Titel

LIDAR-Sensor mit Kontrolldetektor

Die Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zum Abtasten eines Abtastbereichs, ein Verfahren zum Prüfen einer Funktionsfähigkeit einer Sendeeinheit sowie ein Steuergerät.

Stand der Technik

Automatisiert betreibbare Fahrzeuge und Fahrfunktionen erlangen zunehmend an Bedeutung im öffentlichen Straßenverkehr. Zum technischen Umsetzen derartiger Fahrzeuge und Fahrfunktionen sind Sensoren, wie beispielsweise Kamerasensoren, Radarsensoren und LIDAR-Sensoren, notwendig.

LIDAR-Sensoren erzeugen hierbei elektromagnetische Strahlen, beispielsweise Laserstrahlen, und nutzen diese Strahlen zum Abtasten eines Abtastbereichs. Basierend auf einer Time-of-Flight Analyse können Distanzen zwischen dem LIDAR-Sensor und Objekten im Abtastbereich ermittelt werden. Die erzeugten Strahlen können jedoch schädlich für menschliche Augen sein, sodass sichergestellt werden muss, dass die erzeugte Strahlenleistung bzw. Strahlenintensität unterhalb von zulässigen Grenzwerten bleiben.

Darüber hinaus können aufgrund von Alterserscheinungen Materialien, wie beispielsweise Kleber, Gläser und Halterungen, mit zunehmender Verwendungsdauer des LIDAR-Sensors strukturell degradieren. Es können somit die Form der emittierten Strahlen und auch die Ausrichtung der emittierten Strahlen von den geplanten Vorgaben abweichen. Hierdurch können die emittierten Strahlen auch stärker fokussiert werden. Die Strahlenleistung der emittierten Strahlen kann somit schädlich für menschliche Augen sein. Eine abweichende Ausrichtung der emittierten Strahlen kann weiterhin die Genauigkeit des LIDAR-Sensors beeinträchtigen.

Offenbarung der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren und eine Sendeeinheit vorzuschlagen, welche einen sicheren und zuverlässigen Betrieb einer LIDAR-Vorrichtung gewährleisten können.

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

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein LIDAR-Sensor zum Abtasten eines Abtastbereichs bereitgestellt. Der LIDAR-Sensor weist eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Je nach Bauform des LIDAR-Sensors können die Sendeeinheit und die Empfangseinheit zumindest einen Teil der optischen Komponenten miteinander teilen. Hierzu kann beispielsweise mindestens ein unbeweglicher, drehbarer oder schwenkbarer Spiegel von der Sendeeinheit und der Empfangseinheit gemeinsam verwendet werden.

Die Sendeeinheit des LIDAR-Sensors weist eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlen auf. Die Empfangseinheit weist einen Detektor zum Detektieren von Strahlen auf.

Der unbewegliche, drehbare oder schwenkbare Spiegel dient zum Ablenken der von der Strahlenquelle erzeugten Strahlen an einer Spiegelfläche des Spiegels in den Abtastbereich oder zum Ablenken von aus dem Abtastbereich reflektierten oder rückgestreuten Strahlen zum Detektor

Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Spiegel als ein teiltransparenter Spiegel ausgestaltet, wobei der LIDAR-Sensor einen Kontrolldetektor zum Empfangen von durch den Spiegel transmittierten Strahlen aufweist. Der Spiegel kann hierbei als ein teiltransparenter bzw. teiltransmittierender Spiegel ausgestaltet sein, welcher beispielsweise mehr als 90% der erzeugten Strahlen reflektieren kann. Die durch den Spiegel transmittierten Strahlen können durch den Kontrolldetektor empfangen und anschließend durch ein Steuergerät ausgewertet werden. Der Spiegel kann somit nur einen geringfügigen Anteil der erzeugten Strahlen zum Kontrolldetektor durchlassen.

Der mindestens eine Spiegel kann beispielsweise aus einer Metallschicht ausgebildet werden, welche auf einem transparenten Substrat aufgebracht ist. Das Substrat kann beispielsweise Glas oder ein Kunststoff sein. Die Metallschicht kann eine Schichtdicke von 10 nm bis 100nm aufweisen und beispielsweise aus Silber oder Aluminium bestehen. Die Metallschicht kann hierbei den Großteil der erzeugten Strahlen reflektieren, wobei aufgrund der hohen Strahlungsintensität ein Anteil der Strahlen durch die Metallschicht transmittieren kann. Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann der mindestens eine Spiegel als ein dielektrischer Spiegel ausgestaltet sein.

Der verwendete Kontrolldetektor kann als ein flächiger Detektor ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Kontrolldetektor als ein CCD-Sensor, CMOS- Sensor, APD-Array, SPAD-Array und dergleichen ausgestaltet sein. Durch eine Anordnung des Kontrolldetektors hinter dem Spiegel können die transmittierten Strahlen unmittelbar den Kontrolldetektor belichten und die resultierenden Messdaten ausgewertet werden.

Bevorzugterweise kann der Kontrolldetektor hinter dem letzten Spiegel in der Sendeeinheit angeordnet sein, nach welcher die erzeugten Strahlen die Sendeeinheit in den Abtastbereich verlassen.

Durch den Einsatz des Kontrolldetektors kann sichergestellt werden, dass die erzeugten Strahlen der Sendeeinheit auch in der Zukunft gesetzliche Vorgaben zur Augensicherheit erfüllen. Insbesondere ermöglicht der Kontrolldetektor ein frühzeitiges Erkennen von optischen Fehlausrichtungen oder einer Änderung der Strahlungsleistung der erzeugten Strahlen. Analog zur Sendeeinheit kann der Kontrolldetektor auch in einer Empfangseinheit verwendet werden. Hierzu kann der Kontrolldetektor an einem in Einstrahlrichtung der reflektierten Strahlen ersten Spiegel oder an einem zum Detektor der Empfangseinheit letzten Spiegel angeordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Sendeeinheit können LIDAR-Sensoren langfristig mit einer erhöhten Sicherheit gegenüber dem menschlichen Auge betrieben werden. Basierend auf der kontinuierlichen oder zeitweisen Überwachung einer räumlichen Strahlenform bzw. eines Strahlenquerschnitts, einer Strahlungsleistung und einer Ausrichtung eines Auftreffpunkts auf den Spiegel kann ein Einleiten weiterer Maßnahmen ermöglicht werden. Zu derartigen Maßnahmen kann ein Ausgeben von Fehlermeldungen bzw. Warnungen oder ein Neukalibrieren gehören.

Aufgrund der Verwendung von handelsüblichen Komponenten für den Kontrolldetektor kann die langfristige Funktionssicherheit der Sendeeinheit mit minimalen Kosten erlangt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kontrolldetektor mit einem Steuergerät datenleitend verbunden. Die durch den Kontrolldetektor ermittelten Messdaten können somit von dem Steuergerät empfangen und ausgewertet werden. Das Steuergerät kann hierbei ein bereits in die Sendeeinheit integriertes oder als ein externes Steuergerät ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Steuergerät für die Ansteuerung der mindestens einen Strahlenquellen und/oder für das Auswerten von Messdaten einer Empfangseinheit eines LIDAR-Sensors konfiguriert sein.

Durch das Auswerten der Messdaten des Kontrolldetektors kann das Steuergerät automatisiert Veränderungen in der Strahlencharakteristik der erzeugten Strahlen erkennen und Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Neukalibrierungen oder Wartungsmaßnahmen, einleiten. Das Einleiten der Neukalibrierung ist nicht auf die Sendeeinheit beschränkt. Insbesondere kann eine Neukalibrierung eines gesamten LIDAR-Sensors vorgenommen werden. Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Kontrolldetektor an einer der Spiegelfläche abgewandten Rückfläche des Spiegels angeordnet oder von der Rückfläche beabstandet. Der Kontrolldetektor kann direkt an der Rückfläche des Spiegels positioniert sein. Insbesondere kann der Kontrolldetektor die Rückfläche des teildurchlässigen Spiegels bilden. Gemäß einerweiteren Ausgestaltung kann der Kontrolldetektor von der Rückseite beabstandet sein. Hierbei kann der Kontrolldetektor gemeinsam mit dem Spiegel ausgelenkt oder rotiert werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der von der Rückfläche des Spiegels beabstandet angeordnete Kontrolldetektor stationär angeordnet. Durch eine stationäre Anordnung des Kontrolldetektors kann der Kontrolldetektor relativ zum Spiegel unbeweglich innerhalb der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit positioniert sein. Beispielsweise kann der Kontrolldetektor außerhalb eines drehbaren oder schwenkbaren Tellers des LIDAR-Sensors angeordnet sein. Alternativ kann der Kontrolldetektor von dem schwenkbaren Spiegel beabstandet sein. Durch eine derartige stationäre Anordnung des Kontrolldetektors kann eine datenleitende Verbindung zwischen dem Kontrolldetektor und dem Steuergerät technisch besonders einfach umgesetzt werden. Hierbei kann ein Rotor bzw. drehbarer Teller des LIDAR-Sensors passiv bzw. ohne elektrisch leitfähige Verbindungen auskommen.

Nach einerweiteren Ausführungsform ist der Kontrolldetektor dazu eingerichtet, Messdaten über eine Strahlenform, eine Position auf einer Detektorfläche und/oder eine Strahlungsintensität der durch den Spiegel transmittierten Strahlen zu ermitteln. Durch eine flächige Ausgestaltung des Kontrolldetektors können Formen des Strahlenquerschnitts, Abmessungen und Einfallsort der transmittierten Strahlen durch Auswerten von Messdaten des Kontrolldetektors festgestellt werden. Die ermittelten Werte können auch mit vorgesehenen bzw. geplanten Werten verglichen werden, um Unstimmigkeiten oder Abweichungen festzustellen. Somit können Fehlausrichtungen oder Alterungserscheinungen von Materialen des LIDAR-Sensors detektiert werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Kontrolldetektor dazu eingerichtet, die Messdaten zeitaufgelöst über eine Zeitdauer aufzuzeichnen. Durch diese Maßnahme können optische Eigenschaften der erzeugten Strahlen oder der aus dem Abtastbereich rückgestreuten Strahlen über eine Zeitdauer beobachtet werden. Eine derartige zeitaufgelöste Überwachung der Strahlungscharakteristik kann beispielsweise über mehrere transmittierte Strahlen bzw. Strahlenpulse erfolgen.

Vorzugsweise können die Eigenschaften, wie beispielsweise Einfallsposition auf einer Detektorfläche, Abmessungen, Strahlenform, Intensität, von jedem empfangenen transmittierten Strahl empfangen und ausgewertet werden. Hierdurch können auch einzelne oder regelmäßige Schwankungen der Eigenschaften durch Auswerten der Messdaten des Kontrolldetektors festgestellt werden, wodurch auch Fehler in einer Ansteuerung der Strahlenquelle oder der Strahlenquelle erkennbar sind.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Prüfen einer Funktionsfähigkeit eines LIDAR-Sensors durch ein Steuergerät bereitgestellt.

In einem Schritt werden von einem Kontrolldetektor ermittelte Messdaten von durch einen teiltransparenten Spiegel transmittierten Strahlen empfangen.

Die empfangenen Messdaten werden durch das Steuergerät ausgewertet, wobei eine Strahlenform, mindestens eine Abmessung, eine Position auf einer Detektorfläche des Kontrolldetektors oder auf einer Spiegelfläche und/oder eine Strahlungsintensität der transmittierten Strahlen durch ermittelt werden.

In einem weiteren Schritt werden ermittelte Strahlenform, die mindestens eine ermittelte Abmessung, die ermittelte Position auf der Detektorfläche und/oder die ermittelte Strahlungsintensität mit mindestens einer Soll-Form, einer Soll- Abmessung, einer Soll-Position und/oder einer Soll-Strahlungsintensität zum Detektieren von Abweichungen verglichen.

Bei einer detektierten Abweichung wird eine beeinträchtigte Funktionsfähigkeit des LIDAR-Sensors festgestellt. Als Reaktion auf die beeinträchtigte Funktionsfähigkeit wird eine Warnung erzeugt oder eine Kalibrierung eingeleitet. Die beeinträchtigte Funktionsfähigkeit kann hierbei gezielt im Bereich der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit detektiert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Hierzu ist das Steuergerät vorzugsweise mit einem Kontrolldetektor des LIDAR- Sensors datenleitend verbunden.

Durch eine Überwachung der Eigenschaften der erzeugten und/oder empfangenen Strahlen kann eine langfristige Funktionsfähigkeit des LIDAR- Sensors unter Einhaltung von Sicherheitsgrenzen für das menschliche Auge sichergestellt werden. Des Weiteren können Fehler und Abweichungen durch Alterungserscheinungen oder Schäden frühzeitig erkannt werden, wodurch die Zuverlässigkeit eines derartigen LIDAR-Sensors erhöht wird.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines LIDAR-Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Detailansicht eines teildurchsichtigen Spiegels mit einem Kontrolldetektor,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines LIDAR-Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines LIDAR-Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Sensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Insbesondere ist eine kombinierte Sendeeinheit und Empfangseinheit des LIDAR-Sensors 1 dargestellt. Der LIDAR-Sensor 1 weist eine beispielhafte Strahlenquelle 4 zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen 6 auf. Die Strahlenquelle 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Infrarotlaser ausgestaltet und kann somit Strahlen 6 in einem infraroten Wellenlängenbereich erzeugen. Die Strahlenquelle 4 ist stationär bzw. unbeweglich angeordnet.

Des Weiteren weist der LIDAR-Sensor 1 einen Rotor 8 bzw. einen drehbaren Teller auf. Auf dem Rotor 8 ist ein Spiegel 10 angeordnet, welcher die erzeugten Strahlen 6 in einen Abtastbereich A ablenken kann. Der Spiegel 10 ist als ein teildurchsichtiger bzw. teiltransparenter Spiegel ausgeführt und weist eine Spiegelfläche 12 und eine der Spiegelfläche 12 abgewandte Rückfläche 14 auf. Vorzugsweise wird ein Großteil der ankommenden Strahlen 6 in den Abtastbereich A reflektiert. Ein geringfügiger Anteil der erzeugten Strahlen 6 kann durch den Spiegel 10 transmittieren. Hierbei kann ein Anteil der erzeugten Strahlen 6 von mehr als 90% reflektiert und ein Anteil von weniger als 10% durch den Spiegel 10 transmittieren.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Rückfläche 14 ein Kontrolldetektor 16 angeordnet. Insbesondere kann der Kontrolldetektor 16 die gesamte Rückfläche 14 oder einen Teil der Rückfläche 14 des Spiegels 10 verdecken bzw. einnehmen.

Die durch den Spiegel 10 transmittierten Strahlen 7 sind in der Figur 2 dargestellt und können vom Kontrolldetektor 16 detektiert werden. Insbesondere kann der Kontrolldetektor 16 Messdaten aus den empfangenen transmittierten Strahlen 7 erzeugen und die Messdaten an ein Steuergerät 18 übermitteln. Das Steuergerät 18 kann anschließend eine Auswertung der Messdaten übernehmen. Insbesondere können durch das Auswerten der Messdaten Abweichungen und Unstimmigkeiten in der optischen Charakteristik der erzeugten Strahlen 6 ermittelt werden.

Die optische Charakteristik kann beispielsweise eine räumliche Form und Ausdehnung der transmittierten Strahlen 7, eine Position auf einer Detektorfläche 17 des Kontrolldetektors 16 oder auf einer Spiegelfläche 12 und/oder eine Strahlungsintensität aufweisen. Basierend auf den optischen Eigenschaften des Spiegels 10 kann die Auswertung der transmittierten Strahlen 7 auf die erzeugten Strahlen 6 übertragen bzw. angewandt werden.

Zum Detektieren von Abweichungen oder Unstimmigkeiten können Soll-Werte bzw. eine geplante optische Charakteristik im Steuergerät 18 hinterlegt sein. Die aus den Messdaten ermittelte optische Charakteristik der erzeugten Strahlen 6 kann anschließend mit der geplanten optischen Charakteristik verglichen werden. Alternativ kann die optische Charakteristik der erzeugten Strahlen 6 ohne Vergleichswerte im Hinblick auf Veränderungen überwacht werden.

Analog zu dem erzeugten Strahlen 6 können von dem LIDAR-Sensor 1 auch aus dem Abtastbereich A rückgestreute oder reflektierte Strahlen 24 empfangen und ausgewertet werden. Ein Teil der empfangenen Strahlen 24 kann hierbei durch den Spiegel 10 transmittieren. Die transmittierten empfangenen Strahlen 25 können ebenfalls durch den Kontrolldetektor 16 empfangen und durch das Steuergerät 18 ausgewertet werden. Die von der Spiegelfläche 12 reflektierten empfangenen Strahlen 24 können anschließend von einem Detektor bzw. Hauptdetektor 26 des LIDAR-Sensors 1 empfangen und in Messdaten transformiert werden, um beispielsweise eine Time-of-Flight Analyse der erzeugten Strahlen 6 durchzuführen.

In der Figur 2 ist eine Detailansicht eines teildurchsichtigen Spiegels 10 mit einem Kontrolldetektor 16 dargestellt. Der Kontrolldetektor 16 ist von dem Spiegel 10 beabstandet angeordnet und kann die transmittierten Strahlen 7 empfangen und in elektrische Signale wandeln, welche anschließend in Form von analogen oder digitalen Messdaten zur Verfügung stehen.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Sensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, weist der LIDAR-Sensor 1 hier eine Strahlenquelle 4 auf, welche gemeinsam mit dem Spiegel 10 auf dem Rotor 8 angeordnet ist. Hierdurch werden die Strahlenquelle 4 und der Spiegel 10 gleichzeitig geschwenkt oder gedreht. Aufgrund der unmittelbaren Anordnung des Kontrolldetektors 16 auf dem Spiegel 10 wird dieser ebenfalls auf dem Rotor 8 gedreht bzw. geschwenkt. Die Drehung oder Schwenkung erfolgt hierbei um eine Rotationsachse R des Rotors 8.

Die erzeugten Strahlen 6 werden von einem Hilfsspiegel 20 auf den teildurchlässigen Spiegel 10 reflektiert. Der teildurchlässige Spiegel 10 lenkt die erzeugten Strahlen 6 anschließend in den Abtastbereich A ab.

In der Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines LIDAR-Sensors 1 gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt. Im Gegensatz zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Kontrolldetektor 16 von dem teildurchlässigen Spiegel 10 beabstandet angeordnet. Dabei ist der Kontrolldetektor 16 stationär bzw. außerhalb des Rotors 8 befestigt und wird somit relativ zum Spiegel 10 nicht bewegt. Bei einer derartigen Anordnung des Kontrolldetektors 16 kann eine elektrische

Verbindung 22 zwischen dem Kontrolldetektor 16 und dem Steuergerät 18 technisch einfacher ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Kontrolldetektor 18 ohne Kontaktbürsten oder drahtlose Verbindungstechnologien datenleitend mit dem Steuergerät 18 verbunden werden.