Titel

SPAD-basiertes LiDAR-Svstem

Die Erfindung betrifft ein LiDAR-System (Light Detection And Ranging: Entfernungsbestimmung mittels optischer Abtastung). Insbesondere betrifft die Erfindung ein LiDAR-System mit einem SPAD-Detektor (Single Photon Avalanche Detector: 1 -Photonen Lawineneffekt Detektor).

Stand der Technik

Aktuelle LiDAR-Systeme bestehen aus einer Sende- und Empfangseinrichtung von Laserlicht. Die Sendeeinrichtung schickt CW (Continuous Wave: Dauer- strich-moduliertes) oder gepulstes, meist infrarotes Laserlicht in Senderichtung aus. Trifft dieses Licht auf ein bewegliches oder feststehendes Objekt, beispielsweise ein fahrendes oder stehendes Kraftfahrzeug oder einen Fußgänger, so wird es reflektiert und in Richtung der Empfangseinheit zurückgeworfen. Wertet man die Zeitdifferenz von Sende- und Empfangszeitpunkt in einem Detektor aus (TOF, Time Of Flight: nach dem Laufzeitverfahren), kann man auf den von den Photonen des Laserlichts zurückgelegten Weg und somit die Entfernung des Objekts schließen. Ein solcher Detektor kann zum Beispiel eine APD (Avalanche Photo Diode: Lawineneffekt-Photodiode), ein CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor: komplementärer Metalloxid Halbleiter) oder ein SPAD- Detektor sein.

Insbesondere ein SPAD-Detektor kann so empfindlich sein, dass Hintergrundlicht im Bereich des abgetasteten Objekts stören kann. Üblicherweise ist ein extrem schmalbandiger optischer Filter erforderlich, um das Hintergrundlicht auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Das LiDAR-System kann dadurch aufwändig und kostenintensiv sein. DE 10 201 1 005 746 A1 zeigt ein LiDAR-System, bei dem die Empfangseinrichtung eine Vielzahl Pixel aufweist, die jeweils einen SPAD-Detektor umfassen und deren Signale zur Auswertung dynamisch gruppiert werden können.

US 2015 0 192 676 A1 schlägt ein LiDAR-System mit einem SPAD-Detektor vor, bei dem nur Photonen detektiert werden, die aus einem vorbestimmten geometrischen Messfeld stammen.

Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein SPAD- basiertes LiDAR-System mit verringerter Empfindlichkeit gegenüber Hintergrundlicht bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.

Offenbarung der Erfindung

Ein LiDAR-System umfasst eine Sendeeinrichtung für Licht; eine Empfangseinrichtung für Licht, mit einem ersten und einem zweiten Photonendetektor; und eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Zeitdauer zwischen dem Aussenden von Licht mittels der Sendeeinrichtung und dem Eintreffen des an einem Objekt reflektierten Lichts an der Empfangseinrichtung zu bestimmen. Dabei ist die Sendeeinrichtung dazu eingerichtet, eine Überlagerung von horizontal und vertikal polarisiertem Licht auszusenden; der erste Photonendetektor ist zur De- tektion von nur horizontal polarisiertem Licht und der zweite Photonendetektor zur Detektion von nur vertikal polarisiertem Licht eingerichtet; ferner ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, die Zeitdauer auf der Basis von Licht zu bestimmen, das an beiden Photonendetektoren innerhalb eines vorbestimmten Intervalls eintrifft.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Hintergrundlicht, das nicht von der Sendeeinrichtung stammt, sondern von einer anderen Lichtquelle wie der Sonne, mit einer weit höheren Wahrscheinlichkeit horizontal (H) als vertikal (V) polarisiert ist. Außerdem fallen H- und V-polarisierte Anteile des Hintergrundlichts üblicherweise nicht zeitlich zusammen. Anhand dieses Charakteristikums kann eine verbesserte Unterscheidung zwischen Hintergrundlicht und reflektiertem Licht realisiert werden. Zur Reduzierung des Einflusses von Hintergrundlicht kann ein Standardfilter verwendet werden. Ein kostenintensiver, extrem schmal- bandiger optischer Filter kann nicht erforderlich sein. Das optische Signal- Rausch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio) des Sensors kann verbessert werden, so dass das LiDAR-System eine erhöhte Reichweite aufweisen kann. Das Objekt kann dadurch verbessert lokalisiert werden, das heißt, dass seine Richtung oder Entfernung mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden kann. Die optische Apertur des LiDAR-Systems kann verringert sein, bis hin zu einem Punkt, an dem tatsächlich nur einzelne Photonen des ausgesandten Lichts auf die Photonendetektoren treffen. Abmessungen des LiDAR-System können dadurch verringert sein.

Eine Bündelung mehrerer nahe aneinander angeordneter Photonendetektoren („Makropixel") kann unnötig sein. Eine Mikrostrukturierung eines Halbleitermaterials kann verbessert sein. Zur Abtastung des Objekts kann eine geringere Anzahl von Messvorgängen erforderlich sein. Ein Bestimmungsaufwand über die entsprechend verringerte Anzahl von Messwerten kann ebenfalls verringert sein. Außerdem kann das Bestimmungsergebnis schneller vorliegen. Der technische Aufwand des beschriebenen LiDAR-Systems kann überschaubar sein. Es kann weniger Licht ausgesandt werden, wodurch unter anderem eine Augensicherheit leichter gewährleistet werden kann.

Die Sendeeinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, zu möglichst gleichen Teilen horizontal und vertikal polarisiertes Licht auszusenden. Beide Anteile sind linear polarisiert, so dass die Sendeeinrichtung insbesondere linear im ca. 45°- Winkel polarisiertes Licht aussenden kann. In einer Ausführungsform wird linear polarisiertes Licht bereitgestellt, das beispielsweise mittels einer Lambda-Halbe- Platte in den vorbestimmten Polarisationswinkel gedreht wird.

Es ist außerdem bevorzugt, dass die Sendeeinrichtung dazu eingerichtet ist, kohärentes Licht auszusenden. Dazu kann die Sendeeinrichtung insbesondere eine Laser-Lichtquelle umfassen. In unterschiedlichen Ausführungsformen können beispielsweise ein kostengünstiger Halbleiterlaser, Festkörper-, Faserlaser oder ein leistungsfähiger Röhrenlaser verwendet werden

Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Sendeeinrichtung dazu eingerichtet ist, Licht auszusenden, dessen horizontal polarisierter Anteil mit dem vertikal polarisierten Anteil einen quantenmechanischen Verschränkungszustand bildet. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass das im ca. 45°-Winkel linear polarisierte Licht aus einer gemeinsamen, kohärenten Laserlichtquelle abgeleitet wird.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfassen die Photonendetektoren jeweils einen SPAD-Detektor. Prinzip bedingt verstärkt der SPAD-Detektor ein einfallendes Photon lawinenartig, um ein Detektionssignal bereitzustellen. Um sich nicht selbst ständig neu zu erregen, muss der der SPAD-Detektor anschließend gedämpft beziehungsweise gedrosselt werden (aktives oder passives Quenching). Durch diesen Vorgang entsteht eine Totzeit im Bereich von üblicherweise mehreren 10 Nanosekunden, bis eine erneute Messung möglich ist. Die Lage des Messfensters in der Zeit kann üblicherweise mittels eines Steueranschlusses (Gate) gesteuert werden. Auf diese Weise kann das vorbestimmte Intervall an beiden Photonendetektoren synchronisiert werden. Die Unterscheidung zwischen Lichtanteilen, die innerhalb des gleichen Intervalls auf beide Photonendetektoren treffen, von zeitlich unkorreliertem Licht kann so einfach getroffen werden.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass das LiDAR-System einen polarisierenden Strahlteiler umfasst, um an der Empfangseinrichtung eintreffendes Licht in einen horizontal polarisierten Anteil und einen vertikal polarisierten Anteil aufzuteilen. Ein derartiger Strahlteiler kann aus zwei Prismen gebildet werden, die ähnlich einem Würfen zusammengesetzt sind. Man spricht auch von einem Polwürfel. Eine andere Bezeichnung eines polarisierenden Strahlteilers ist PBS (Polarizing

Beamsplitter).

Darüber hinaus ist bevorzugt, dass die Sendeeinrichtung Licht eines vorbestimmten Bandes aussendet, und die Empfangseinrichtung einen optischen Filter zur Diskriminierung außerhalb des Bandes liegenden Lichts umfasst. Dieser kann mit dem polarisierenden Strahlteiler integriert ausgeführt sein.

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Zeitdauer zwischen dem Aussenden von Licht und dem Eintreffen des an einem Objekt reflektierten Lichts umfasst Schritte des Aussendens einer Überlagerung von horizontal und vertikal polarisiertem Licht; des Empfangens eines horizontal polarisierten Anteils des reflektierten Lichts und eines vertikal polarisierten Anteils des reflektierten Lichts innerhalb eines vorbestimmten Intervalls; und des Bestimmens der Zeitdauer auf der Basis der innerhalb des Intervalls eintreffenden Anteile des Lichts.

Die relative Gleichzeitigkeit der eintreffenden unterschiedlichen Anteile des Lichts kann durch die Länge des Intervalls gesteuert werden. Das Maß der Reduzierung der Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber Hintergrundlicht kann dadurch beeinflusst werden.

Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.

Das Verfahren kann insbesondere ganz oder teilweise auf der Auswerteeinrichtung des oben beschriebenen LiDAR-Systems ablaufen. Dazu kann die Auswerteeinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen.

Wegen des engen Bezugs zwischen dem LiDAR-System und dem beschriebenen Verfahren beziehen sich Merkmale oder Vorteile des Verfahrens üblicherweise auch auf das System und umgekehrt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen: Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines LiDAR-Systems;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens;

Fig. 3 eine Illustration von Messungen mittels des LiDAR-Systems von Figur 1 ; Fig. 4 eine Illustration von Messungen eines LiDAR-Systems mit mehreren Photonendetektoren darstellt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines LiDAR-Systems 100. Das LiDAR- System 100 ist dazu eingerichtet, eine Richtung oder Entfernung eines Objekts 105 optisch zu bestimmen. Das LiDAR-System 100 kann insbesondere zur Abtastung einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Das Objekt 105 kann beispielsweise einen anderen Verkehrsteilnehmer oder ein anderes Fahrzeug umfassen.

Üblicherweise erfolgt die Abtastung eines LiDAR-Systems mittels eines Lichtstrahls, der in Abhängigkeit der Zeit verschwenkt und/oder gedreht wird. Alternativ kann auch ein so genanntes Solid State System oder ein Flash LiDAR-System verwendet werden. Bei beiden Systemen werden keine beweglichen Teile verwendet und das Gesichtsfeld (field of view, FOV) wird als Ganzes beleuchtet. In der schematischen Darstellung von Fig. 1 wird vereinfachend von einem starren Messbereich ausgegangen.

Das LiDAR-System 100 umfasst eine Sendeeinrichtung 110 zum Aussenden von Licht und eine Empfangseinrichtung 115 zum Empfangen von Licht, das insbesondere zuvor von der Sendeeinrichtung 110 ausgesandt und am Objekt 105 reflektiert wurde. Dazu umfasst die Empfangseinrichtung 115 bevorzugt einen ersten Photodetektor 120 und einen zweiten Photodetektor 125. Der erste Photodetektor 120 ist dazu eingerichtet, lediglich horizontal polarisiertes Licht zu detektie- ren, während der zweite Photodetektor 125 dazu eingerichtet ist, lediglich vertikal polarisiertes Licht zu detektieren. Es ist besonders bevorzugt, dass an der Empfangseinrichtung 1 15 eintreffendes Licht mittels eines polarisierenden Strahlteilers 130 in seine horizontalen und vertikalen Komponenten aufgeteilt und auf den jeweiligen Photodetektor 120, 125 geleitet wird. Der Strahlteiler 130 kann insbesondere einen so genannten Polwürfel umfassen. Die Sendeeinrichtung 1 10 kann insbesondere eine Laser-Lichtquelle 135 umfassen, die dazu eingerichtet ist, kohärentes Licht eines vorbestimmten Wellenlängen-Bandes auszusenden. Das von der Sendeeinrichtung 1 10 bereitgestellte Licht ist bevorzugt linear polarisiert, wobei Anteile des Lichts, die horizontal polarisiert sind und solche, die vertikal polarisiert sind, bevorzugt gleich groß sind. Dadurch kann sich ein Polarisationswinkel des von der Sendeeinrichtung 1 10 in Richtung des Objekts 105 ausgesandten Lichts von ca. 45° ergeben. In der dargestellten Ausführungsform wird das solchermaßen linear polarisierte Licht be- reitgestellt, indem das von der Lichtquelle 135 bereitgestellte kohärente Licht mittels eines Polarisierers 140 in die gewünschte Polarisationsebene gedreht wird.

Eine Auswerteeinrichtung 145 ist dazu eingerichtet, die Sendeeinrichtung 1 10 und die Empfangseinrichtung 1 15 zu steuern, um den optischen Abtastvorgang zu kontrollieren. Dabei ist das Steuern der Bereitstellung des Lichts mittels der

Sendeeinrichtung 1 10, beispielsweise durch Ein- und Ausschalten oder Modulieren, optional. Die Auswerteeinrichtung 145 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Photonendetektoren 120, 125 dazu anzusteuern, einfallende Photonen (Bestandteile des in die Empfangseinrichtung 1 15 einfallenden Lichts) innerhalb ei- nes für beide Photonendetektoren 120, 125 synchronen Zeitfensters zu erfassen.

Dieses Zeitfenster ist üblicherweise einige Nanosekunden bis einige 10 Nanose- kunden groß, kann jedoch auch größer sein, beispielsweise im Bereich von 100 Nanosekunden oder mehr. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zur optischen Abtastung des Objekts 105. Das Verfahren 200 kann insbesondere im Sinne des LiDAR- Systems 100 von Fig. 1 durchgeführt werden. Dazu kann das Verfahren 200 ganz oder in Teilen in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, das insbesondere auf einer Verarbeitungseinrichtung der Auswerteeinrichtung 145 ablaufen kann.

In einem Schritt 205 wird horizontal und vertikal polarisiertes Licht ausgesandt, beispielsweise mittels der Sendeeinrichtung 1 10 auf die oben beschriebene Weise. Das ausgesendete Licht ist bevorzugt linear polarisiert, umfasst einen horizontal und einen vertikal polarisierten Anteil, die miteinander verschränkt sind, und bevorzugt innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängen-Bandes liegen. In einem Schritt 210 wird das zuvor ausgesandte Licht optional am Objekt 105 gestreut, so dass es in Richtung der Empfangseinrichtung 1 15 fällt.

In einem Schritt 215 wird das an der Empfangseinrichtung 1 15 einfallende Licht bevorzugt in einen horizontal polarisierten und einen vertikal polarisierten Anteil aufgeteilt. Anschließend erfolgt in einem Schritt 220 ein Detektieren des horizontal polarisierten Anteils und in einem Schritt 225 ein Detektieren eines vertikal polarisierten Anteils des in die Empfangseinrichtung 1 15 einfallenden Lichts innerhalb eines gemeinsamen Zeitfensters oder zeitlichen Intervalls. Nur dann, wenn sowohl horizontal polarisiertes als auch vertikal polarisiertes Licht innerhalb desselben Intervalls detektiert wird, kann daraus geschlossen werden, dass das einfallende Licht ursprünglich im Schritt 205 ausgesandt wurde und es sich nicht um Hintergrundlicht handelt.

In einem Schritt 230 kann auf der Basis des eintreffenden Lichts eine Bestimmung einer Eigenschaft des Objekts 105 durchgeführt werden. Insbesondere kann die Reisezeit TOF (Time of Flight) des Lichts zwischen dem Aussenden durch die Sendeeinrichtung 110 und dem Empfangen mittels der Empfangseinrichtung 115 bestimmt und daraus die Entfernung des Objekts 105 von dem Li- DAR-System 100 abgeleitet werden.

Bei einem üblichen LiDAR-System 100, dessen Abtastbereich mechanisch beziehungsweise optisch verstellt wird (üblicherweise zyklisch), kann zusätzlich oder alternativ eine Richtung des Objekts 105 bestimmt werden.

Fig. 3 zeigt eine Illustration von Messungen mittels des LiDAR-Systems 100 von Fig. 1. Ein erstes Diagramm 305, ein zweites Diagramm 310 und ein drittes Diagramm 315 weisen jeweils eine horizontale Zeitachse desselben Zeitbereichs und eine vertikale Signalachse auf. Das erste Diagramm 305 stellt Signale einfallenden Lichts des ersten Photodetektors 120 und das zweite Diagramm 310 Signale einfallenden Lichts des zweiten Photodetektors 125 dar. Die Zeitachse ist aufeinanderfolgende, gleich große Intervalle 320 unterteilt, wobei jedes Intervall 320 einem eigenen zeitlichen Messfenster beider Photonendetektoren 120, 125 entspricht. Zur verbesserten Erkennbarkeit sind in gleiche Intervalle 320 fallende Signale der beiden Photonendetektoren 120, 125 mit fetteren Linien dargestellt als Signale zeitlich unkorrelierten Lichts.

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform werden die Signale der Photonendetektoren 120, 125 in jedem Intervall 320 mittels einer logischen Und- Bedingung verknüpft. Im dritten Diagramm 315 ergibt sich dadurch nur in solchen Intervallen 320 ein Signal S, in denen sowohl ein Signal S1 des ersten Photodetektors 120 als auch ein Signal des zweiten Photodetektors 125 vorliegt. Hintergrundlicht, das nicht von der Sendeeinrichtung 1 10 ausgesandt wurde und somit nicht kohärent, nicht in der vorgesehenen Weise polarisiert oder nicht überlagert ist, kann dadurch idealerweise vollständig diskriminiert werden. Die optische Abtastung des Objekts 105 kann dadurch mit verbesserter Präzision durchgeführt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Empfangsvorrichtung 115 kann sich auf einen einzigen (fest vorbestimmten) Abtastbereich beschränken. Man spricht dabei auch von einer Null-dimensionalen Messung. Die beschriebene Technik lässt sich jedoch auch für eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Photonendetektoren 120, 125 einsetzen.

Fig. 4 zeigt eine Illustration von Messungen eines LiDAR-Systems 100 mit einer geometrischen Anordnung mehrerer Photonendetektoren 120, 125. Dabei sind üblicherweise erste Photonendetektoren 120 und zweite Photonendetektoren 125 einander paarweise zugeordnet, und die Paare von Photonendetektoren 120, 125 sind bevorzugt in einer Reihe (linear) versetzt angeordnet. In der Darstellung von Fig. 1 können die Photonendetektoren 120, 125 beispielsweise in vertikaler Richtung, bezogen auf die Zeichenebene, gestapelt sein.

Die Darstellung von Fig. 4 folgt prinzipiell der von Fig. 3. Die Signale S11 , S12 und S13 beziehen sich auf (vertikal) versetzte erste Photonendetektoren 120 und die Signale S21 , S22 und S23 auf entsprechend (vertikal) versetzte zweite Photonendetektoren 125. Die einzelnen Signale können paarweise miteinander kombiniert werden, wobei m x n verschiedene Kombinationen gebildet werden können. In der Darstellung von Fig. 4 wird das Signal S11 mit den Signalen S21 , S22 und S23 mittels einer logischen Und-Operation miteinander verknüpft. Das Er- gebnis der Verknüpfung ist im rechten Bereich von Fig. 4 dargestellt. Auf diese Weise kann das oben beschriebene Prinzip dazu verwendet werden, mittels einer eindimensionalen Anordnung von Photonendetektoren 120, 125 und, in entsprechender Weiterentwicklung, auch einer mehrdimensionalen Anordnung von Photonendetektoren 120, 125, verwendet zu werden.