Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a lidar device according to the preamble of claim 1.
Eine gattungsgemäße Lidar-Vorrichtung dient der Erfassung einer Umgebung eines Fahrzeugs. Eine solche Lidar-Vorrichtung weist eine Sendeeinheit zum Aussenden von Laserstrahlen auf, wobei die Sendeeinheit eine Strahlablenkeinheit beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, die ausgesendeten Laserstrahlen in unterschiedliche Richtungen zu leiten, um die Umgebung abzutasten. Eine gattungsgemäße Lidar-Vorrichtung weist ferner eine Empfangseinheit zum Empfangen von Laserstrahlen auf, die von der Umgebung reflektiert werden, wobei die Empfangseinheit einen Detektor beinhaltet. Dieser ist dazu ausgebildet, die empfangenen Laserstrahlen in elektrische Signale umzuwandeln.A generic lidar device is used to detect the surroundings of a vehicle. Such a lidar device has a transmitting unit for emitting laser beams, wherein the transmitting unit includes a beam deflection unit configured to direct the emitted laser beams in different directions to scan the surroundings. A generic lidar device further has a receiving unit for receiving laser beams reflected by the surroundings, wherein the receiving unit includes a detector configured to convert the received laser beams into electrical signals.
Mittels einer solchen bekannten Lidar-Vorrichtung können Fahrzeuge ihre Umgebung abtasten und insbesondere Objekte in dieser Umgebung detektieren. Wird ein ausgesendeter Laserstrahl von einem solchen Objekt in der Umgebung zu der Lidar-Vorrichtung zurückreflektiert, so kann anhand der Laufzeit auf die Distanz zwischen der Lidar-Vorrichtung und dem Objekt geschlossen werden. Die entsprechenden Laserstrahlen werden als kurze Pulse ausgesendet und durch das Aussenden in unterschiedliche Richtungen kann ein Bereich der Umgebung abgescannt oder abgetastet werden. Die Reflexionspunkte in der Umgebung, die den Laserstrahl der Lidar-Vorrichtung reflektieren, werden zu einer Lidar-Punktwolke zusammengefasst, die als eine Repräsentation der Umgebung dient und beispielsweise in einem Rechner des Fahrzeugs gespeichert und durch den zyklischen Scanprozess immer wieder aufgefrischt wird.Using such a known lidar device, vehicles can scan their surroundings and, in particular, detect objects in that environment. If an emitted laser beam is reflected back to the lidar device from such an object in the environment, the distance between the lidar device and the object can be determined based on the travel time. The corresponding laser beams are emitted as short pulses, and by emitting them in different directions, an area of the environment can be scanned or sampled. The reflection points in the environment that reflect the laser beam from the lidar device are combined into a lidar point cloud, which serves as a representation of the environment and is stored, for example, in a vehicle's computer and continuously refreshed through the cyclical scanning process.
Bei bekannten Lidar-Vorrichtungen ist in der Empfangseinheit eine weitere Strahlablenkeinheit vorgesehen, welche synchron zur ersten Strahlablenkeinheit der Sendeeinheit die Umgebung ebenfalls abtastet und die durch die Umgebung reflektierten Laserstrahlen dem Detektor zuführt.In known lidar devices, a further beam deflection unit is provided in the receiving unit, which also scans the environment synchronously with the first beam deflection unit of the transmitting unit and feeds the laser beams reflected by the environment to the detector.
Die Verwendung von zwei Strahlablenkeinheiten machen bekannte Lidar-Vorrichtungen komplex, teuer und fehleranfällig. Solche Strahlablenkeinheiten verwenden üblicherweise makroskopische mechanisch drehendbare Spiegel. Alternativ zu makroskopischen Drehspiegel finden auch MEMS-basierte (MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) Strahlablenkeinheiten Anwendung. Solche MEMS-Lidarsysteme verwenden millimetergroße Spiegel auf Halbleiterbasis, um den Laserstrahl in verschiedene Richtungen zu lenken. Aber auch ein solches System ist komplex und basiert letztendlich auf Spiegeln, die bewegt werden müssen.The use of two beam deflection units makes conventional lidar devices complex, expensive, and error-prone. Such beam deflection units typically use macroscopic mechanically rotating mirrors. As an alternative to macroscopic rotating mirrors, MEMS-based (MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) beam deflection units are also used. Such MEMS lidar systems use millimeter-sized semiconductor mirrors to direct the laser beam in different directions. However, even such a system is complex and ultimately relies on mirrors that must be moved.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lidar-Vorrichtung mit reduzierter Komplexität zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to provide a lidar device with reduced complexity.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lidar-Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1.This object is achieved by a lidar device according to the characterizing part of claim 1.
Bei einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung weist die Empfangseinheit einen Parabolspiegel auf, mittels welchem die empfangenen Laserstrahlen gesammelt und zu einer lichtempfindlichen Detektorfläche des Detektors reflektiert werden. Ein Parabolspiegel hat dabei die Form eines Rotationsparaboloids.In a lidar device according to the invention, the receiving unit comprises a parabolic mirror, by means of which the received laser beams are collected and reflected to a light-sensitive detector surface of the detector. A parabolic mirror has the shape of a paraboloid of revolution.
Dies bietet den Vorteil, dass die Empfangseinheit ohne bewegliche Teile aufgebaut sein kann. Der Parabolspiegel sammelt von der Umgebung reflektierte Laserstrahlen effizient ein und fokussiert diese auf die lichtempfindliche Detektorfläche des Detektors, wo sie in elektrische Signale umgewandelt werden. Der Parabolspiegel muss dabei nicht bewegt werden, was den Aufbau einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Die räumliche Auflösung kann erhalten werden, indem berücksichtigt wird, in welchen Raumwinkel die Sendeeinheit die Laserstrahlen wann aussendet. Von einer Auswerteelektronik kann daher angenommen werden, dass bis auf die Laufzeiten zeitgleich empfangene Laserstrahlen auch aus diesem Raumwinkeln zurück reflektiert wurden. Eine räumliche Auflösung des Detektors kann, muss aber für die räumliche Auflösung nicht zwingend ausgewertet werden.This offers the advantage that the receiving unit can be constructed without moving parts. The parabolic mirror efficiently collects laser beams reflected from the environment and focuses them onto the light-sensitive detector surface of the detector, where they are converted into electrical signals. The parabolic mirror does not need to be moved, which significantly simplifies the construction of a lidar device according to the invention. The spatial resolution can be obtained by taking into account the solid angle at which the transmitting unit emits the laser beams and when. The evaluation electronics can therefore assume that, except for the travel times, laser beams received at the same time were also reflected back from this solid angle. The spatial resolution of the detector can, but does not necessarily have to, be evaluated for the spatial resolution.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further preferred embodiments of the present invention emerge from the subclaims.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Parabolspiegel mit einer Öffnung in Richtung des Raumwinkels ausgerichtet, in den die ausgesendeten Laserstrahlen während des Abtastens geleitet werden. Die Öffnung ist vorzugsweise sowohl von der Dimensionierung also auch von der Ausrichtung so ausgestaltet, dass der Parabolspiegel Laserstrahlen aus möglichst vielen der zu erwartenden Einstrahlrichtungen sammeln und fokussieren kann. Die zu erwartenden Einstrahlrichtungen können dabei insbesondere die während des Scannens realisierten Abstrahlrichtungen umfassen. Der Parabolspiegel wird dabei insbesondere so angeordnet sein, dass er mit seiner Symmetrieachse parallel zu einer Achse ausgerichtet ist, die von der Sendeeinheit ausgehend zu einer Mitte des Erfassungsbereichs der Lidar-Vorrichtung ausgerichtet ist.In a preferred embodiment of the invention, the parabolic mirror is oriented with an opening in the direction of the solid angle into which the emitted laser beams are directed during scanning. The opening is preferably designed, both in terms of its dimensions and its orientation, so that the parabolic mirror can collect and focus laser beams from as many of the expected incident directions as possible. The expected incident directions can, in particular, include the emission directions realized during scanning. The parabolic mirror is, in particular, arranged such that its axis of symmetry is aligned parallel to an axis that extends from the transmitting unit to a center of the detection range of the lidar device.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei einer Lidar-Vorrichtung, bei welcher der Parabolspiegel während des Abtastens relativ zur Sendeeinheit nicht bewegt wird.A particularly preferred embodiment of the present invention results in a lidar device in which the parabolic mirror is not moved relative to the transmitting unit during scanning.
Die Detektorfläche des Detektors kann in einem ersten Brennpunkt des Parabolspiegels angeordnet sein, in welchem empfangene Laserstrahlen, die parallel zu einer Symmetrieachse des Parabolspiegels einfallen, fokussiert werden.The detector surface of the detector can be arranged at a first focal point of the parabolic mirror, in which received laser beams incident parallel to a symmetry axis of the parabolic mirror are focused.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung bildet die Detektorfläche eine Ebene aus, welche (vorzugsweise zusätzlich) mehrere Brennpunkte des Parabolspiegels beinhaltet, in welchen empfangene Laserstrahlen, die nicht parallel zur Symmetrieachse des Parabolspiegels einfallen, fokussiert werden. Licht, welches nicht achsenparallel in einen Parabolspiegel einfällt, wird nicht im Brennpunkt für achsenparalleles Licht gesammelt, sondern je nach einfallenden Winkeln relativ zur Symmetrieachse des Parabolspiegels an unterschiedlichen Brennpunkten, die bei einem zweidimensionalen Schnitt eine Brennlinie ausbilden. Solche Brennlinien werden auch Kaustiken genannt. Kaustiken für Parabolspiegel sind bekannt und können beispielsweise durch Simulationen ermittelt werden. Es ist daher eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung, dass die Eigenschaft von Parabolspiegeln genutzt werden kann, wonach sich der Brennpunkt von einfallenden Lichtstrahlen in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel (aber unabhängig vom Auftreffpunkt der Lichtstrahlen auf den Parabolspiegel) an einer festen Position befindet. Die Brennpunkte für verschiedene Einfallswinkel sind aus entsprechenden Kaustiken bekannt und stellen für variierende Einfallswinkel wandernde Punkte dar. Der Detektor (beispielsweise ein Detektorchip) kann also so ausgelegt werden, dass er mehrere oder möglichst viele zu erwartende Brennpunkte (in Abhängigkeit von der Varianz der Einfallswinkel) beinhalten kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass entsprechende Kaustiken für einen dreidimensionalen Fall nicht nur Brennlinien, sondern Brennflächen darstellen und ein idealer Detektor somit eine gekrümmte Detektorfläche aufweisen würde, in welcher alle möglichen oder möglichst viele Brennpunkte berücksichtigt sind.In another particularly preferred embodiment of a lidar device according to the invention, the detector surface forms a plane that (preferably additionally) contains several focal points of the parabolic mirror, in which received laser beams that are not incident parallel to the parabolic mirror's axis of symmetry are focused. Light that is not incident on a parabolic mirror parallel to the axis of symmetry is not collected at the focal point for parallel-axis light, but rather at different focal points depending on the incident angle relative to the parabolic mirror's axis of symmetry, which form a focal line in a two-dimensional section. Such focal lines are also called caustics. Caustics for parabolic mirrors are known and can be determined, for example, through simulations. Therefore, a fundamental idea of the present invention is to utilize the property of parabolic mirrors, according to which the focal point of incident light beams is located at a fixed position depending on the angle of incidence (but independent of the point of incidence of the light beams on the parabolic mirror). The focal points for different angles of incidence are known from corresponding caustics and represent moving points for varying angles of incidence. The detector (e.g., a detector chip) can therefore be designed to accommodate several or as many expected focal points as possible (depending on the variance of the angles of incidence). It should be noted that, for a three-dimensional case, corresponding caustics represent not only focal lines but focal surfaces, and an ideal detector would thus have a curved detector surface in which all possible focal points, or as many as possible, are taken into account.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine ebene Detektorfläche verwendet werden, die vorzugsweise so ausgerichtet ist, dass eine Flächennormale der Detektorfläche parallel zu einer Symmetrieachse des Parabolspiegels ausgerichtet ist. Dies stellt ein Kompromiss dar, reduziert aber die Komplexität der Detektorfläche. Auch Laserstrahlen, die in Brennpunkten fokussiert werden, die nicht auf der Detektorfläche liegen, können detektiert werden, allerdings weniger effizient. Gewisse Anteile gehen verloren.According to the present invention, a flat detector surface can be used, preferably oriented such that a surface normal of the detector surface is parallel to a symmetry axis of the parabolic mirror. This represents a compromise, but reduces the complexity of the detector surface. Laser beams focused at focal points that do not lie on the detector surface can also be detected, albeit less efficiently. Certain components are lost.
Alternativ kann eine Detektorfläche auch eine gekrümmte Fläche sein, welche dann mehr Brennpunkte des Parabolspiegels beinhaltet, in welchen empfangene Laserstrahlen, die nicht parallel zu einer Symmetrieachse des Parabolspiegels einfallen, fokussiert werden. Die Form einer solchen gekrümmten Fläche kann beispielsweise durch eine Simulation ermittelt werden, bei welcher parallele Strahlenbündel mit verschiedenen Einfallswinkeln auf den Parabolspiegel auftreffen und von diesem reflektiert werden. Die Vielzahl der entsprechend ermittelten Brennpunkte ergibt die ideale gekrümmte Oberfläche des Detektors an die eine reale Detektorfläche angenähert werden kann. Eine ideal Detektorfläche kann beispielsweise teilweise bananenförmig ausgebildet sein.Alternatively, a detector surface can also be a curved surface, which then includes multiple focal points of the parabolic mirror, into which received laser beams that are not incident parallel to a symmetry axis of the parabolic mirror are focused. The shape of such a curved surface can be determined, for example, by a simulation in which parallel beams of light strike the parabolic mirror at different angles of incidence and are reflected by it. The multitude of correspondingly determined focal points results in the ideal curved surface of the detector, to which a real detector surface can be approximated. An ideal detector surface can, for example, be partially banana-shaped.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Detektorfläche mindestens in einer Richtung, vorzugsweise in zwei zueinander orthogonalen Richtungen eine Ausdehnung von 0,5 cm bis 2,5 cm auf. Darunter ist zu verstehen, dass in vorteilhafterweise Weise die Detektorfläche nicht die eines mehr oder weniger punktförmigen Sensors ist, sondern die eines Flächendetektors, was den Vorteil bietet, dass mit zunehmender Fläche mehr Brennpunkte von solchen Laserstrahlen erfasst werden können, die nicht parallel zur Symmetrieachse des Parabolspiegels einfallen.In a further preferred embodiment of the present invention, the detector surface has an extension of 0.5 cm to 2.5 cm in at least one direction, preferably in two mutually orthogonal directions. This means that the detector surface is advantageously not that of a more or less point-shaped sensor, but rather that of an area detector, which offers the advantage that, with increasing area, more focal points can be detected by laser beams that are not incident parallel to the symmetry axis of the parabolic mirror.
Vorzugsweise ist ein Detektor als eindimensionaler Zeilensensor oder als zweidimensionaler Array-Sensor ausgebildet. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der Detektor als CCD-Sensor („chargecoupled device“) ausgebildet ist. Während CCD-Sensoren mit einer ebenen lichtempfindlichen Fläche schon länger bekannt sind, sind mittlerweile auch gekrümmte CCD-Sensoren, beispielsweise mit sphärisch gekrümmten konkaven CCD-Chips, am Markt. Ein solcher gekrümmter CCD-Sensor kann dahingehend optimiert werden, dass er an die Brennflächen oder Kaustiken eines Parabolspiegels einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung angepasst ist. Seine Oberfläche kann so den Brennpunkten des Parabolspiegels für Laserstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln folgen.Preferably, a detector is designed as a one-dimensional line sensor or as a two-dimensional array sensor. A particularly preferred embodiment of the invention is one in which the detector is designed as a charge-coupled device (CCD) sensor. While CCD sensors with a flat light-sensitive surface have been known for some time, curved CCD sensors, for example, with spherically curved, concave CCD chips, are now also available on the market. Such a curved CCD sensor can be optimized to fit the focal surfaces or caustics of a parabolic mirror of a lidar device according to the invention. Its surface can thus follow the focal points of the parabolic mirror for laser beams with different angles of incidence.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail using the attached figure as an example.
Dabei zeigt:
Die ausgesendeten Laserstrahlen 20 treffen auf ein (nicht näher dargestelltes) Objekt in der Umgebung der Lidar-Vorrichtung 1 und werden von diesem zurück reflektiert. Solche reflektierten Laserstrahlen treten als empfangene Laserstrahlen 22 wieder durch die transparente Scheibe 30 der Lidar-Vorrichtung 1 hindurch und treffen auf einen Parabolspiegel 24, welcher erfindungsgemäß in der Empfangseinheit 12 vorgesehen ist. Im Gegensatz zur Strahlablenkeinheit 18 ist der Parabolspiegel 24 fest in der Empfangseinheit 12 angeordnet, und die Empfangseinheit 12 weist auch keine weiteren beweglichen Teile auf, was sie wesentlich von Empfangseinheiten von bekannten Lidar-Vorrichtungen unterscheidet. Bei bekannten Lidar-Vorrichtungen wäre in der Empfangseinheit nochmals eine Strahlablenkeinheit vorgesehen, beispielsweise wie die Strahlablenkeinheit 18 der Sendeeinheit 10.The emitted laser beams 20 strike an object (not shown in detail) in the vicinity of the lidar device 1 and are reflected back by it. Such reflected laser beams pass through the transparent pane 30 of the lidar device 1 as received laser beams 22 and strike a parabolic mirror 24, which is provided in the receiving unit 12 according to the invention. In contrast to the beam deflection unit 18, the parabolic mirror 24 is fixedly arranged in the receiving unit 12, and the receiving unit 12 also has no other moving parts, which significantly distinguishes it from the receiving units of known lidar devices. In known lidar devices, another beam deflection unit would be provided in the receiving unit, for example, like the beam deflection unit 18 of the transmitting unit 10.
Mittels des Parabolspiegels 24 werden die empfangenen Laserstrahlen 22 gesammelt und auf einen Brennpunkt auf einer Detektoroberfläche 32 eines Detektors 28 fokussiert. Da die schematisch dargestellten empfangenen Laserstrahlen 22 allerdings nicht parallel zu einer Symmetrieachse 34 des Parabolspiegels 24 einfallen, werden sie als vom Parabolspiegel 24 reflektierte Laserstrahlen 26 in einem Brennpunkt fokussiert, der nicht dem Brennpunkt für achsenparallele einfallende Strahlung entspricht. Letzterer liegt auf der Symmetrieachse 34 und vorzugsweise auf der Detektoroberfläche 32. In vorteilhafter Weise ist daher der Detektor 28 nicht als Punktdetektor ausgebildet, sondern als ein flächiger CCD-Chip. Die Detektorfläche 32 ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass sie mehrere Brennpunkte für empfangene Laserstrahlen 22 mit unterschiedlichen Einfallswinkeln beinhaltet.The parabolic mirror 24 collects the received laser beams 22 and focuses them onto a focal point on a detector surface 32 of a detector 28. However, since the schematically illustrated received laser beams 22 do not impinge parallel to an axis of symmetry 34 of the parabolic mirror 24, they are reflected as laser beams 26 by the parabolic mirror 24 and focused onto a focal point that does not correspond to the focal point for incident radiation parallel to the axis. The focal point lies on the axis of symmetry 34 and preferably on the detector surface 32. Therefore, the detector 28 is advantageously not designed as a point detector, but as a flat CCD chip. The detector surface 32 is designed and arranged such that it contains multiple focal points for received laser beams 22 with different angles of incidence.
In der schematischen Darstellung der
BezugszeichenlisteList of reference symbols
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