schematisch in Form von einer Vielzahl an Analog/Digital-Wandlern mit entsprechender vorgeschalteter

Elektronik ausgeführt und kann weitere Komponenten, wie Prozessoren, Speicher und dergleichen aufweisen.

In der Figur 4 ist eine Detailansicht eines Detektors 14 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zum in Figur 3 gezeigten

Ausführungsbeispiel ist nur ein Ausleseregister 16 vorgesehen, welcher in eine Richtung die Abschnitte 18 des Detektors 14 scannt bzw. abwechselnd aktiviert. Dabei werden die aus den Detektorabschnitten 18 abgelesenen Signale in einem Speicher 22 zwischengespeichert, bevor diese von der Steuereinheit 20 weiterverarbeitet werden.