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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, umfassend mindestens zwei Makropixel, die jeweils mindestens zwei Detektorelemente umfassen, wobei mindestens ein Detektorelement eine Einzelphotonen-Lawinendiode oder eine Lawinen-Photodiode ist.
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Stand der Technik
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Hoch- und vollautomatische Fahrzeuge (Level 3 - 5) werden in den nächsten Jahren auf öffentlichen Straßen immer häufiger eingesetzt werden. Alle bekannten Konzepte von automatisierten Fahrzeugen erfordern eine Kombination verschiedener Wahrnehmungssensoren, wie Kameras, Radar und LiDAR (Light Detection and Ranging). Letztere sind Laserscanner, die einen kurzen Puls Laserlicht aussenden und das von einem Objekt reflektierte Licht erfassen. LiDAR-Sensoren berechnen dann den Abstand des Objekts aus der gemessenen Laufzeit.
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Für die Detektorelemente sind verschiedene Technologien bekannt, darunter Lawinen-Photodioden (APD, Avalance Photodiode) und Einzelphotonen-Lawinendioden (SPAD, Single Photon Avalance Diode). SPAD und APD weisen eine sehr hohe Empfindlichkeit auf und ermöglichen es dem LiDAR-Sensor, bis zu sehr großen Reichweiten (~ 200 m) zu messen. Ihre binäre Erfassungscharakteristik (Photon detektiert oder nicht detektiert) bedeutet jedoch einen niedrigen Dynamikbereich für den Detektor. Darüber hinaus können solche LiDAR-Scanner Probleme haben, Umgebungsobjekte in der Nähe des Sensors genau zu erkennen. Insbesondere das stark reflektierte Signallicht eines nahen Umgebungsobjekts kann ein permanentes Signal im SPAD-Detektor auslösen und führt zu einem Laufzeitfehler und damit zu einem Abstandsfehler in der LiDAR-Messung. Der gleiche Fehler kann bei stark reflektierenden Umgebungsobjekten wie Retroreflektoren / Katzenaugen auf der Straße auftreten. Es ist daher notwendig, Wege zu finden, insbesondere optische Sensoren mit SPAD-Detektoren mit einem erhöhten dynamischen Funktionsbereich zu bauen.
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Der Begriff Makropixel bezeichnet hier eine Anordnung von mehreren physikalischen Pixeln (Detektorelementen) zum Beispiel auf einem gemeinsamen Halbleiterträger.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein optischer Sensor der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei dem in einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor mindestens zwei Makropixeln ein optischer Filter angeordnet ist, wobei der optische Filter vor mindestens zwei Makropixeln Filterabschnitte mit einer unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeit aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße optische Sensor hat den Vorteil, dass selbst bei der fast binären Ansprecheigenschaft der einzelnen Detektorelemente (SPAD oder APD) ein intensives Lichtsignal nicht automatisch zu einem dauerhaften Ansprechen aller Detektorelemente aller Makropixel führt. So können beispielsweise bei einem nahen und/oder stark reflektierenden Objekt einzelne oder alle Detektorelemente des Makropixels mit dem Filterabschnitt mit der höchsten Lichtdurchlässigkeit dauerhaft ein Signal ausgeben und damit kein zuverlässiges time-of-flight-Signal mehr liefern. Gleichzeitig können die Detektorelemente des Makropixels mit einem Filterabschnitt mit einer niedrigeren Lichtdurchlässigkeit nur teilweise angesprochen werden und somit weiterhin ein time-of-flight-Signal und eine Entfernungsbestimmung des Objekts erlauben. Umgekehrt können bei einem fernen und/oder schwach reflektierenden Objekt einzelne oder alle Detektorelemente des Makropixels mit dem Filterabschnitt mit der höchsten Lichtdurchlässigkeit (oder ohne Filterabschnitt) noch ein Signal ausgeben und damit ein zuverlässiges time-of-flight-Signal liefern, während alle anderen Makropixel kein Signal (für dieses Objekt) mehr liefern, da zu wenige / keine Photonen von diesem Objekt durch die Filterabschnitte die Detektorelemente der anderen Makropixel erreichen.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt also eine Kombination von Hellbilderfassung und Dunkelbilderfassung in einem Detektor und vereinfacht somit den Aufbau insbesondere von LiDAR-Systemen. Weiterhin wird die Baugröße reduziert und die Kosten werden verringert. Dadurch, dass keine unterschiedlichen Detektoren zum Einsatz kommen müssen, sondern prinzipiell alle Makropixel aus denselben Bauteilen gefertigt werden können, entfällt auch ein Großteil des Kalibrierungsaufwandes. Außerdem kann gegenüber gängigen Imagern die Belichtungszeit bei schlechten Lichtverhältnissen deutlich verbessert werden.
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Es ist auch möglich, dass vor einem oder mehreren Makropixel(n) kein Filter angeordnet ist, was einer maximalen Lichtdurchlässigkeit entspricht. Dies ist vorteilhaft, um auch möglichst lichtschwache/ferne Objekte effektiv detektieren zu können.
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Jedem Makropixel wird also ein eigener Dynamikbereich (-Lichtstärken-Bereich, in dem das Makropixel verwertbare Signale liefert) zugewiesen. Je mehr Makropixel (für denselben Raumwinkel) verwendet werden, umso größer kann der gesamte Dynamikbereich des optischen Sensors sein beziehungsweise umso besser ergänzen sich „angrenzende Dynamikbereiche“ von Makropixeln mit ähnlicher Lichtdurchlässigkeit.
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Die Lichtdurchlässigkeit lässt sich wie üblich über den Transmissionsgrad T des Filters beschreiben:
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Dabei ist / die Lichtintensität nach Durchquerung des Filters (zum Beispiel in einem relevanten Wellenlängenbereich) und I0 die entsprechende Lichtintensität vor dem Filter. Die Filterabschnitte mindestens zweier Makropixel unterscheiden sich also beispielsweise in ihrem Transmissionsgrad (insbesondere im Wellenlängenbereich, für den die Detektorelemente empfindlich sind, zum Beispiel Infrarot).
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Der Filter muss erfindungsgemäß nicht einstückig oder zusammenhängend in den Filterabschnitten ausgestaltet sein. Der Filter kann in den Filterabschnitten verschiedene Filterelemente umfassen, die beispielsweise in einem Träger angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Makropixel ein Silicium-Photomultiplier, der eine Vielzahl von Einzelphotonen-Lawinendioden oder Lawinen-Photodioden umfasst. Derartige Silicium-Photomultiplier weisen eine hohe Signalverstärkung auf und haben eine geringe Baugröße bei einer sehr großen Anzahl von Detektorelementen pro Fläche. Damit kann auch eine hohe Redundanz erzielt werden, da auch bei einem Ausfall eines Teils der Detektorelemente das Makropixel betriebsbereit bleiben kann.
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Es ist bevorzugt, wenn mindestens zwei Makropixel, vor denen Filterabschnitte mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit angeordnet sind, in einer Makropixel-Anordnung auf denselben Raumwinkel des zu absorbierenden Lichts ausgerichtet sind. Es können auch eine größere Anzahl (zum Beispiel 2x2 = 4 oder 3x3 = 9) von Makropixeln mit jeweils unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit (Transmissionsgrad) gruppiert auf denselben Raumwinkel des zu absorbierenden Lichts ausgerichtet sein. Raumwinkel bezeichnet hier einen gewissen Raumwinkelbereich, also beispielsweise 1°×1°, 1°×2°, 5°×5°, 10°×5° etc. (wobei beliebige Raumwinkel-Größen und -Formen vorstellbar sind).
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Es ist bevorzugt, wenn der optische Filter ein passiver optischer Filter ist. „Passiv“ ist hier so zu verstehen, dass der Filter nicht schaltbar ist, also seine optischen Eigenschaften im Betrieb nicht elektrisch oder mechanisch veränderbar sind. Im Gegensatz zu einem schaltbaren optischen Filter hält sich dann der Schaltungsaufwand in Grenzen und die Kosten für den optischen Filter sind begrenzt. Aufgrund der Verwendung von Filterabschnitten unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit ist auch keine Schaltbarkeit erforderlich.
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Vorzugsweise ist der optische Filter ein Neutraldichtefilter. Ein Neutraldichtefilter (auch ND-Filter, Neutralfilter, Graufilter genannt) ermöglicht eine möglichst gleichmäßige und wohldefinierte Reduktion der Lichtintensität. Die unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeiten der Filterabschnitte können beispielweise durch unterschiedliche Materialdicken des Neutraldichtefilters vor den verschiedenen Makropixeln erreicht werden.
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In einer Ausführungsform umfasst der optische Sensor mindestens zwei Makropixel-Anordnungen, die auf unterschiedliche Raumwinkel des zu absorbierenden Lichts ausgerichtet sind. Der optische Sensor kann dann gleichzeitig einen größeren Gesamtraumwinkel abdecken, selbst wenn der Sensor als rotierender Sensor ausgestaltet ist oder eine rotierende Optik umfasst.
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Vorzugsweise sind mindestens vier Makropixel in der mindestens einen Makropixel-Anordnung in einer Matrixanordnung angeordnet, wobei sich die Lichtdurchlässigkeiten der Filterabschnitte vor den Makropixeln der Makropixel-Anordnung unterscheiden. Eine Matrixanordnung ist möglichst platzsparend, insbesondere bei der Verwendung von gleichen Makropixeln. Auch hier kann vor einem oder mehreren Makropixeln kein Filterabschnitt angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein LiDAR-System bereitgestellt, umfassend mindestens einen optischen Sensor nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, sowie mindestens einen optischen Emitter, der dazu eingerichtet ist, Licht in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, in dem die Detektorelemente lichtempfindlich sind, sodass durch die Detektion des von Umgebungsobjekten reflektierten Lichts in den Detektorelementen die Richtung und Entfernung von Umgebungsobjekten bestimmt werden kann. Die Entfernungsbestimmung kann, wie von LiDAR-Systemen bekannt, durch die Messung der Laufzeit bestimmt werden. Das LiDAR-System kann a) statisch sein (also nur einen festen Raumwinkelbereich abdecken), b) der Emitter und der optische Sensor können rotieren, c) das LiDAR-System kann eine rotierende Optik umfassen oder d) Phasenschieber umfassen.
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In einer Ausführungsform umfasst das LiDAR-System, eine Auswertungseinheit, die dazu eingerichtet ist, aus dem Vergleich der detektierten Signale der verschiedenen Makropixel in einer Makropixel-Anordnung die Reflektivität eines detektierten Umgebungsobjekts zu berechnen. Da unterschiedliche Makropixel bei verschiedenen Lichtintensitäten „überlastet“ (also dauerangesprochen) werden, kann aus deren Anzahl zusammen mit der Information der Entfernung des Umgebungsobjekts (durch Auswertung mindestens eines nicht überlasteten Makropixels) durch die Auswerteeinheit eine Reflektivität des Umgebungsobjekts bestimmt werden. Die Reflektivität erlaubt regelmäßig einen Rückschluss auf die Eigenschaften (zum Beispiel Nässe oder Verschmutzung von Straßenbelag) oder die Art des Umgebungsobjekts (Straßenschild, anderes Fahrzeug, Bauwerke, Fensterscheiben etc.), was insbesondere für selbstfahrende Autos von hoher Bedeutung ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
- 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, und
- 3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt, umfassend mehrere Makropixel 2, 3, 4 (hier exemplarisch vier), die jeweils mindestens zwei Detektorelemente (vorzugsweise jeweils einen Silicium-Photomultiplier) umfassen. Die Detektorelemente sind Einzelphotonen-Lawinendioden (SPAD) oder Lawinen-Photodioden (APD). In einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts (wie dargestellt aus der Sichtrichtung) ist vor drei der vier Makropixel ein optischer Filter angeordnet. Der optische Filter weist vor drei Makropixeln 3, 4 Filterabschnitte mit einer unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeit auf (hier durch verschiedene Muster verdeutlicht). Das Makropixel 2 ist nicht mit einem Filterabschnitt überdeckt, es ist aber auch möglich, dass alle Makropixel mit Filterabschnitten überdeckt sind und ein Filterabschnitt einen Transmissionsgrad von etwa 1 aufweist.
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Der Filterabschnitt vor dem Makropixel 3 weist hier beispielsweise eine höhere Lichtdurchlässigkeit auf als der Filterabschnitt vor dem Makropixel 4.
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Der optische Sensor 1 umfasst eine Makropixel-Anordnung 5, die die vier Makropixel 2, 3, 4 umfasst, die alle auf denselben Raumwinkel ausgerichtet ist. Der optische Sensor kann mehrere solcher Makropixel-Anordnungen 5 umfassen (siehe auch 3).
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 umfasst hier neun Makropixel 2, 3, 4. Der optische Filter weist vor acht Makropixeln 3, 4 Filterabschnitte mit einer unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeit auf (auch hier durch acht verschiedene Muster verdeutlicht). Das Makropixel 2 ist erneut nicht mit einem Filterabschnitt überdeckt, es ist aber auch möglich, dass alle Makropixel mit Filterabschnitten überdeckt sind und ein Filterabschnitt einen Transmissionsgrad von etwa 1 aufweist.
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Auch hier umfasst der optische Sensor 1 eine Makropixel-Anordnung 5, die die neun Makropixel 2, 3, 4 umfasst, die alle auf denselben Raumwinkel ausgerichtet sind.
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Die zweite Ausführungsform ermöglicht einen größeren Dynamikbereich (zum Beispiel bis zu deutlich höheren Lichtstärken von Umgebungsobjekten) als die erste Ausführungsform, benötigt aber mehr Bauraum pro abgedecktem Raumwinkel und verursacht mehr Kosten. Weiterhin kann eine gleichmäßigere Qualität der Entfernungsbestimmung und eine bessere Bestimmung der Reflektivität von Umgebungsobjekten erreicht werden, da die Unterschiede in der Lichtdurchlässigkeit von einem Filterabschnitt zum nächsten kleiner ausfallen können. Damit wird die Chance, dass immer eines der Makropixel möglichst optimal auf eine Lichtstärke eines bestimmten Umgebungsobjekts anspricht (also ein klares time-of-flight-Signal ergibt und weder dauerangesprochen wird noch kein Signal ausgibt), größer.
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In 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 umfasst hier vier Makropixel-Anordnungen 5, 6 die jeweils vier Makropixel 2, 3, 4 umfassen. Die Makropixel 2, 3, 4 der Makropixel-Anordnung 5 sind alle auf denselben Raumwinkel ausgerichtet, der sich von dem Raumwinkel unterscheidet, auf den die Makropixel der Makropixel-Anordnung 6 ausgerichtet sind.
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Die vier hier dargestellten einzelnen Makropixel-Anordnungen 5, 6 entsprechen jeweils einer Makropixel-Anordnung 5 der ersten Ausführungsform der 1. Es ist aber auch möglich, mehrere Makropixel-Anordnungen 5 der zweiten Ausführungsform der 2 entsprechend anzuordnen, jeweils für einen anderen Raumwinkel. Es sind selbstverständlich im erfindungsgemäßen Sensor 1 in der Praxis deutlich größere Anzahlen von Makropixel-Anordnungen 5, 6 vorerstellbar, wobei üblicherweise der gesamte optische Sensor 1 in einer Richtung mehr Makropixel-Anordnungen 5, 6 aufweisen kann als in einer anderen Richtung (zum Beispiel 40x160 Makropixel, also zum Beispiel 20x80 Makropixel-Anordnungen entsprechend 1), da insbesondere bei selbstfahrenden Automobilen nur ein begrenzter Raumwinkel in Vertikalrichtung für die Detektion von Umgebungsobjekten relevant ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
