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WO2020114769A2 - Verfahren zum bestimmen des abstands und rückstrahlvermögens einer objektoberfläche - Google Patents

Verfahren zum bestimmen des abstands und rückstrahlvermögens einer objektoberfläche Download PDF

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WO2020114769A2
WO2020114769A2 PCT/EP2019/081885 EP2019081885W WO2020114769A2 WO 2020114769 A2 WO2020114769 A2 WO 2020114769A2 EP 2019081885 W EP2019081885 W EP 2019081885W WO 2020114769 A2 WO2020114769 A2 WO 2020114769A2
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WO
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distance
detector
power
laser source
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PCT/EP2019/081885
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French (fr)
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Inventor
Michael Eschey
Ricardo Ferreira
Jannis Giannantonio-Tillmann
Original Assignee
Osram Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Gmbh filed Critical Osram Gmbh
Priority to US17/299,781 priority Critical patent/US20220018764A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a distance from an object surface using a light with a power-emitting laser source and a detector which detects the light reflected from the object surface or backscattered with an irradiance and, depending on this, outputs a time-dependent voltage signal.
  • the present invention further relates to the determination of the retroreflectivity of the object surface. Furthermore, it relates to a device performing the method, in particular LiDAR systems.
  • Such methods which are also known under the abbreviation LiDAR (Light Detection And Ranging), are based on an optical distance measurement using laser scanners.
  • the technology has been known since the early 1970s, when LiDAR was used to measure the topography of the lunar surface in the orbit modules as part of the Apollo 15, 16 and 17 missions.
  • the basic principle is that a laser beam is emitted in the direction of an object surface whose distance is to be determined, then a detector detects the reflected or backscattered light and the time of flight (ToF) is measured, from which in turn known speed of light the double way of distance can be determined (there and back).
  • ToF time of flight
  • Repeated measurements can also be used to determine a change in distance, e.g. is increasingly used in speed controls.
  • the aim here can also be the aim here to determine the reflectance (the so-called albedo) for the respective measured object surfaces in order to obtain information about the structure and structure of the affected objects from known values for specific materials for example the question of whether a tree, a street sign or a car etc. is in view.
  • the range is limited by the limited sensitivity of the sensor or detector used and the power of the laser source.
  • the laser power could be increased, however, the specified safety standards for the danger to the eye from laser beams must be observed, cf. see for example "safety of laser products - Part 1: Equipment Classification and requirements", in Technical Reports IEC 60825-1: 2014 (2014).
  • the frequency range of the laser light is also kept in the near infrared (NIR) wavelength range from 840 or 900 nm to 1550 nm, for example, so that the human eye is unprotected due to a lack of sensitivity.
  • NIR near infrared
  • the wavelength range from 840 nm to 950 nm is suitable for silicon-based applications.
  • the range from 1,100 nm to 1,550 nm is suitable.
  • the NIR range extends from 800 nm to 2,500 nm. In this respect, the focus of further development is on increasing the sensitivity of the sensors, increasing the speaking gain and an improvement of the signal-to-noise ratio (SNR), also on the part of the detector.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • sensors based on avalanche photodiodes have largely prevailed because they are specially designed for the reception and evaluation of laser pulses.
  • This type of photodiode represents in itself highly sensitive and fast-working sensor elements, which can also be considered a semiconductor equivalent to conventional photomultipliers.
  • the sensitivity is given by the ratio of the number of electron-hole pairs generated by absorption to the number of incident photons.
  • QE quantum efficiency
  • a very special advantage is that there is a proportional relationship between the number of incident photons and the sensor response, ie the output voltage is proportional to the corresponding radiation power.
  • This makes it possible, in the case of the use of APDs, to draw direct conclusions about the reflectance of the object surface in question, based on the distance known from the runtime determination (ie with known local irradiance), based on the voltage signal output by the sensor.
  • APDs consequently offer high sensitivity and the advantage of a proportional behavior of the output voltage compared to the radiation power with fast response, this is contrasted by insufficient amplification and not inconsiderable heat and shot noise.
  • avalanche photodiodes can also be operated above the breakdown voltage. This operation is also referred to as Geiger mode and the photodiodes in question are called single-photon avalanche diodes (SPAD). Due to the very high field strengths in the multiplication zone, great accelerations are achieved and 10 6 to 10 8 electron-hole pairs are generated using only one photon, ie the amplification can be over 10 6 , and the detection of individual photons is possible. In order to prevent the photodiode from remaining conductive after the formation of an avalanche due to the high currents and thus no longer being available for further photon acquisition, the SPAD diode can be provided with a resistor and a suitably connected capacitance.
  • SiPM-based detectors offer the advantage of a sufficiently large amplification and also a comparatively low noise or a satisfactory signal-to-noise ratio for measured voltage signals.
  • the sensitivity is determined by the photo detection efficiency (PDE), which is a product of the quantum efficiency, an avalanche probability and the fill factor.
  • PDE photo detection efficiency
  • the fill factor indicates the proportion of the active area available for photon detection to the total area of the microcell. The more cells are included, i.e. the smaller the cell size for a given total area of the SiPM sensor, the lower the fill factor (e.g. more peripheral area) and thus the sensitivity.
  • an increase in the number n of cells leads to an expansion of the dynamic range, i.e. the voltage interval of the output voltage that is available for use and ideally provides the proportionality between radiation power and output voltage.
  • the limitation of the dynamic range in a detector directly also limits the distance range within which light signals can still be detected reliably for the distance determination and can also be evaluated with regard to the determination of the retroreflectivity.
  • the object is achieved by a method for determining a distance of an object surface with the features of claim 1 and by a corre sponding device with the features of claim 15.
  • Advantageous further developments of the method according to the invention are the subject of the dependent claims.
  • the starting point is a method for determining a distance from an object surface, using a light with a power-emitting laser source and a detector that detects the light reflected or backscattered from the object surface, which arrives in the detector with an irradiance, and depending on a time pending voltage signal.
  • the detector can preferably be a SiPM sensor or a sensor with similar properties.
  • the Laser source set so that it emits light with a predetermined first value of the power in at least one pulse, and / or the detector is set so that it uses a first voltage signal with a depending on the irradiance of the detected, reflected or backscattered light outputs predetermined second value for a gain or the gain.
  • the gain factor or the gain is usually set via the overvoltage on the detector. Here there is a generally linear relationship between the quantities mentioned.
  • the overvoltage is equal to the difference between the (set) reverse voltage and the respectively applicable and otherwise temperature-dependent breakdown voltage.
  • the setting of the gain factor or the gain is thus synonymous with the setting of the overvoltage or the blocking voltage.
  • the setting of the power or radiation power of the laser source usually corresponds to the setting of a drive voltage.
  • a first amount for the distance of the object surface is determined from a light propagation time (ToF) assigned and measured to the first voltage signal.
  • ToF light propagation time
  • the first value of the power of the laser source and / or the second value of the gain factor or the gain of the detector are adjusted depending on the first amount for the distance determined from the transit time measurement.
  • the adaptation can in particular take place in such a way that the irradiance in the detector falls within its dynamic range, that is to say that on the one hand the adaptation produces a voltage signal with a usable amplitude and on the other hand the amplitude falls in a voltage range in which - If the distance is known - the information linked to the amplitude is further evaluated can be, in particular for the calculation of the retroreflectivity of the affected object surface.
  • the dynamic range there is an essentially linear, unambiguous relationship between the amplitude of the voltage signal and the irradiance (which correlates with the radiation power of the laser source at a given distance).
  • the dynamic range is contrasted by a non-linear transition range to a saturated area, in which the radiation response asymptotically approaches a maximum value of the voltage if the radiation power or irradiance is too high or the amplification factor is set too high or the overvoltage is set too high, ie the amplitude then no longer scales with the irradiance and calculation of the retroreflective power, etc., would then hardly be possible.
  • a subsequent step based on the newly adapted first and / or second values of the radiation power or the amplification factor, light is again emitted pulsed by the laser source and the reflected or backscattered light is detected by the detector. Accordingly, a second voltage signal is output by the detector.
  • the light propagation time can be determined repeatedly from this second voltage signal, and a second amount for the distance between the object surface can be determined therefrom.
  • This optional second amount or even the first amount is ultimately output as the measured distance. Another iteration is then regularly no longer necessary.
  • the first amount may already be determined with sufficient accuracy or close to the actual value. It is important that the voltage signal for a subsequent albedo determination is of sufficient quality, ie with an amplitude in the dynamic range to be described below, which enables a corresponding evaluation.
  • an expansion of the distance range to be measured becomes both towards shorter distances and too larger distances possible.
  • a reduction in the radiation power can pull the irradiance of the material-dependent reflected or backscattered light from the saturated area of the detector into the dynamic area.
  • the gain or overvoltage of the detector can be increased if, for this purpose, e.g. SiPM sensor is used.
  • the effects of so-called afterpulsing (within microcells) and optical crosstalk (between neighboring microcells) also increase with this type of sensor (decreasing signal-to-noise ratio), so that the dynamic range is somewhat narrower in this case, if the gain is chosen to be excessively high, so that the distance range cannot be extended arbitrarily.
  • the invention enables the distance range to be expanded while maintaining albedo measurements of up to 300 m or more.
  • the detector includes a silicon photomultiplier, ie an SiPM sensor.
  • a laser operating in the near-infrared spectral range preferably in the range of the wavelengths from 900 nm to 1,550 nm, can be used as the laser source. But other wavelength ranges are not excluded, especially in the visual range from 350 nm to 900 nm.
  • the steps of the method are carried out repeatedly for individual pixels in the context of a LiDAR application in the field of driver assistance systems or systems for autonomous driving for scanning an environment of a vehicle for the computer-assisted construction of a three-dimensional image of the environment.
  • the effects achieved by the invention have a particularly advantageous effect.
  • a first upper voltage limit value is specified for a voltage, wherein for voltages below the limit value for the detector there is an essentially linear relationship between the irradiance of the incident light and a voltage output as a result thereof, and above whose relationship is non-linear and / or saturated.
  • This voltage limit also defines the upper limit of the dynamic range.
  • an amplitude of the first voltage signal is determined and compared with the voltage limit value, i.e. it is determined whether the specific first voltage signal is in the dynamic range or not.
  • the scope of this adjustment is now carried out depending on the result of the comparison.
  • the adaptation includes, in particular, a reduction in the first and / or second value if the amplitude exceeds the voltage limit value, so that in the subsequent step the irradiance of the incident light in the detector is reduced and, as a result, an amplitude of the second voltage signal is below that predetermined first voltage limit falls.
  • the reduction includes a reduction of the first and / or second value by 40% or more, preferably 50% or more, and / or by 60% and less. This reduction of, for example, 40-60% ensures that the amplitude response of the second voltage signal achieved in the second pass falls approximately in the middle of the dynamic range.
  • a second, lower voltage limit value is specified for a voltage, which ensures a predetermined signal-to-noise ratio for the detector, for example 2 dB or more, preferably about at least 10 dB.
  • This second, lower voltage limit defines the lower limit of the dynamic range.
  • an amplitude of the first output signal is determined and this is compared with the second voltage limit.
  • the step of adapting the first value of the power of the laser source and / or the second value of the gain factor of the detector includes increasing the first and / or second value, so that in the subsequent step the irradiance of the incident light in the detector is reduced and, as a result, an amplitude of the second voltage signal is above the predetermined second voltage limit.
  • the increase can e.g. so that 40 to 60% of the (previously known) saturation value of the output voltage of the detector is obtained after the adjustment, i.e. that the amplitude response in the case of the second voltage signal subsequently in the second pass also lies here in the middle of the dynamic range.
  • the following aspects focus in particular on an albedo determination carried out after receiving a distance value (first or second value for the distance), i.e. the determination of the retroreflectivity of the scanned object surface.
  • a function between the power of the laser and the distance of the object surface for a fixed selected irradiance of the detector in relation to the reflected and / or backscattered light is provided.
  • the first value of the power predetermined for the adjustment and / or the predetermined second value for the gain factor is determined with the argument of the first amount for the distance determined from the first voltage signal, and the adjustment is carried out accordingly to this function .
  • the fixed irradiance is, for example, advantageously in the dynamic, that is to say essentially linear, range of the detector, preferably in the middle thereof (for example 40-60% of the value of the output voltage at which it is saturated).
  • the laser power and the distance are then uniquely assigned to one another so that the condition of constant irradiation strength is fulfilled.
  • the function provided forms a guideline for the adjustment in the second pass (i.e. adjustment of the parameters power and / or gain and generation of the second voltage signal) and ensures that the dynamic range of the detector is maintained, so that the albedo determination is then possible.
  • a starting value for the amount of the distance is specified before the step of first setting the power of the laser and / or the amplification factor of the detector.
  • the power and / or the amplification factor is then determined from the specified function, on the basis of which the laser source and / or the detector can subsequently be set.
  • the specified function can be used in the process from the outset, which defines the parameter space of the adjustable values (power, gain) and the result (distance) obtained from it, while observing a condition (irradiance in the dynamic range or amplitude response in the output signal) of the detector) and thus allows the cyclical runs of the process steps.
  • a lower power limit and an upper power limit are defined for the function given between the power of the laser and the distance of the object surface, with all distances below the distance assigned to the lower power limit only the value of the lower performance limit is returned and used, and for all distances above the distance assigned to the upper performance limit, only the value of the upper performance limit is returned and used. This ensures that work is only carried out within the permissible power range of the laser source.
  • the lower power limit of a minimum output power of the laser source is set accordingly.
  • the upper power limit can also be set according to a safety standard of the laser source.
  • a further step of determining the retroreflectivity of the object surface can now be determined using the second voltage signal and the specific second Value for the distance to be performed.
  • the second voltage signal and also the first amount for the distance to be used in this albedo determination mentioned above by means of this step the preparatory features which enable this have the full advantageous effect.
  • the coefficients are specific to the detector used and can differ significantly from detector to detector. However, it is particularly applicable to SiPM sensors and takes account of an existing saturation range.
  • the quantity y act corresponds to a voltage (eg measured in volts) or a power (eg measured in watts).
  • a third function which specifies a linearized reference variable yref as a function of a distance from the object surface and a power of the laser source, with the form:
  • x corresponds to the power of the laser source or a driver voltage of the same and it is a linear gradient factor with which a reference power as a linearized reference variable and the radiation power are linked and which depends on the respective distance d from the object surface.
  • a (d) is a fixed value.
  • the linearized response y act is calculated from the amplitude of the second voltage signal determined by measurement.
  • the linearized reference variable yref can be calculated from the determined second value for the distance and the power of the laser source.
  • the reflectance is finally calculated from a quotient of the linearized response y act and the linearized reference variable yref, in particular, for example, from a square root of the quotient.
  • This is set up to carry out the method with the steps according to the above explanations. It gives the same advantages as mentioned above.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a device for determining a distance from an object surface, with which an exemplary embodiment of the method according to the invention can be implemented;
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a more specific device for determining a distance from an object surface, with which an exemplary embodiment of the method according to the invention can be implemented;
  • 3 shows a block diagram of an SiPM sensor;
  • FIG. 5 shows a diagram with a current-voltage characteristic of the microcell from FIG. 4 and a schematic representation of the cyclical run through the corresponding operating modes or phases;
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the measurement of the light propagation time, the strength of a signal Sn (e.g. voltage) of the pulse or the pulse response being plotted against time;
  • Sn e.g. voltage
  • SNR signal-to-noise ratio
  • FIG. 9 shows a schematic diagram analogous to FIG. 6 for an SiPM sensor, the boundary conditions to be met by laser safety standards, the laser power serving as an adjustable parameter;
  • FIG. 10 shows a schematic diagram analogous to FIG. 6 for an SiPM sensor, the boundary conditions to be met by laser safety standards, the gain factor or gain serving as the adjustable parameter;
  • FIG. 11 is a flowchart of the schematic sequence of the method according to the first embodiment
  • Fig. 12 in a diagram for a SiPM sensor, the relationship between the amplitude amp of an output voltage signal and the overvoltage (overvoltage) Vov of the detector or a variable x derived from the driver voltage of the laser source with a linear relationship;
  • Fig. 14 is a diagram of a function simplifying the calculation of the distance V1 (d), which represents the driving voltage of the laser source as a function of the distance d, between domin and domax by adjusting the driving voltage V1 of the laser source, an irradiance in the detector regardless of Distance d is always maintained approximately in the middle of the dynamic range;
  • the target value being in the middle of the dynamic range between SiPM-MAX and SiPM-MIN and being 100 pW / m 2 as long as the distance d between domin and domax falls;
  • FIG. 16 shows the flow of the method according to a third exemplary embodiment in a flowchart.
  • a device 1 shows, on the basis of a schematic block diagram, a device 1 for determining a distance from an object surface, with which an embodiment of the method according to the invention can be implemented. It shows the basic structure of a LiDAR device for distance determination by means of runtime measurement (time of flight, ToF).
  • a laser source 10 emits monochromatic and coherent as well as sharply focused light 12 in high-frequency pulses in the direction of an object surface 14 from which it is reflected and / or backscattered.
  • a detector 16 receives or detects the reflected and / or backscattered light 18.
  • a central control device 20 (usually an IC chip) of the device 1 is connected to the laser source 10 and the detector 16 via electronic lines with corresponding interfaces and coordinates the Process of pulse generation and acquisition.
  • control device 20 can assign the relevant pulse signals and record the time of the respective pulse generation in the laser source 10 and the resulting pulse detection in the detector 16 and calculate the light propagation time 22 from the difference. If the speed of light is known, the distance d to the object surface 14 can be determined immediately therefrom (or from the half light propagation time taking into account the outward and return path).
  • the detector 16 is a silicon photomultiplier (SiPM). This is characterized by a low signal-to-noise ratio (SNR) and a high amplification factor (gain), which can be adjusted linearly using the control device 20 by controlling the overvoltage to be explained below.
  • the control device 20 can, among other things, set the power of the laser radiation via the driver voltage (driver voltage) of the laser source (but also pulse duration and frequency and other parameters can be set).
  • the laser source 10 may include other optical elements, such as lenses, diffusers, shutters, filters and mirrors, etc. not shown here.
  • the detector can also include further optical elements, in particular lenses, etc.
  • FIG. 2 shows a further, more specific exemplary embodiment of a device 1 ′, the control device 20 being set up to carry out the steps of the first exemplary embodiment of a method according to the invention described below.
  • the same reference numerals designate the same or similar features as in the first exemplary embodiment, and the detailed description is not repeated.
  • the device 1 ' relates to a LiDAR system for use in vehicles to support an ADAS system (advanced driver assistance system), ie a driver assistance system. It is not just a matter of simply carrying out a distance determination, but of generating a three-dimensional image of the complete or partial environment of the vehicle (not shown) in which the device is attached, for example in order to evaluate obstacles or stationary markings etc.
  • ADAS system advanced driver assistance system
  • the laser source 10 here comprises a laser diode emitting in the near-infrared (NIR) wavelength range (900 nm to 1,550 nm) light 12 in a beam (as described above).
  • NIR near-infrared
  • MEMS microelectromechanical component 28
  • high-frequency adjustable micromirrors 30 is provided, which can deflect the light beam in a controlled manner by the control device 20 to rotate or oscillate at a high frequency in an oscillating manner.
  • the deflected laser beam (light 12) is passed through a diffuser 34, which widens the beam in the vertical direction (in the schematic illustration of FIG.
  • a part of the backscattered or reflected light 18 passes through a lens optics 26, which focuses the light onto a photodiode array 24, which in this exemplary embodiment also comprises detectors 16 designed as SiPM sensors, which are arranged vertically in series.
  • the number of detectors 16 is selected in accordance with the expansion of the beam (light 12).
  • the detectors detect the light 18 assigned to them via the optics, from which, when the method is used by the control device 20, a distance d and a value for the albedo (reflective power) are determined for each pixel.
  • the pixels are in the vertical direction by the detectors 16 arranged in series in the photodiode array 24 and in the horizontal direction by discrete angular positions of the micromirror (s) for the respective pulses.
  • the final composite image can have a resolution of, for example, 256 x 84 pixels, or 0.25 ° x 0.3 ° with an image field of 60 ° horizontally and 20 ° vertically.
  • the ranges are over 200 m for the detection of pedestrians or over 300 m for the detection of other vehicles.
  • the values given are purely exemplary and in no way limit the scope of protection defined by the claims.
  • 3 to 5 illustrate the function of the detector 16 designed as a SiPM sensor, as used, for example, in devices 1, 1 'of FIGS. 1 or 2.
  • the subject of these three figures represents useful background knowledge. A more detailed explanation can also be found in "Introduction to Silicon photomultipliers (SiPMs)", White Paper by First Sensor, version 03-12-15, downloaded from https://www.fi rst- sensor.com/en/products/optical-sensors/detectors/silicon-photomultipliers-sipms/ on 07.1 1 .2018.
  • 3 shows a block diagram of such an SiPM sensor.
  • an avalanche photodiode (APD) operated here in Geiger mode is connected in series with a quench resistor RQ between the anode connection (for VBIAS) and the cathode connection (for SOUT).
  • the avalanche photodiode operated in Geiger mode is also referred to as SPAD (single photon avalanche diode).
  • SPAD single photon avalanche diode
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of a SPAD microcell 36 of an SiPM sensor.
  • the SPAD diode is formed from a switch S arranged in series, a voltage source VBD and a series resistor Rs of the semiconductor conductor, for example made of silicon.
  • the diode capacitance CD is connected.
  • the quench resistor RQ is externally connected in series with the connections to the voltage source VBIAS.
  • the quench resistor RQ is much larger than the series resistor Rs .
  • quiescent mode in which no photons enter the active phase Area of the microcell 36 takes place, the reverse voltage VBIAS applied or built up with regard to the diode capacitance CD.
  • VBIAS is above the breakdown voltage VBD.
  • the difference between the reverse voltage VBIAS and the breakdown voltage VBD is referred to as overvoltage Vov (overvoltage).
  • Vov overvoltage
  • the switch S closes in the equivalent circuit diagram so that the current pulse caused by the generated charge carrier avalanche leads to a discharge of the diode capacitance CD via the series resistor Rs, with the result that the voltage drops back from VBIAS to the breakdown voltage VBD. This is referred to as the discharge phase.
  • the quench resistor RQ is now noticeable by quenching the voltage applied to the diode, as a result of which the switch S opens again.
  • the diode capacitance CD is recharged via the quench resistor RQ, so that a new cycle begins.
  • the process is illustrated schematically in FIG. 5, in which a current-voltage characteristic is plotted.
  • FIG. 6 shows the principle of the runtime determination in a schematic diagram.
  • a pulse signal Sn generated in the laser source 10 or a pulse signal response "ampl" recorded in the detector 16 is plotted against the time axis t coordinated with one another in the control device 20 (see FIG. 1 or 2).
  • maxima can be determined, which are used as time stamps tiw ⁇ xi or ⁇ MAC 2 for the measurement.
  • the time difference between the two time stamps ⁇ MACI and ⁇ MAC2 provides the light transit time ToF.
  • the respective pulse widths ie pulse durations
  • FIG. 7 shows a schematic comparison between SiPM sensors (solid line) and conventional APD sensors (dashed line) with respect to the respective signal-to-noise ratio SNR plotted against the distance d, over which light signal pulses (across the object surfaces 14) were transferred to the detectors 16.
  • the SNR level "min” indicates the area (below the relevant line) in which the quality of the signal ampl is no longer sufficient to determine a distance or to determine a distance including the associated reflectance.
  • the SNR curve is clearly visible and has a pronounced saturation range 38, which means that the SNR ratio in the case of APD sensors (with a less pronounced saturation range 40 there) is significantly better at these distances .
  • Fig. 8 shows a schematic comparison of the pulse responses plotted over time between SiPM and APD sensors as detectors 16 for six different power levels of the output signal in the laser source 10 (9, 10, 25, 50, 88, 100% of the possible Power), the pulse responses between the sensor types being deliberately time-shifted for comparison.
  • the diagram illustrates the pronounced saturation at high radiation powers in the laser source 10 in the case of SiPM sensors as detectors 16.
  • APD sensors show a largely linear relationship. It can also be seen that SiPM sensors for low radiation powers (or correspondingly for large distances) of the laser source 10 show a systematic time offset which can be of the order of the typical pulse width.
  • FIGS. 9 and 10 schematically show, analogously to FIG. 6, for a SiPM sensor the boundary conditions to be met by laser safety standards.
  • FIG. 9 illustrates the case of a large distance d for the parameter of the laser power, at which the pulse response of the detector 16 is therefore very weak. Shown are 5 power levels of the laser source and correspondingly 5 signal responses on the part of the detector 16. An increase in the amplitude of the signal Sn of the laser power taking into account the large distance is opposed by an upper power limit LMAX, which results from those safety standards (which, for example, protect the human eye 9) and in the sketch of FIG. 9 represents an exclusion region 46 to be taken into account in accordance with the embodiment.
  • the value of the set laser power can consequently be increased on the basis of an already determined distance as a function thereof, if the distance is large or reduced if the distance is small. Further developments of this exemplary embodiment provide for dynamic real-time adaptation to take place depending on the respectively determined distance. A corresponding embodiment is explained below.
  • FIG. 10 illustrates the case of a large distance d for the parameter of the gain factor.
  • the exclusion region 46 is also present here with regard to the laser power, but the parameters are adjusted, ie adjusted of the value for the gain factor on the part of the detector 16 and not the laser source 10, so that the adaptation of the parameter is in any case not restricted by this condition, as FIG. 10 shows schematically.
  • FIG. 11 shows in a flowchart the schematic sequence of the method according to this exemplary embodiment.
  • a step 100 in a LiDAR device 1, 1 ' such as e.g.
  • a predetermined first value for the power of the laser source 10 and a predetermined second value for the gain factor of the detector 16 (SiPM sensor) are shown in FIG. 1 or 2 (in the case of FIG. 2: the detectors 16 in the SiPM sensor array 24).
  • a pulse is generated in the laser source 10, in which light with the predetermined first value of the power is emitted, the detector 16 depending on the irradiance of the detected , reflected or backscattered light outputs a first voltage signal using the predetermined second value for the amplification factor.
  • a (now first) distance determination is carried out, that is, it is checked whether a distance determination is possible at all, and if so (Y / Y in step 120), a first amount for the distance d becomes the object upper Surface 14 determined from a measured and measured light transit time ToF. If the distance determination is not possible (N in step 120) because the voltage signal assumes a signal-to-noise ratio SNR below a predetermined minimum value, the parameters: power of the laser source 10 and / or the amplification factor of the detector 16 in a step 130 adjusted, ie increased here.
  • a further step 140 it is checked in a further step 140 whether the output first voltage signal in the saturation range 38, i.e. is not in the dynamic range 39 (see FIG. 8).
  • a first, upper voltage limit value is specified for a voltage, below which (dynamic range 39) for detector 16 there is a substantially linear relationship between the irradiance of the incident light 18 and a voltage which is consequently output, and above which the relationship is non-linear and / or saturated (saturation region 38).
  • an amplitude of the first voltage signal output by the detector 16 is determined and this is compared with the voltage limit value.
  • step 150 the parameters: power of the laser source 10 and / or the gain factor of the detector 16 are adjusted, i.e. here: reduced.
  • step 130 in which the distance d is too large to deliver a usable voltage signal with a sufficient signal-to-noise ratio SNR
  • steps 140, 150 in which the distance d is so small or the power of the radiation source is so large that the SiPM sensor operates in the saturation region 38, one or both parameters are dynamically adjusted to start a second run.
  • step 110 in which the laser source 10 and the detector 16 are adjusted accordingly again or are now adapted. That is, a pulse is generated again in the laser source 10, in which light with the now possibly adjusted first value of the power is emitted, the detector 16 depending on the irradiance of the detected, reflected or backscattered light now a second voltage signal ideally different from the first voltage signal using the possibly adjusted second value for the amplification factor which is now usable and is not in the saturation range 38.
  • the first value of the power of the laser source and / or the second value of the gain factor of the detector 16 are accordingly adjusted (reduced or increased according to the determined first amount for the distance) the above statements with reference to FIGS. 9 and 10).
  • the determined distance d is not set or is more than a predetermined limit value, or in the case of the saturation region 38, the determined distance is less than a predetermined limit value (as can be seen from FIG. 7).
  • a second amount for the distance of the object surface can be determined from a measured light transit time ToF which is assigned to the second voltage signal.
  • step 160 the reflectance of the relevant object surface 14 is calculated from the second voltage signal. Since this is the case of the dynamic range 39, with the information of the distance d, the first value of the radiation power of the laser source 10, the gain factor (gain) of the detector 16 and the amplitude of the second voltage signal - if necessary with a suitable calibration thereof Value for the albedo processor-supported by the central control unit 20 can be calculated in step 160.
  • the method returns to step 100 to determine the distance and retroreflectivity of a next object surface. In this way, the surroundings of the device can be scanned step by step, thereby generating a three-dimensional image. This image can be evaluated with object-capturing software, for example in order to recognize certain objects, people or traffic signs etc. and to take measures if necessary.
  • FIGS. 12 and 13 A second embodiment is shown in FIGS. 12 and 13. The focus here is on determining the retroreflectivity at a predetermined distance. Fig.
  • FIG. 12 shows for a SiPM sensor the relationship between the amplitude of a respectively output voltage signal and the overvoltage Vov of the detector 16 or a variable x derived from the driver voltage of the laser source 10 with a linear relationship.
  • the points in the diagram each correspond to a measurement in an exemplary device 1, as is shown in FIG. 1, for example.
  • log (a) k1 log (d) 2 + k2 log (d) + k3 (5)
  • the exemplary fit is only up to the 2nd order, but could also be of a higher order without restriction. 13 shows, however, that the fit is sufficient for the measuring points. It shows log (a) as a function of log (d), where d is the distance.
  • the linearized reference amplitude y ref at a distance d determined by time-of-flight measurement can be calculated immediately as a reference value from equation (6).
  • the actual, linearized amplitude response y act can be directly measured or determined anew. Since the distance d is the same in both cases (the distance is obtained from the same voltage signal), a difference between the two quantities y act and yref is based solely on a difference in the underlying reflectivity or albedo.
  • steps of the second exemplary embodiment can be carried out as part of step 160 of the first exemplary embodiment, or as part of step 290 of the third exemplary embodiment described below:
  • FIGS. 14-16 shows the flow of the method according to the third exemplary embodiment in a flowchart.
  • a maximum distance d max (as the starting value) is first specified in step 210.
  • a drive voltage V1 (d) is then sought for this start value, with which the laser source 10 is operated in order to emit light with a power which is sufficient to operate the detector 16 in the dynamic range 39.
  • V1 (d) which simplifies the calculation is given, which is shown in FIG. 14.
  • the aim here is to always maintain an irradiance in the detector 16, regardless of the distance d, approximately in the middle of the dynamic range 39 by adapting the drive voltage V1 of the laser source 10.
  • the dynamic range 39 is determined by an upper limit value and a lower limit value for the irradiance, each of which corresponds to an upper and lower voltage limit value for the output voltage.
  • the upper limit is determined by the beginning of saturation.
  • the lower limit is determined by a minimum, usable and permissible signal-to-noise ratio SNR, which is fixed at 10 dB here.
  • the lower limit SiPM-MIN is approximately 2 pW / m 2
  • the upper limit SiPM-MAX is approximately 200 pW / m 2 , so that the dynamic range is at least 20 dB.
  • V (P (d)) e P (d) 3 + f P (d) 2 + g P (d) + h. (8th)
  • the essentially parabolic curve is shown in FIG. 14.
  • the same value of 1.5 volts is always used in step 220 of the method in this special third embodiment for the driver voltage V1 to be returned.
  • domax which corresponds to a maximum power specified in accordance with the safety standards of 25 W in this example, only the value of 66.5 volts for the driver voltage V1 is returned. In the example exactly this upper limit domax was taken as the start value.
  • the (first) value of the power of the laser source le 10 set. In this embodiment, the gain or gain is not varied.
  • step 230 the laser source 10 is triggered and as a result a light pulse is generated in step 240.
  • step 250 the light 18 reflected or backscattered by the object surface is received or detected by the detector 16.
  • step 260 the first value for the distance can be determined from the received (first) voltage signal, here referred to as D.
  • a new driver voltage V1 is sought.
  • the parabolic section shown in FIG. 14 corresponds to a flat section of the irradiance Ir as a function of the distance.
  • the target value in the middle of the dynamic range between SiPM-MAX and SiPM-MIN is 100 pW / m 2 .
  • the distances domin and domax are 3 and 16 m in the example.
  • a fixed value of V1 (d) is returned, so that the irradiance Ir drops, but obviously still has a range of up to about 115 m to lie above the lower limit SiPM-MIN, i.e. in the dynamic range 39.
  • step 270 The discrepancy between d and D in step 270 therefore arises when the actual distance in FIG. 15 is less than domax and V1 (domax) is returned when the program is started.
  • the curve dashed in FIG. 15 shows this value for V1.
  • the appropriate value for the Driver voltage V1 and consequently the correct distance d D found in step 270.
  • step 280 (Y / J in step 270), the amplitude amp is then determined as described above in the second exemplary embodiment and the albedo value is calculated in step 290.
  • step 300 it is checked whether further pixels are to be acquired and, if that is the case (Y / J in step 300), a branch is made back to step 210. Otherwise the program flow ends (step 310).
  • the laser power is not only adjusted when the upper voltage limit or upper limit SiPM-MAX of the dynamic range 39 is exceeded, but already when a change in relation to the preset distance is detected at all.
  • SiPMs 24 detector array
  • Specifying a start value for the distance d (e.g. max. Distance dmax) Searching for a value for the driver voltage V1 (d) with which the laser source is operated (adjusting and / or setting a value for the power of the laser source)

Landscapes

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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands (d) und Rückstrahlvermögens einer Objektoberfläche (14) unter Verwendung einer Licht (12) mit einer Leistung emittierenden Laserquelle (10) und eines Detektors (16), der das von der Objektoberfläche (14) reflektierte oder zurückgestreute Licht (18) mit einer Bestrahlungsstärke erfasst und abhängig davon ein zeitabhängiges Spannungssignal ausgibt, umfasst: Einstellen (100, 110, 220, 230, 240) der Laserquelle(10), so dass dieser in wenigstens einem Puls Licht (12) mit einem vorbestimmten ersten Wert der Leistung emittiert, Einstellen (100, 110) des Detektors (16), so dass dieser abhängig von der Bestrahlungsstärke des erfassten, reflektierten oder zurückgestreuten Lichts (18) ein erstes Spannungssignal mit einem vorbestimmten zweiten Wert für einen Verstärkungsfaktor ausgibt, Bestimmen (120, 260) eines ersten Betrags für den Abstand der Objektoberfläche (14) aus einer dem ersten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlaufzeit (ToF), Anpassen (130, 150, 220) des ersten Werts der Leistung der Laserquelle (10) und/oder des zweiten Werts des Verstärkungsfaktors des Detektors (16) abhängig von dem bestimmten ersten Betrag für den Abstand (d), erneutes Emittieren (110, 240) von Licht (12) durch die Laserquelle (10) und Erfassen des reflektierten oder zurückgestreuten Lichts (18) durch den Detektor (16) sowie Ausgabe eines entsprechenden zweiten Spannungssignals unter Verwendung des angepassten ersten und/oder zweiten Werts, Bestimmen (120, 260) eines zweiten Betrags für den Abstand (d) der Objektoberfläche aus einer dem zweiten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlaufzeit (ToF).

Description

VERFAHREN ZUM BESTIMMEN DES ABSTANDS
UND RÜCKSTRAHLVERMÖGENS EINER OBJEKTOBERFLÄCHE
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands einer Objektoberfläche unter Verwendung einer Licht mit einer Leistung emittierenden La serquelle und eines Detektors, der das von der Objektoberfläche reflektierte oder zu rückgestreute Licht mit einer Bestrahlungsstärke erfasst und abhängig davon ein zeit abhängiges Spannungssignal ausgibt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Be stimmung des Rückstrahlvermögens der Objektoberfläche. Überdies betrifft sie eine das Verfahren durchführende Vorrichtung, insbesondere LiDAR-Systeme.
Stand der Technik
Solche Verfahren, die besonders auch unter der Abkürzung LiDAR (engl.: Light Detec- tion And Ranging) bekannt sind, basieren auf einer optischen Abstandsmessung unter Einsatz von Laserscannern. Die Technologie ist spätestens seit den frühen 70er Jah ren bekannt, als LiDAR zur Vermessung der Topografie der Mondoberfläche in den Orbitermodulen im Rahmen der Apollo 15, 16 und 17 - Missionen eingesetzt wurde. Das Grundprinzip besteht darin, dass ein Laserstrahl in Richtung auf eine Objektober fläche ausgesendet wird, deren Abstand zu bestimmen ist, dann ein Detektor das re flektierte oder rückgestreute Licht erfasst und die Lichtlaufzeit ( time of flight - ToF) gemessen wird, aus der wiederum bei bekannter Lichtgeschwindigkeit der doppelte Weg der Entfernung bestimmbar ist (Hin- und Rückweg). Durch wiederholte Messun gen kann dadurch auch eine Abstandsänderung ermittelt werden, welches z.B. zu nehmend bei Geschwindigkeitskontrollen eingesetzt wird.
In den letzten Jahren ist es insbesondere auch durch Fortschritte in den Sensortech nologien, besonders aber bei den mikro-opto-elektromechanischen Bauelementen (MEMS/MOEMS) sowie auch bei den Prozessortechnologien zu starken Schüben in neuen Industrie- und Anwendungsbereichen gekommen. Hierbei ist insbesondere der Verkehrssektor zu nennen, wo derzeit Anstrengungen unternommen werden, autono mes Fahren zu ermöglichen, und intelligente Fahrerassistenzsysteme bereits weitge hend durchgesetzt sind. LiDAR-Systeme ermöglichen hier, Umgebungen der Fahrzeu ge, in denen sie implementiert sind, abzutasten und jeweils Entfernungen bis zu mode raten Reichweiten zu bestimmen. Mit den Resultaten können prozessorgestützt drei dimensionale Bilder der Umgebung aufgebaut werden, in der sich das Fahrzeug be wegt. Über die eigentliche LiDAR-Technologie hinausgehend kann es hier auch Ziel sein, das Rückstrahlvermögen (der sog. Albedo) für die jeweils vermessenen Objekt oberflächen zu bestimmen, um anhand bekannter Werte für spezifische Materialien Informationen über Struktur und Aufbau der betroffenen Objekte zu erhalten, bei spielsweise die Frage, ob ein Baum, ein Straßenschild oder ein Auto etc. im Blickfeld ist.
Die Reichweite ist begrenzt durch die eingeschränkte Empfindlichkeit des verwendeten Sensors bzw. Detektors und die Leistung der Laserquelle. Um die Reichweite der Ent fernungsbestimmung auszudehnen, könnte die Laserleistung erhöht werden, jedoch stehen dem festgelegte Sicherheitsstandards für die Gefährdung des Auges durch La serstrahlen entgegen, die einzuhalten sind, vgl. dazu z.B. "safety of laser products - Part 1: Equipment Classification and requirements" , in Technical Reports IEC 60825- 1 :2014 (2014). Im Bereich Fahrerassistenzsysteme und autonomes Fahren ist der Frequenzbereich des Laserlichts zudem auch im nahinfraroten (NIR) Wellenlängenbe reich von z.B. 840 oder 900 nm bis 1550 nm gehalten, so dass hier das menschliche Auge mangels Empfindlichkeit ungeschützt ist. Für Anwendungen auf Siliziumbasis kommt der Wellenlängenbereich von 840 nm bis 950 nm in Betracht. Für III - V Com poundhalbleiter kommt der Bereich von 1 .100 nm bis 1 .550 nm in Betracht. Im Fall von Silizium entsteht dabei bei den niedrigen Wellenlängen der Vorteil einer erhöhten Quanteneffizienz, während die Einschränkungen durch das Erfordernis der Augen- Sicherheitsstandards hier aber wiederum strenger ausfallen. Der NIR-Bereich erstreckt sich insgesamt von 800 nm bis 2.500 nm. Insofern liegt der Fokus der weiteren Ent wicklung auf der Erhöhung der Empfindlichkeit der Sensoren, einer Erhöhung der ent- sprechenden Verstärkung (engl.: gain) und einer Verbesserung des Signal-zu- Rauschverhältnisses (SNR), ebenfalls auf Seiten des Detektors.
Bei LiDAR-Anwendungen haben sich Sensoren basierend auf Avalanche-Photodioden (APD) weitgehend durchgesetzt, da diese besonders für den Empfang und die Aus wertung von Laserpulsen ausgelegt sind. Dieser Typ von Photodioden repräsentiert an und für sich hochempfindliche und schnell arbeitende Sensorelemente, die auch als Halbleiteräquivalent zu herkömmlichen Photomultipliern gelten können. Sie basieren auf PIN-Dioden, besitzen aber zusätzlich zur intrinsischen i- bzw. tt-Absorptionsschicht eine dünne und hochdotierte p- oder n-Schicht, die im Fall einer angelegten Sperr spannung unterhalb der Durchbruchspannung gegenüber der benachbarten n+- oder p+-Schicht eine hohe elektrische Feldstärke erzeugt, durch welche die in der Absorpti onsschicht bei Absorption eines Photons gebildeten Elektronen-Loch-Paare Ladungs träger ausbilden, die stark beschleunigt werden und durch Stoßionisation weitere Elektronen-Loch-Paare bilden, so dass ein Lawineneffekt entsteht. In diesem "strah lungsproportionaler Betrieb" genannten Modus können Multiplikationsfaktoren bzw. Verstärkungsfaktoren (engl.: gain) von 100 bis zu 500 erreicht werden. Allerdings reicht diese Verstärkung noch weit nicht dazu aus, jedes einzelne Photon zu erfassen.
Die Empfindlichkeit ist durch das Verhältnis der Anzahl durch Absorption erzeugter Elektron-Lochpaare zur Anzahl der einfallenden Photonen gegeben. Bei Avalanche- Dioden wird sie auch als Quanteneffizienz (QE) bezeichnet.
Ein ganz besonderer Vorteil besteht darin, dass eine proportionale Beziehung zwi schen der Zahl einfallender Photonen und der Sensorantwort vorliegt, d.h., die Aus gangsspannung ist proportional zur entsprechenden Strahlungsleistung. Dies erlaubt es, im Fall des Einsatzes von APDs anhand des aus der Laufzeitbestimmung bekann ten Abstands (d.h. bei bekannter lokaler Bestrahlungsstärke) ausgehend von dem vom Sensor ausgegebenen Spannungssignal direkt auf das Rückstrahlvermögen der je weils betreffenden Objektoberfläche zu schließen. Während APDs folglich eine hohe Empfindlichkeit und den Vorteil eines proportionalen Verhaltens der Ausgangsspannung gegenüber der Strahlungsleistung mit schneller Antwort bieten, steht dem eine nur unzureichende Verstärkung sowie ein nicht uner hebliches Wärme- und Schrotrauschen (engl shot noise) gegenüber.
Speziell eingerichtete Avalanche-Photodioden können sinnvoll auch oberhalb der Durchbruchspannung betrieben werden. Dieser Betrieb wird auch als Geiger-Modus bezeichnet und die betreffenden Photodioden werden Einzelphoton-Avalanche-Dioden (engl.: single-photon avalanche diode, kurz: SPAD) genannt. Aufgrund der nun sehr hohen Feldstärken in der Multiplikationszone werden große Beschleunigungen erzielt und dadurch anhand nur eines Photons 106 bis 108 Elektron-Loch-Paare erzeugt, d.h. die Verstärkung kann über 106 betragen, die Erfassung einzelner Photonen wird mög lich. Um zu verhindern, dass nach Erzeugung einer Lawine die Photodiode aufgrund der hohen Ströme leitfähig bleibt und damit überhaupt nicht mehr für eine weitere Er fassung von Photonen zur Verfügung steht, kann die SPAD-Diode mit einem Vorwi derstand und einer geeignet verschalteten Kapazität versehen sein. Nach Durchbruch einer Ladungsträgerlawine fällt am Vorwiderstand eine Teilspannung ab, so dass die Sperrspannung über die Diode unter die Durchbruchspannung sinkt. Dieser Vorgang wird als Quenching bezeichnet. Inzwischen lädt sich die über die Diode anliegende Spannung wieder auf, so dass sie in zyklischer Weise nach einer Totzeit wieder für eine weitere Lawine zur Verfügung steht. Aufgrund dieser Totzeit ist die einzelne SPAD-Diode allerdings ungeeignet für den Einsatz als LiDAR-Detektor, da wieder nicht alle Photonen erfasst werden können.
Dies kann allerdings durch eine Zusammenfassung von großen Zahlen von jeweils in Mikrozellen eingerichteten SPAD-Dioden zu einem sogenannten Silicon Photomultipli er (SiPM) erreicht werden, wobei die jeweils im Geiger-Modus betriebenen SPAD- Dioden einschließlich ihrer Vorwiderstände zueinander parallel verschaltet sind. Die auf die einzelnen Mikrozellen auftreffenden Photonen bewirken folglich jeweils lawi nenartige Ausgangspulse, die sich insgesamt statistisch zu einem n-fach stärkeren Spannungssignal überlagern, das der SiPM-Sensor ausgibt, wobei die Zahl n der An zahl der Mikrozellen im SiPM-Array entspricht und bei Zellgrößen von z.B. 10 pm bis 100 mhh und Gesamtausmaßen des SiPM-Sensors von 1 x1 mm2 bis zu 10.000 Mikro zellen umfassen kann.
Insoweit bieten SiPM-basierte Detektoren den Vorteil einer hinreichend großen Ver stärkung und überdies auch ein vergleichsweise niedriges Rauschen bzw. ein befriedi gendes Signal-Rausch-Verhältnis für gemessene Spannungssignale.
Dem stehen allerdings wiederum leider eine geringere Empfindlichkeit sowie ein durch einen nichtlinearen Sättigungsbereich der Ausgangsspannung für hohe Strahlungsleis tungen eingeschränkter dynamischer Bereich im Falle des Einsatzes von SiPM- Sensoren gegenüber. Die Empfindlichkeit ist für SiPM-Sensoren durch die Photo nenerfassungseffizienz (PDE) festgelegt, die ein Produkt aus der Quanteneffizienz, einer Lawinenanstoßwahrscheinlichkeit sowie des Füllfaktors ist. Der Füllfaktor gibt den Anteil der jeweils für die Photonenerfassung zur Verfügung stehenden aktiven Fläche zur Gesamtfläche der Mikrozelle an. Je mehr Zellen eingeschlossen sind, d.h. je kleiner die Zellgröße bei gegebener Gesamtfläche des SiPM-Sensors ist, desto ge ringer der Füllfaktor (z.B. mehr Peripheriefläche) und damit die Empfindlichkeit. Ande rerseits führt eine Erhöhung der Anzahl n von Zellen zu einer Ausweitung des dynami schen Bereichs, d.h., dasjenige Spannungsintervall der Ausgangsspannung, das für eine Nutzung zur Verfügung steht und idealerweise die Proportionalität zwischen Strahlungsleistung und Ausgangsspannung liefert.
Bei zu starker Strahlungsleistung geht die Beziehung zwischen einer jeweiligen Span nungsamplitude als Pulsantwort auf den Laserpuls und der Pulsleistung im Fall von SiPM-Sensoren in einen nichtlinearen Sättigungsbereich über, bei welchem sich zu nehmend alle Mikrozellen in einem Zustand sofortiger Photonenerfassung nach dem Zurücksetzen durch Quenching und der sich ggf. zyklisch anschließenden Totzeit be finden. Es ist folglich immer ein schwieriger Kompromiss zwischen der Ausweitung des dynamischen Bereichs durch Verwendung von Sensoren mit mehr Zellen und der ver besserten Empfindlichkeit durch Verwendung von weniger aber dafür größeren Zellen (bei fester Gesamtfläche) zu finden. Im Fall von mehr Zellen bei vorgegebener Ge samtfläche besitzen diese nämlich eine immer kleiner werdende Zellgröße, so dass man schnell an Designgrenzen stößt und gleichzeitig die Photonenerfassungseffizienz (PDE) rapide sinkt.
Jedenfalls schränkt die Begrenzung des dynamischen Bereichs bei einem Detektor unmittelbar auch den Entfernungsbereich ein, innerhalb dessen Lichtsignale noch zu verlässig für die Abstandsbestimmung erfasst und auch hinsichtlich der Ermittlung des Rückstrahlvermögens ausgewertet werden können.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Be stimmen eines Abstands einer Objektoberfläche sowie eine entsprechende Vorrich tung bereitzustellen, bei dem ein Entfernungsbereich, innerhalb dessen Lichtsignale noch zuverlässig für die Abstandsbestimmung erfasst und auch hinsichtlich der Ermitt lung des Rückstrahlvermögens ausgewertet werden können, weiter ausgedehnt wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands einer Objektoberfläche mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch eine entspre chende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildun gen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird hierbei ein im Wesentlichen zweistufiges Verfahren. Ausgangs punkt ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands einer Objektoberfläche, wobei eine Licht mit einer Leistung emittierende Laserquelle und ein Detektor verwendet wird, der das von der Objektoberfläche reflektierte oder zurückgestreute Licht, das im Detektor mit einer Bestrahlungsstärke eintrifft, erfasst und abhängig davon ein zeitab hängiges Spannungssignal ausgibt. Der Detektor kann vorzugsweise ein SiPM-Sensor sein, oder ein Sensor mit ähnlichen Eigenschaften.
Zunächst werden für jede einzelne Abstandsbestimmung (im Falle der Abtastung der Umgebung durch Laserscannen also in hoher Frequenz wiederholt für die einzelnen Bildpunkte) einer der beiden folgenden Schritte oder beide durchgeführt: Es wird die Laserquelle eingestellt, so dass dieser in wenigstens einem Puls Licht mit einem vor bestimmten ersten Wert der Leistung emittiert, und/oder es wird der Detektors einge stellt, so dass dieser abhängig von der Bestrahlungsstärke des erfassten, reflektierten oder zurückgestreuten Lichts ein erstes Spannungssignal mit einem vorbestimmten zweiten Wert für einen Verstärkungsfaktor bzw. den Gain ausgibt. Der Verstärkungs faktor bzw. der Gain wird üblicherweise über die Überspannung (engl.: overvoltage) am Detektor eingestellt. Hier liegt ein allgemein linearer Zusammenhang zwischen den genannten Größen vor. Die Überspannung ist gleich der Differenz zwischen der (ein gestellten) Sperrspannung und der jeweils anwendbaren und im Übrigen temperatur abhängigen Durchbruchspannung. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors bzw. des Gain ist also gleichbedeutend mit der Einstellung der Überspannung bzw. der Sperr spannung. Ebenso entspricht die Einstellung der Leistung bzw. Strahlungsleistung der Laserquelle üblicherweise der Einstellung einer Treiberspannung (engl.: drive voltage ).
In einem weiteren Schritt wird ein erster Betrag für den Abstand der Objektoberfläche aus einer dem ersten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlaufzeit (ToF) bestimmt. Hierbei wird davon regelmäßig ausgegangen, dass Laserquelle und Detektor im Wesentlichen nahezu positionsidentisch sind, d.h. einen im Vergleich zum zu vermessenden Abstand vernachlässigbaren Abstand untereinander besitzen. Dies gilt insbesondere für einen eventuellen gegenseitigen Versatz in Richtung der Objekt oberfläche. Liegt ein solcher Versatz gleichwohl vor, kann dieser entsprechend bei der Erfassung und Berechnung des Abstands aus der Lichtlaufzeit (ToF) mit berücksichtigt werden.
In einem weiteren Schritt werden der erste Wert der Leistung der Laserquelle und/oder der zweite Wert des Verstärkungsfaktors bzw. des Gains des Detektors abhängig von dem aus der Laufzeitmessung bestimmten ersten Betrag für den Abstand angepasst. Die Anpassung kann dabei insbesondere so erfolgen, dass die Bestrahlungsstärke im Detektor in dessen dynamischen Bereich fällt, d.h., dass zum einen durch die Anpas sung überhaupt erst einmal ein Spannungssignal mit brauchbarer Amplitude erzeugt wird und zum anderen die Amplitude in einen Spannungsbereich fällt, in welchem - bei bekanntem Abstand - die mit der Amplitude verknüpfte Information weiter ausgewertet werden kann, insbesondere für die Berechnung des Rückstrahlvermögens der be troffenen Objektoberfläche. Im dynamischen Bereich besteht zielweise ein im Wesent lichen linearer eineindeutiger Zusammenhang zwischen der Amplitude des Span nungssignals und der Bestrahlungsstärke (die bei gegebenem Abstand mit der Strah lungsleistung der Laserquelle korreliert).
Dem dynamischen Bereich steht ein nichtlinearer Übergangsbereich hin zu einem ge sättigten Bereich gegenüber, in welchem sich bei zu starker Strahlungsleistung bzw. Bestrahlungsstärke oder zu groß eingestelltem Verstärkungsfaktor bzw. zu groß ein gestellter Überspannung die Amplitudenantwort des Detektors asymptotisch einem Maximalwert der Spannung nähert, d.h., die Amplitude skaliert dann nicht mehr mit der Bestrahlungsstärke und eine Berechnung beispielsweise des Rückstrahlvermögens etc. wäre dann kaum noch möglich.
Es ist anzumerken, dass im dynamischen Bereich des Detektors im Fall von SiPM- Sensoren ein amplitudenabhängiger Zeitversatz ( time shift oder time walk) auftritt: je geringer die Amplitude, desto später wird die Amplitudenantwort ausgegeben. Dieses Phänomen tritt bei APD-Sensoren nicht auf. Das Resultat würde an und für sich ein systematischen Fehler bei der Abstandsermittlung zu geringeren Amplituden bzw. Be strahlungsstärken hin liegen. Diesem Effekt kann einem Aspekt der Erfindung zufolge durch eine Kalibrierung des Detektors Rechnung getragen werden.
In einem nachfolgenden Schritt wird basierend auf den neu angepassten ersten und/oder zweiten Werten der Strahlungsleistung bzw. des Verstärkungsfaktors erneut pulsartig Licht durch die Laserquelle emittiert und durch den Detektor das reflektierte bzw. rückgestreute Licht erfasst. Entsprechend wird vom Detektor ein zweites Span nungssignal ausgegeben.
Optional kann aus diesem zweiten Spannungssignal wiederholt die Lichtlaufzeit ermit telt und daraus wiederum ein zweiter Betrag für den Abstand der Objektoberfläche be stimmt werden. Dieser optionale zweite Betrag oder aber bereits der erste Betrag wird schlussendlich als der gemessene Abstand ausgegeben. Eine weitere Iteration ist dann regelmäßig nicht mehr notwendig. Der erste Betrag kann möglicherweise bereits ausreichend genau bzw. nahe am tatsächlichen Wert bestimmt sein. Wichtig ist, dass das Spannungssignal für eine nachfolgende Albedobestimmung in ausreichender Qua lität, d.h. mit einer Amplitude im nachfolgend zu beschreibenden dynamischen Be reich, vorliegt, die eine entsprechende Auswertung ermöglicht.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anpassung der Strahlungsleistung und/oder des Verstärkungsfaktors beispielsweise so, dass der Detektor die einfallende Strahlung möglichst im dynamischen Bereich erfassen kann, wird eine Ausdehnung des zu vermessenden Entfernungsbereichs, nämlich einschließlich einer Albedobe stimmung, sowohl zu kürzeren Abständen hin als auch zu größeren Abständen hin möglich. Bei kürzeren Abständen kann eine Reduzierung der Strahlungsleistung die Bestrahlungsstärke des materialabhängig reflektierten bzw. rückgestreuten Lichts aus dem gesättigten Bereich des Detektors in den dynamischen Bereich ziehen.
Bei größeren Abständen kann insbesondere dann, wenn die Strahlungsleistung der Laserquelle bereits an der durch Sicherheitsstandards festgelegten oberen Grenze liegt, noch der Gain bzw. die Überspannung ( overvoltage ) des Detektors erhöht wer den, wenn hierfür ein z.B. SiPM-Sensor verwendet wird. Allerdings nehmen in diesem Fall auch Effekte des sog. Afterpulsings (innerhalb von Mikrozellen) und des optischen Crosstalks (zwischen benachbarten Mikrozellen) bei diesem Typ von Sensoren zu (sinkendes Signal-Rauschverhältnis), so dass der dynamische Bereich in diesem Fall etwas schmaler wird, wenn der Gain übermäßig hoch gewählt wird, so dass der Ent fernungsbereich nicht beliebig ausgedehnt werden kann. Gerade im Bereich autono mes Fahren und Fahrerassistenzsysteme ist aber durch die Erfindung eine Ausdeh nung des Entfernungsbereichs unter Aufrechterhaltung von Albedomessungen von bis zu 300 m oder mehr möglich.
Einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge schließt der Detektor einen Silicon-Photomultiplier, d.h., einen SiPM-Sensor ein. Als Laserquelle kommt ein im nahinfraroten Spektralbereich, vorzugsweise im Bereich der Wellenlängen von 900 nm bis 1 .550 nm, arbeitender Laser in Frage. Andere Wellenlängenbereiche sind aber nicht ausgeschlossen, insbesondere im visuellen Bereich von 350 nm bis 900 nm.
Dies gilt für die Laserquelle wie auch für den SiPM-Sensor, die selbstverständlich auf einander abgestimmt sein müssen.
Einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge werden die Schritte des Verfahrens im Rahmen einer LiDAR-Anwendung im Bereich Fahrerassis tenzsysteme oder Systeme für autonomes Fahren zur Abtastung einer Umgebung ei nes Fahrzeugs für den rechnergestützten Aufbau eines dreidimensionalen Bildes der Umgebung wiederholt für einzelne Bildpunkte durchgeführt. In diesem Anwendungs feld wirken sich die durch die Erfindung erzielten Effekte besonders vorteilhaft aus.
Einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge wird ein ers ter oberer Spannungsgrenzwert für eine Spannung vorgegeben, wobei für Spannun gen unterhalb des Grenzwerts für den Detektor ein im Wesentlichen linearer Zusam menhang zwischen der Bestrahlungsstärke des einfallenden Lichts und einer infolge dessen ausgegebenen Spannung besteht, und oberhalb dessen der Zusammenhang nicht-linear und/oder gesättigt ist. Dieser Spannungsgrenzwert legt also gleicherma ßen die Obergrenze des dynamischen Bereichs fest. Ferner wird eine Amplitude des ersten Spannungssignals bestimmt und diese mit dem Spannungsgrenzwert vergli chen, d.h. es wird bestimmt, ob das konkrete erste Spannungssignal im dynamischen Bereich liegt oder nicht. Bei dem nachfolgenden Schritt des Anpassens des ersten Werts der Leistung der Laserquelle und/oder des zweiten Werts des Verstärkungsfak tors des Detektors wird nun der Umfang dieser Anpassung abhängig von dem Ergeb nis des Vergleichs durchgeführt.
Einer Verfeinerung dieses Aspekts zufolge beinhaltet die Anpassung insbesondere eine Verringerung des ersten und/oder zweiten Werts, wenn die Amplitude den Span nungsgrenzwert überschreitet, so dass im nachfolgenden Schritt die Bestrahlungsstär ke des einfallenden Lichts im Detektor reduziert und infolgedessen eine Amplitude des zweiten Spannungssignals unter den vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert fällt. Mit Vorteil wird unter diesen Umständen wieder im dynamischen Bereich des Detek tors gearbeitet. Einer weiteren Verfeinerung dieses Aspekts zufolge beinhaltet die Verringerung eine Reduzierung des ersten und/oder zweiten Werts um 40 % oder mehr, vorzugsweise 50 % oder mehr, und/oder aber um 60 % und weniger. Diese Verringerung um z.B. 40 - 60 % stellt sicher, dass die im zweiten Durchlauf erzielte Amplitudenantwort des zwei ten Spannungssignals etwa in die Mitte des dynamischen Bereichs fällt.
Einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge wird ein zweiter, unterer Spannungsgrenzwert für eine Spannung vorgegeben, der für den De tektor ein vorgegebenes Signal-Rauschverhältnis, beispielsweise 2 dB oder mehr, vor zugsweise ungefähr mindestens 10 dB, gewährleistet. Dieser zweite, untere Span nungsgrenzwert legt die Untergrenze des dynamischen Bereichs fest. In weiteren Schritten wird (ähnlich wie oben) eine Amplitude des ersten Ausgangssignals bestimmt und diese mit dem zweiten Spannungsgrenzwert verglichen. Dabei beinhaltet der Schritt des Anpassens des ersten Werts der Leistung der Laserquelle und/oder des zweiten Werts des Verstärkungsfaktors des Detektors eine Anhebung des ersten und/oder zweiten Werts, so dass im nachfolgenden Schritt die Bestrahlungsstärke des einfallenden Lichts im Detektor reduziert und infolgedessen eine Amplitude des zwei ten Spannungssignals über dem vorgegebenen zweiten Spannungsgrenzwert liegt. Analog zu dem vorhergehend beschriebenen kann die Anhebung hier z.B. so erfolgen, dass 40 bis 60 % des (vorab bekannten) Sättigungswerts der Ausgangsspannung des Detektors nach der Anpassung erhalten werden, d.h. dass die Amplitudenantwort im Fall des zweiten Spannungssignals nachfolgend im zweiten Durchlauf auch hier in der Mitte des dynamischen Bereichs liegt.
Die folgenden Aspekte richten sich besonders auf eine nach Erhalt eines Abstands werts (erster oder zweiter Wert für den Abstand) durchgeführte Albedobestimmung, d.h. die Bestimmung des Rückstrahlvermögens der jeweils abgetasteten Objektober fläche.
Einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge wird eine Funktion zwischen der Leistung des Lasers und dem Abstand der Objektoberfläche für eine fest ausgewählte Bestrahlungsstärke des Detektors in Bezug auf das reflektierte und/oder zurückgestreute Licht bereitgestellt. Dabei wird der für die Anpassung vorbe- stimmte erste Wert der Leistung und/oder der vorbestimmte zweite Wert für den Ver stärkungsfaktor mit dem Argument des aus dem ersten Spannungssignal bestimmten ersten Betrags für den Abstand über diese Funktion ermittelt und die Anpassung ent sprechend dieser Funktion durchgeführt. Die fest ausgewählte Bestrahlungsstärke liegt z.B. vorteilhafter Weise im dynamischen, d.h. im Wesentlichen linearen Bereich des Detektors, vorzugsweise in dessen Mitte (z.B. 40 - 60 % des Werts der Ausgangs spannung, bei der diese gesättigt ist). Die Laserleistung und der Abstand sind einan der dann eineindeutig zugeordnet, damit die Bedingung einer konstanten Bestrah lungsstärke erfüllt ist. Die bereitgestellte Funktion bildet sozusagen einen Leitfaden für die Anpassung im zweiten Durchlauf (d.h. Anpassung der Parameter Leistung und/oder Gain sowie Erzeugung des zweiten Spannungssignals) und gewährleistet, dass der dynamische Bereich des Detektors eingehalten wird, so dass anschließend die Albedobestimmung möglich wird.
Einer weiteren Weiterbildung des vorhergehenden Aspekts zufolge wird vor dem Schritt des ersten Einstellens der Leistung des Lasers und/oder des Verstärkungsfak tors des Detektors ein Startwert für den Betrag des Abstands vorgegeben. In einem nachfolgenden Schritt wird dann die Leistung und/oder der Verstärkungsfaktor aus der vorgegebenen Funktion ermittelt, anhand welcher nachfolgend die Laserquelle und/oder der Detektor eingestellt werden können. Durch diesen Schritt kann im Ver fahrensablauf von vornherein mit der vorgegeben Funktion gearbeitet werden, die den Parameterraum der einstellbaren Werte (Leistung, Gain) und das daraus erhaltene Ergebnis (Abstände) unter Einhaltung einer Bedingung (Bestrahlungsstärke im dyna mischen Bereich bzw. Amplitudenantwort im Ausgangssignal des Detektors) in Bezie hung setzt und somit die zyklischen Durchläufe der Verfahrensschritte erlaubt.
Einer weiteren Weiterbildung der vorhergehenden Aspekte zufolge wird für die vorge gebene Funktion zwischen der Leistung des Lasers und dem Abstand der Objektober fläche eine untere Leistungsgrenze und eine obere Leistungsgrenze festgelegt, wobei für alle Abstände unterhalb des der unteren Leistungsgrenze zugeordneten Abstands lediglich der Wert der unteren Leistungsgrenze zurückgegeben und verwendet wird, und für alle Abstände oberhalb des der oberen Leistungsgrenze zugeordneten Ab stands lediglich der Wert der oberen Leistungsgrenze zurückgegeben und verwendet wird. Dies gewährleistet, dass nur im zulässigen Leistungsbereich der Laserquelle ge arbeitet wird.
Einer weiteren Weiterbildung der vorhergehenden Aspekte zufolge wird beispielsweise die untere Leistungsgrenze einer minimalen Ausgangsleistung der Laserquelle ent sprechend gesetzt. Ebenso kann die obere Leistungsgrenze einem Sicherheitsstan dard der Laserquelle entsprechend gesetzt werden.
Einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge kann nun nach dem Schritt des Bestimmens des zweiten Betrags für den Abstand der Objekt oberfläche aus einer dem zweiten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlaufzeit ein weiterer Schritt des Bestimmens des Rückstrahlvermögens der Ob jektoberfläche anhand des zweiten Spannungssignals und des bestimmten zweiten Werts für den Abstand durchgeführt werden. Dies entspricht z.B. der Albedobestim mung selbst. Es ist alternativ auch möglich, das zweite Spannungssignal und aber auch bereits den ersten Betrag für den Abstand bei dieser Albedobestimmung zu ver wendende oben angeführt entfalten durch diesen Schritt die dies ermöglichenden, vorbereitenden Merkmale die volle vorteilhafte Wirkung. Einer vorteilhaften Abwand lung oder Ergänzung dieses Aspekts zufolge ist vorgesehen, die Albedobestimmung in jedem Durchlauf vorzusehen, d.h. auch bereits nach Bestimmung des ersten Werts für den Abstand aus dem ersten Spannungssignal heraus.
Einer weiteren Weiterbildung des vorhergehenden Aspekts zufolge wird eine zweite Funktion bereitgestellt, welche eine linearisierte Antwort yact auf eine Amplitude des zweiten Spannungssignals angibt, mit der Form: yact = x = - log (1 - amp / c1) c1 / c2 (1 ) wobei der Strahlungsleistung der Laserquelle bzw. einer Treiberspannung derselben und amp der Amplitude jeweils des ersten oder zweiten Spannungssignals entspricht, und c1, c2 aus Messungen durch einen mathematischen Fit bestimmten Koeffizienten sind. Die Koeffizienten sind dabei für den verwendeten Detektor spezifisch und können sich von Detektor zu Detektor deutlich unterscheiden. Sie ist aber insbesondere an wendbar auf SiPM-Sensoren und trägt einem vorhandenen Sättigungsbereich Rech nung. Die Größe yact entspricht einer Spannung (z.B. gemessen in Volt) oder einer Leistung (z.B. gemessen in Watt).
Ferner wird eine dritte Funktion bereitgestellt, welche eine linearisierte Referenzgröße yref in Abhängigkeit von einem Abstand der Objektoberfläche und einer Leistung der Laserquelle angibt, mit der Form:
Yref = O(d) X, (2)
wobei x der Leistung der Laserquelle bzw. einer Treiberspannung derselben entspricht und er ein linearer Steigungsfaktor ist, mit dem eine Referenzleistung als linearisierte Referenzgröße und die Strahlungsleistung miteinander verknüpft sind und der vom jeweiligen Abstand d der Objektoberfläche abhängt. Für ein gegebenen Abstand und einen gegebenen Detektor sowie optischen Parametern (Laser und Optik) ist a(d) ein fest vorgegebener Wert.
Die linearisierte Antwort yact wird dabei aus der durch Messung bestimmten Amplitude des zweiten Spannungssignals berechnet. Die linearisierte Referenzgröße yref kann aus dem ermittelten zweiten Wert für den Abstand und der Leistung der Laserquelle berechnet werden. Das Rückstrahlvermögen wird schließlich aus einem Quotienten aus der linearisierten Antwort yact und der linearisierten Referenzgröße yref berechnet, insbesondere z.B. aus einer Quadratwurzel des Quotienten.
Einer besonderen Ausführungsform zufolge berechnet sich die linearisierte Refe renzantwort yref aus: yref = exp (k1 log(d)2 + k2 log(d) + k3) x (3) wobei der Leistung der Laserquelle und d dem Abstand der Objektoberfläche ent spricht, und k1, k2 und k3 aus Messungen durch einen mathematischen Fit bestimmte Koeffizienten sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands einer Objekt oberfläche umfasst beispielsweise eine Licht mit einer Leistung emittierenden Laser quelle, einen Detektor, der das von der Objektoberfläche reflektierte oder zurückge streute Licht mit einer Bestrahlungsstärke erfasst und abhängig davon ein zeitabhän giges Spannungssignal ausgibt, und eine Steuervorrichtung. Diese ist eingerichtet, das Verfahren mit den Schritten gemäß den obigen Ausführungen durchzuführen. Es er geben sich dabei die gleichen Vorteile wie oben erwähnt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den An sprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
Es zeigen:
Fig .1 eine schematische Blockskizze einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Ab stands einer Objektoberfläche, mit welcher ein Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Verfahrens implementiert werden kann;
Fig. 2 eine schematische Blockskizze einer spezielleren Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands einer Objektoberfläche, mit welcher ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert werden kann; Fig. 3 ein Blockschaltbild eines SiPM-Sensors;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild einer SPAD-Mikrozelle eines SiPM-Sensors;
Fig. 5 ein Diagramm mit einer Strom-Spannungskennlinie der Mikrozelle aus Fig. 4 und einer schematischen Darstellung des zyklischen Durchlaufs durch die ent sprechenden Betriebsmodi bzw. -phasen;
Fig. 6 ein schematisches Diagramm mit Illustration der Messung der Lichtlaufzeit, wobei die Stärke eines Signals Sn (z.B. Spannung) des Pulses bzw. der Puls antwort gegen die Zeit aufgetragen ist;
Fig. 7 einen schematischen Vergleich des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) auf getragen gegen den Abstand für SiPM- und APD-Sensoren;
Fig. 8 einen schematischen Vergleich der über die Zeit aufgetragenen Pulsantworten zwischen SiPM- und APD-Sensoren für sechs unterschiedliche Leistungsstu fen des Ausgangssignals in der Laserquelle, wobei die Pulsantworten zwi schen den Sensortypen für den Vergleich absichtlich gegeneinander zeitver schoben sind;
Fig. 9 ein schematisches Diagramm analog zur Fig. 6 für einen SiPM-Sensor die durch Lasersicherheitsstandards einzuhaltenden Randbedingungen wobei als einstellbarer Parameter die Laserleistung dient;
Fig. 10 ein schematisches Diagramm analog zur Fig. 6 für einen SiPM-Sensor die durch Lasersicherheitsstandards einzuhaltenden Randbedingungen wobei als einstellbarer Parameter der Verstärkungsfaktor bzw. Gain dient;
Fig. 11 in einem Flussdiagramm den schematischen Ablauf des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 12 in einem Diagramm für einen SiPM-Sensor den Zusammenhang zwischen der Amplitude amp eines jeweils ausgegebenen Spannungssignals und der Über spannung ( overvoltage ) Vov des Detektors bzw. einer aus der Treiberspan nung der Laserquelle abgeleiteten Größe x mit linearem Zusammenhang;
Fig. 13 in einem Diagramm den Logarithmus der linearen Steigung, log(a), der
Amplitude des Spannungssignals gegenüber der Überspan
nung/Treiberspannung als Funktion von log (d), wobei d der Abstand von La serquelle und Detektor ist, für die Berechnung des Rückstrahlvermögens des Oberflächenabschnitts gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 14 in einem Diagramm eine die Berechnung des Abstands vereinfachende Funkti on V1(d), die die Treiberspannung der Laserquelle als Funktion des Abstands d darstellt, wobei zwischen domin und domax durch Anpassung der Treiberspan nung V1 der Laserquelle eine Bestrahlungsstärke im Detektor unabhängig vom Abstand d immer etwa in der Mitte des dynamischen Bereichs aufrecht erhalten wird;
Fig. 15 in einem Diagramm die Bestrahlungsstärke Ir als Funktion des Abstands d, wobei der Zielwert in der Mitte des dynamischen Bereichs zwischen SiPM- MAX und SiPM-MIN liegt und 100 pW/m2 beträgt, solange der Abstand d zwi schen domin und domax fällt;
Fig. 16 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf des Verfahrens gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel .
Bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung
Fig. 1 zeigt anhand einer schematischen Blockskizze eine Vorrichtung 1 zum Bestim men eines Abstands einer Objektoberfläche, mit welcher ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert werden kann. Sie zeigt den grundsätzli chen Aufbau einer LiDAR-Vorrichtung für eine Abstandsbestimmung mittels Laufzeit- messung ( time of flight, ToF). Eine Laserquelle 10 emittiert in hochfrequenten Pulsen monochromatisches und kohärentes sowie scharf gebündeltes Licht 12 in Richtung auf eine Objektoberfläche 14, von welcher es reflektiert und/oder rückgestreut wird. Ein Detektor 16 empfängt bzw. erfasst das reflektierte und/oder rückgestreute Licht 18. Eine zentrale Steuervorrichtung 20 (regelmäßig ein IC-Chip) der Vorrichtung 1 ist mit der Laserquelle 10 und dem Detektor 16 über elektronische Leitungen mit entspre chenden Schnittstellen verbunden und koordiniert den Vorgang der Pulserzeugung und -erfassung. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 20 die betreffenden Puls signale zuordnen und den Zeitpunkt jeweils der betreffenden Pulserzeugung in der Laserquelle 10 und der daraus resultierenden Pulserfassung im Detektor 16 aufzeich nen und aus der Differenz die Lichtlaufzeit 22 errechnen. Bei bekannter Lichtge schwindigkeit kann daraus (bzw. aus der den Hin- und Rückweg berücksichtigenden halben Lichtlaufzeit) sofort der Abstand d zur Objektoberfläche 14 bestimmt werden.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 ist der Detektor 16 ein Silicon Photomultiplier (SiPM). Dieser zeichnet sich durch ein niedriges Signal- Rausch-Verhältnis (SNR) und einen hohen Verstärkungsfaktor ( gain ) aus, welcher zu dem anhand der Steuervorrichtung 20 über die Steuerung der nachfolgend zu erläu ternden Überspannung linear einstellbar ist. Ebenso kann die Steuervorrichtung 20 unter anderem die Leistung der Laserstrahlung über die Treiberspannung ( driver vol- tage) der Laserquelle einstellen (wie aber auch Pulsdauer und Frequenz und weitere Parameter eingestellt werden können). Die Laserquelle 10 kann weitere, hier nicht ge zeigte optische Elemente wie Linsen, Diffuser, Shutter, Filter und Spiegel etc. umfas sen. Der Detektor kann ebenso weitere optische Elemente, insbesondere Linsen etc. umfassen.
Fig. 2 zeigt ein weiteres, spezielleres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 ', wobei die Steuervorrichtung 20 eingerichtet, die Schritte des nachfolgend beschriebenen ers ten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Merkmale wie im ersten Ausfüh rungsbeispiel, wobei auf eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung verzichtet wird. Die Vorrichtung 1 ' betrifft ein LiDAR-System für den Einsatz in Fahrzeugen, um ein ADAS-System (advanced driver-assistance System), d.h. ein Fahrerassistenzsystem, zu unterstützen. Es gilt hier nicht nur einfach eine Abstandsbestimmung durchzufüh ren, sondern ein dreidimensionales Bild der kompletten oder teilweisen Umgebung des Fahrzeugs (nicht gezeigt), in dem die Vorrichtung angebracht ist, zu erzeugen, bei spielsweise um Flindernisse oder stationär angebrachte Hinweismarkierungen etc. auszuwerten. Die Laserquelle 10 umfasst hier eine im nahinfraroten (NIR) Wellenlän genbereich (900 nm bis 1.550 nm) Licht 12 in einem Strahl (wie oben beschrieben) emittierende Laserdiode. Um die Umgebung abzutasten, ist ein mikroelektromechani sches Bauelement 28 (MEMS) mit einem oder mehreren hochfrequent verstellbaren Mikrospiegeln 30 vorgesehen, die den Lichtstrahl gesteuert von der Steuervorrichtung 20 sich um eine einzelne Achse drehend bzw. hochfrequent oszillierend umlenken können. Der umgelenkte Laserstrahl (Licht 12) wird durch einen Diffuser 34 geleitet, der den Strahl in vertikaler Richtung aufweitet (in der schematische Darstellung der Fig. 2 senkrecht zu Zeichen ebene und deshalb nur schematisch angedeutet), so dass der aufgeweitete Strahl des Lichts 12 über die Umgebung in horizontaler Umlenkrich tung 32 geführt wird. Dabei überstreicht mit seinem Querschnitt die jeweiligen Oberflä chen 14, die das Licht im Wesentlichen abhängig vom Material und der Oberflächen beschaffenheit reflektieren oder rückstreuen. Die Pulse der Laserdiode sind dabei mit dem oder den Mikrospiegeln 30 synchronisiert.
Ein Teil des rückgestreuten bzw. reflektierten Lichts 18 durchläuft eine Linsenoptik 26, die das Licht auf ein Photodiodenarray 24 fokussiert, das auch in diesem Ausfüh rungsbeispiel als SiPM-Sensoren ausgebildete Detektoren 16 umfasst, welche vertikal in Reihe angeordnet sind. Die Anzahl der Detektoren 16 ist entsprechend der Aufwei tung des Strahls (Licht 12) gewählt. Die Detektoren erfassen das ihnen über die Optik zugeordnete Licht 18, woraus bei Anwendung des Verfahrens von der Steuervorrich tung 20 für jeden Bildpunkt ein Abstand d und ein Wert für den Albedo (Rückstrahl vermögen) ermittelt wird. Die Bildpunkte sind in vertikaler Richtung durch die im Pho todiodenarray 24 in Reihe angeordneten Detektoren 16 und in horizontaler Richtung durch diskrete Winkelpositionen des oder der Mikrospiegel(s) für die betreffenden Pul- se festgelegt. Das schließlich zusammengesetzte Bild kann eine Auflösung von z.B. 256 x 84 Pixeln besitzen, bzw. 0,25° x 0,3° bei einem Bildfeld von 60° horizontal und 20° vertikal. Die Reichweiten liegen bei über 200 m für die Erfassung von Fußgängern oder über 300 m für die Erfassung von anderen Fahrzeugen. Die angegebenen Werte sind rein beispielhaft und schränken den durch die Ansprüche festgelegten Schutzbe reich auf keinen Fall ein.
Die Fig. 3 bis 5 illustrieren die Funktion des als SiPM-Sensor ausgebildeten Detektors 16, wie er beispielsweise in den Vorrichtungen 1 , 1 ' der Fig. 1 oder 2 verwendet wird. Der Gegenstand dieser drei Figuren stellt nützliches Flintergrundwissen dar. Eine ge nauere Erläuterung dazu ist auch in "Introduction to Silicon photomultipliers (SiPMs)", White Paper by First Sensor, Version 03-12-15, heruntergeladen von https://www.fi rst- sensor.com/en/products/optical-sensors/detectors/silicon-photomultipliers-sipms/ am 07.1 1 .2018 zu finden. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines solchen SiPM-Sensors. In jeder Mikrozelle 36 ist eine hier im Geiger-Modus betriebene Avalanche Photodiode (APD) zwischen der Anodenanschluss (bei VBIAS) und dem Kathodenanschluss (bei SOUT) in Reihe mit einem Quench-Widerstand RQ geschaltet. Die im Geiger-Modus betriebene Avalanche Photodiode wird auch als SPAD ( single photon avalanche dio- de) bezeichnet. Diese Reihenschaltung einer jeden Zelle ist untereinander wiederum durchgehend parallel geschaltet, d.h., dass die lawinenerzeugten Strom- und Span nungspulse aller Mikrozellen 36 am Ausgang der Schaltung des Detektors 16 in glei cher weise überlagert werden. CD bezeichnet eine jeweils vorhandene Diodenkapazi tät.
Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer SPAD-Mikrozelle 36 eines SiPM-Sensors. Die SPAD-Diode wird dabei gebildet aus einem in Reihe angeordneten Schalter S, einer Spannungsquelle VBD und einem Serienwiderstand Rs des z.B. aus Silizium gebildeten Flalbleitersubstrats. Parallel dazu ist die Diodenkapazität CD geschaltet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist dazu extern der Quench-Widerstand RQ in Reihe gegenüber den An schlüssen der Spannungsquelle VBIAS geschaltet. Der Quench-Widerstand RQ ist dabei weitaus größer als der Serienwiderstand Rs. Im Betrieb ist in einer ersten als Ruhemo dus ( quiescent mode) bezeichneten Phase, in der kein Photoneneinfall in den aktiven Bereich der Mikrozelle 36 erfolgt, die Sperrspannung VBIAS angelegt bzw. im Hinblick auf die Diodenkapazität CD aufgebaut. Da die Zelle im Geiger-Modus betrieben wird, liegt VBIAS oberhalb der Durchbruchspannung VBD. Die Differenz zwischen der die Sperrspannung VBIAS und der Durchbruchspannung VBD wird als Überspannung Vov (overvoltage) bezeichnet. In dem beschriebenen Zustand ist der Schalter S geöffnet und es fließt im Wesentlichen kein Strom.
Im Fall eines Photoneneinfangs schließt sich im Ersatzschaltbild der Schalter S so dass der durch die erzeugte Ladungsträgerlawine hervorgerufene Strompuls zu einer Entladung der Diodenkapaziät CD über den Serienwiderstand Rs führt, mit der Folge, dass die Spannung ausgehend von VBIAS bis auf die Durchbruchspannung VBD zurück fällt. Dies wird als Entladungsmodus ( discharge phase) bezeichnet. Wie eingangs be schrieben macht sich nun der Quench-Widerstand RQ bemerkbar, indem die an der Diode anliegende Spannung gequencht wird, wodurch sich der Schalter S wieder öff net.
In der folgenden als Wiederaufladungsmodus (recovery phase) bezeichneten Phase wird die Diodenkapazität CD wieder über den Quench-Widerstand RQ aufgeladen, so dass ein neuer Zyklus beginnt. Der Ablauf ist in Fig. 5 schematisch illustriert, in der eine Strom-Spannungskennlinie aufgetragen ist.
Fig. 6 zeigt in einem schematischen Diagramm das Prinzip der Laufzeitbestimmung. Aufgetragen ist ein in der Laserquelle 10 entstandenes Pulssignal Sn bzw. eine in dem Detektor 16 erfasste Pulssignalantwort "ampl" gegen die in der Steuereinrichtung 20 (siehe Fig. 1oder 2) aufeinander abgestimmte Zeitachse t. Für den Ausgangspuls in der Laserquelle 10 sowie auch für die Pulsantwort im Detektor 16 können Maxima er mittelt werden, die als Zeitmarken tiw\xi bzw. ΪMAC2 für die Messung verwendet werden. Die zeitliche Differenz der beiden Zeitmarken ΪMACI und ΪMAC2 liefert die Lichtlaufzeit ToF. Es versteht sich, dass die jeweiligen Pulsbreiten (d.h. Pulsdauern) ein Limit für die Messung setzen, insbesondere für die Auflösung bzw. Genauigkeit der bestimmten Abstände d. Fig. 7 zeigt einen schematischen Vergleich zwischen SiPM-Sensoren (durchgezogene Linie) und konventionellen APD-Sensoren (gestrichelte Linie) im Hinblick auf das je weilige Signal-Rausch-Verhältnis SNR aufgetragen gegen den Abstand d, über den hinweg Lichtsignalpulse (über die Objektoberflächen 14) auf die Detektoren 16 über tragen wurden. Der SNR-Ievel "min" gibt denjenigen Bereich an (unterhalb der betref fenden Linie), in welchem die Qualität des Signals ampl nicht mehr ausreicht, um ei nen Abstand zu bestimmen, oder um einen Abstand einschließlich zugeordnetem Rückstrahlvermögen zu bestimmen. Deutlich sichtbar besitzt die SNR-Kurve im Fall von SiPM-Sensoren von kurzen Abständen einen ausgeprägten Sättigungsbereich 38, der dazu führt, dass das SNR-Verhältnis im Fall von APD-Sensoren (mit dort weniger ausgeprägtem Sättigungsbereich 40) bei diesen Abständen deutlich besser ist. Außer halb dieses Sättigungsbereichs 38 ist das SNR-Verhältnis von SiPM-Sensoren, wie von den Erfindern gefunden wurde, demjenigen der APD-Sensoren aber deutlich über legen, insbesondere zu großen Abständen d hin, weshalb allein hierdurch schon die Reichweite für die Abstandsbestimmung ausgedehnt werden kann (siehe Pfeil 42 in Fig. 7).
Fig. 8 zeigt einen schematischen Vergleich der über die Zeit aufgetragenen Pulsant worten zwischen SiPM- und APD-Sensoren als Detektoren 16 für sechs unterschiedli che Leistungsstufen des Ausgangssignals in der Laserquelle 10 (9, 10, 25, 50, 88, 100 % der möglichen Leistung), wobei die Pulsantworten zwischen den Sensortypen für den Vergleich absichtlich gegeneinander zeitverschoben sind. Das Diagramm verdeut licht die ausgeprägte Sättigung bei hohen Strahlungsleistungen in der Laserquelle 10 im Fall von SiPM-Sensoren als Detektoren 16. APD-Sensoren zeigen dagegen einen weithin linearen Zusammenhang. Ferner ist ersichtlich, dass SiPM-Sensoren für gerin ge Strahlungsleistungen (oder entsprechend für große Abstände) der Laserquelle 10 einen systematischen Zeitversatz aufzeigen, der in der Größenordnung der typischen Pulsbreite legen kann.
Um nun angesichts des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sachverhalts im Fall von SiPM- Sensoren ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei kurzen wie auch bei großen Abständen zu erhalten, können nun gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Verfahrens abhängig vom Abstand d im Wesentlichen zwei Parameter an gepasst werden: die Leistung der Laserquelle 10 und der Verstärkungsfaktor (gain) des Detektors 16 bzw. des SiPM-Sensors.
Die Fig. 9 und 10 zeigen analog zur Fig. 6 für einen SiPM-Sensor schematisch die da bei durch Lasersicherheitsstandards einzuhaltenden Randbedingungen. Fig. 9 illus triert für den Parameter der Laserleistung den Fall eines großen Abstands d, bei dem die Pulsantwort des Detektors 16 gerade deshalb sehr schwach ausfällt. Gezeigt sind 5 Leistungsstufen der Laserquelle und entsprechend 5 Signalantworten auf Seiten des Detektors 16. Einer dem großen Abstand Rechnung tragenden Vergrößerung der Amplitude des Signals Sn der Laserleistung steht eine obere Leistungsgrenze LMAX entgegen, die aus jenen Sicherheitsstandards resultiert (die z.B. das menschliche Au ge schützen sollen) und in der Skizze der Fig. 9 einen gemäß dem Ausführungsbei spiel zu berücksichtigenden Ausschlussbereich 46 darstellt.
Bei kurzen Abständen d (nicht aus Fig. 9 erkennbar) wird dagegen eine Verminderung der Laserleistung vorteilhaft, weil der Sättigungsbereich 38 verlassen wird. Da hier trotz verringerter Leistung und damit verminderter Signalantwort das an und für sich stärkere Rauschen im Sättigungsbereich 38 ( excess shot noise) vermieden wird, kann das Signal-Rausch-Verhältnis SNR dadurch noch sehr befriedigende Werte anneh men.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel kann folglich anhand eines bereits bestimmten Ab stands abhängig von diesem eine Vergrößerung des Werts der eingestellten Laserleis tung durchgeführt werden, wenn der Abstand groß ist bzw. verringert werden, wenn der Abstand gering ist. Weiterbildungen dieses Ausführungsbeispiels sehen vor, eine dynamische Echtzeitanpassung abhängig vom jeweils bestimmten Abstand vorzu nehmen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist weiter unten erläutert.
Gleichermaßen illustriert Fig. 10 für den Parameter des Verstärkungsfaktors (gain) den Fall eines großen Abstands d. Auch hier liegt der Ausschlussbereich 46 im Hinblick auf die Laserleistung vor, jedoch erfolgt die Parameteranpassung, d.h. eine Anpassung des Werts für den Verstärkungsfaktor auf Seiten des Detektors 16 und nicht der La serquelle 10, so dass die Anpassung des Parameters jedenfalls nicht durch diese Be dingung beschränkt ist, wie die Fig. 10 schematisch zeigt.
Bei großen Abständen d ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, den Ver stärkungsfaktor (gain) zu erhöhen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und insbesondere auch um den SiPM-Sensor in seinem dynamischen Bereich zu hal ten (siehe dazu mehr unten). Dagegen ist bei niedrigen Abständen vorgesehen, den Verstärkungsfaktor zu senken - ebenfalls um den SiPM-Sensor im dynamischen Be reich zu halten.
Fig. 11 zeigt in einem Flussdiagramm den schematischen Ablauf des Verfahrens ge mäß diesem Ausführungsbeispiel. In einem Schritt 100 werden in einer LiDAR- Vorrichtung 1 , 1 ' wie z.B. in Fig. 1 oder 2 gezeigt ein vorbestimmter erster Wert für die Leistung der Laserquelle 10 und ein vorbestimmter zweiter Wert für den Verstärkungs faktor (gain) des Detektors 16 (SiPM-Sensor) vorgegeben (im Fall von Fig. 2: der De tektoren 16 im SiPM-Sensor-Array 24).
In einem folgenden Schritt 110 werden die Laserquelle 10 und der Detektor 16 ent sprechend eingestellt und es wird ein Puls in der Laserquelle 10 erzeugt, bei dem Licht mit dem vorbestimmten ersten Wert der Leistung emittiert wird, wobei der Detektor 16 abhängig von der Bestrahlungsstärke des erfassten, reflektierten oder zurückgestreu ten Lichts ein erstes Spannungssignal unter Anwendung des dem vorbestimmten zweiten Werts für den Verstärkungsfaktor ausgibt.
In einem folgenden Schritt 120 wird eine (nun erste) Abstandsbestimmung durchge führt, d.h., es wird geprüft, ob eines Abstandsbestimmung überhaupt möglich ist, und wenn ja (Y/J im Schritt 120), wird ein erster Betrag für den Abstand d der Objektober fläche 14 aus einer dem ersten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlaufzeit ToF ermittelt. Wenn die Abstandsbestimmung nicht möglich ist (N im Schritt 120), weil das Span nungssignal ein Signal-Rauschverhältnis SNR unterhalb eines vorgegeben Mindest werts einnimmt, werden die Parameter: Leistung der Laserquelle 10 und/oder der Ver stärkungsfaktor des Detektors 16 in einem Schritt 130 angepasst, d.h., hier erhöht.
Wenn dagegen die Abstandsbestimmung möglich war und den ersten Betrag für den Abstand liefert (Y/J im Schritt 120), wird in einem weiteren Schritt 140 geprüft, ob das ausgegebene erste Spannungssignal im Sättigungsbereich 38, d.h. nicht im dynami schen Bereich 39 liegt (siehe Fig. 8). Dazu wird ein erster, oberen Spannungsgrenz werts für eine Spannung vorgegeben, unterhalb dessen (dynamischer Bereich 39) für den Detektor 16 ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der Bestrah lungsstärke des einfallenden Lichts 18 und einer infolgedessen ausgegebenen Span nung besteht, und oberhalb dessen der Zusammenhang nicht-linear und/oder gesättigt ist (Sättigungsbereich 38). Ferner wird in diesem Schritt eine Amplitude des vom De tektor 16 ausgegebenen ersten Spannungssignals bestimmt und diese mit dem Span nungsgrenzwert verglichen.
Wird der Spannungsgrenzwert überschritten (Y/J in Schritt 140) so schreitet das Ver fahren zum Schritt 150 fort. Im Schritt 150 werden die Parameter: Leistung der Laser quelle 10 und/oder der Verstärkungsfaktor des Detektors 16 angepasst, d.h., hier: ver ringert.
In beiden Fällen, dem Schritt 130, in welchem der Abstand d zu groß ist um ein brauchbares Spannungssignal mit hinreichendem Signal-Rausch-Verhältnis SNR zu liefern zu liefern, und den Schritten 140, 150, in welchen der Abstand d so gering ist bzw. die Leistung der Strahlungsquelle so groß ist, dass der SiPM-Sensor im Sätti gungsbereich 38 arbeitet, werden einer oder beide Parameter dynamisch angepasst, um einen zweiten Durchlauf zu starten.
Dies erfolgt rekursiv zurückkehrend zu Schritt 110, in welchem die Laserquelle 10 und der Detektor 16 wieder entsprechend eingestellt bzw. nun angepasst werden. D.h., es wird wieder ein Puls in der Laserquelle 10 erzeugt, bei dem Licht mit dem jetzt ggf. angepassten ersten Wert der Leistung emittiert wird, wobei der Detektor 16 abhängig von der Bestrahlungsstärke des erfassten, reflektierten oder zurückgestreuten Lichts nun ein vom ersten Spannungssignal idealerweise verschiedenes zweites Spannungs signal unter Anwendung des ggf. angepassten zweiten Werts für den Verstärkungsfak tor ausgibt, das nunmehr brauchbar ist und nicht im Sättigungsbereich 38 liegt.
Insgesamt werden folglich in den Schritten 130, 1 10 bzw. 150, 1 10 der erste Wert der Leistung der Laserquelle und/oder der zweite Wert des Verstärkungsfaktors des De tektors 16 abhängig von dem bestimmten ersten Betrag für den Abstand angepasst (verringert oder vergrößert gemäß den obigen Ausführungen mit Bezug auf die Fig. 9 und 10). Im unbrauchbaren Fall (Schritt 130) ist der bestimmte Abstand d nicht gesetzt oder beträgt mehr als ein vorab bestimmter Grenzwert, oder im Fall des Sättigungsbe reichs 38 beträgt der bestimmte Abstand weniger als ein vorab bestimmter Grenzwert (wie aus Fig. 7 ersichtlich wird).
Nach dem erneute Emittieren von Licht durch die Laserquelle 10 und Erfassen des reflektierten oder zurückgestreuten Lichts durch den Detektor 16 sowie Ausgabe eines entsprechenden zweiten Spannungssignals unter Verwendung des angepassten ers ten und/oder zweiten Werts kann schließlich nach Wiederholung der Schritte 1 10, 120, 140 ein zweiter Betrag für den Abstand der Objektoberfläche aus einer dem zweiten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlaufzeit ToF bestimmt werden.
Dieser sollte die entsprechenden Prüfungen in den Schritten 120, 140 jeweils mit posi tivem Ergebnis durchlaufen (Y/J), wonach das Verfahren gemäß diesem ersten Aus führungsbeispiel zu Schritt 160 voranschreitet. Hier wird aus dem zweiten Spannungs signal das Rückstrahlvermögen der betreffenden Objektoberfläche 14 berechnet. Da hier der Fall des dynamischen Bereichs 39 vorliegt, kann mit den Angaben des Ab stands d, dem ersten Wert der Strahlungsleistung der Laserquelle 10, dem Verstär kungsfaktor (gain) des Detektors 16 und der Amplitude des zweiten Spannungssignals - ggf. mit geeigneter Kalibrierung dieser Wert für den Albedo prozessorgestützt durch die zentrale Steuereinheit 20 im Schritt 160 errechnet werden. Zur Bestimmung des Abstands und Rückstrahlvermögens einer nächsten Objektober fläche kehrt das Verfahren zu Schritt 100 zurück. Auf diese Weise kann die Umgebung der Vorrichtung schrittweise abgetastet und dadurch ein dreidimensionales Bild er zeugt werden. Mit Objekt erfassender Software kann dieses Bild ausgewertet werden, um beispielsweise bestimmte Gegenstände, Personen oder Verkehrszeichen etc. zu erkennen und ggf. Massnahmen zu treffen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 12 und 13 gezeigt. Der Fokus liegt hier auf der Bestimmung des Rückstrahlvermögens bei bereits bestimmten Abstand. Fig.
12 zeigt für einen SiPM-Sensor den Zusammenhang zwischen der Amplitude eines jeweils ausgegebenen Spannungssignals und der Überspannung ( overvoltage ) Vov des Detektors 16 bzw. einer aus der Treiberspannung der Laserquelle 10 abgeleitete Größe x mit linearem Zusammenhang. Die Punkte in dem Diagramm entsprechen je weils einer Messung in einer beispielhaften Vorrichtung 1 , wie sie etwa in Fig. 1 ge zeigt ist.
Der Zusammenhang entspricht einer Funktion amp = c1 ( 1 - exp(- (c2 x) / c1) ), (1 ) die einen sehr guten Fit liefert, wobei die Amplitude amp des Spannungssignals durch den SiPM-Sensor geliefert wird und x mit der Treiberspannung V1 der Laserquelle 10 zusammenhängt durch: x = (V1 - 2,5) / 0,5 . (2)
Die Koeffizienten c1 und c2 werden durch den Fit bestimmt. Im sehr speziellen Aus führungsbeispiel betragen sie c1 = 0,3015 und c2 = 0,004296. Der Fit ist in Fig. 12 durch eine durchgezogene Linie angedeutet. Sehr gut erkennbar ist ein relativ linearer Zusammenhang bis zu einer Amplitude von etwa 0,18 V, welches hier der dynamische Bereich 39 ist, wobei sich oberhalb von 0,18 V ein nichtlinearer Sättigungsbereich an- schließt (bis zum asymptotischen Grenzwert bei etwa 0, 55 V in diesem speziellen, nicht einschränkenden Beispiel).
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist nun vorgesehen, eine Linearisierung der gezeigten Kurve vorzunehmen. Dazu wird die Gleichung (1 ) für die nichtlineare
Amplitudenantwort amp umtransformiert nach der linearisierten Amplitudenantwort yact\ yact = x = - log (1 - amp / c1) c1 / c2, (3)
Die gemessenen Amplituden der Messungen für verschiedene (bekannte) Abstände bei unterschiedlicher Laserleistung (entsprechend x) können nun in Gleichung (3) ein gesetzt werden und ergeben jeweils Geraden mit einer vom Abstand d abhängigen Steigung a: yref = o(d) X (4)
Um a(d) zu bestimmen, kann z.B. wiederum ein Fit angewandt werden, wobei auch hier eine Transformation in die logarithmische Skala durchgeführt wurde: log (a) = k1 log (d)2 + k2 log (d) + k3 (5)
Der beispielhafte Fit ist lediglich bis zur 2. Ordnung, könnte aber ohne Einschränkung auch höherer Ordnung sein. Fig. 13 zeigt aber für die Messpunkte, dass der Fit ausrei chend ist. Aufgetragen ist dort log(a) als Funktion von log (d), wobei d der Abstand ist. Die für dieses spezielle Beispiel ermittelten Koeffizienten lauten: k1 = 0,1 18; k2 = - 2,438; k3 = 4,305.
Für die somit empirische, linearisierte Referenzamplitude ergibt sich: yref = exp (k1 log(d)2 + k2 log(d) + k3) x. (6)
In dem zweiten Ausführungsbeispiel kann daher die linearisierte Referenzamplitude yref bei einem durch Lichtlaufzeitmessung bestimmten Abstand d sofort als Referenz wert aus Gleichung (6) berechnet werden. Andererseits kann die tatsächliche, lineari- sierte Amplitudenantwort yact direkt neu gemessen bzw. bestimmt werden. Da der Ab stand d in beiden Fällen der gleiche ist (der Abstand wird ja aus dem gleichen Span- nugssignal gewonnen), beruht ein Unterschied zwischen den beiden Größen yact und yref ausschließlich auf einem Unterschied im zugrundeliegenden Rückstrahlvermögen bzw. Albedo. Der Albedo kann aus dem Quotienten von yact und yref berechnet werden: albedo = albedo ref ( yact/yref) / 12 , (7) wobei albedo ref der Albedo eines Referenzmaterials ist, mit dem der Fit durchgeführt wurde. Idealerweise ist das Referenzmaterial ein Material mit besonders hohem Albe do, beispielsweise Aluminium mit albedo ref = 0,88. Anders herum können aber auch andere Materialien mit niedrigerem Albedo als Referenz verwendet werden, wie z.B. Stahl mit albedo ref = 0,68 oder Titan mit albedo ref = 0,34, etc.. Diese Verfahrens schritte erlauben eine besonders effiziente und schnelle Berechnung des Rückstrahl vermögens, die notwendig ist, um eine zügige Aktualisierung der erfassten Umgebung zu erzielen.
Die Schritte des zweiten Ausführungsbeispiels können im Rahmen des Schritts 160 des ersten Ausführungsbeispiels durchgeführt werden, oder aber im Rahmen des Schritts 290 des nachfolgend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels:
Es wird diesbezüglich Bezug genommen auf die Fig. 14-16. Fig. 16 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf des Verfahrens gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Nach dem Start 200 des Verfahrensablaufs wird zunächst im Schritt 210 ein maximaler Abstand dmax (als Startwert) vorgegeben. Im Schritt 220 wird danach für diesen Start wert eine Treiberspannung V1(d) gesucht, mit der die Laserquelle 10 betrieben wird, um Licht mit einer Leistung abzugeben, die ausreicht, um den Detektor 16 im dynami schen Bereich 39 zu betrieben. Auch in diesem Beispiel wird dazu wieder eine die Berechnung vereinfachende Funk tion V1(d) vorgegeben, die in Fig. 14 gezeigt ist. Ziel ist es dabei, durch Anpassung der Treiberspannung V1 der Laserquelle 10 eine Bestrahlungsstärke im Detektor 16 unabhängig vom Abstand d immer etwa in der Mitte des dynamischen Bereichs 39 aufrecht zu erhalten. Der dynamische Bereich 39 wird durch einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert für die Bestrahlungsstärke bestimmt, die jeweils einem oberen und unteren Spannungsgrenzwert für die ausgegebene Spannung entspre chen. Der obere Grenzwert wird wie beschrieben durch die beginnende Sättigung be stimmt. Der untere Grenzwert wird durch ein minimales, für die Erfassung brauchbares und zulässiges Signal-Rausch-Verhältnis SNR bestimmt, das hier zu 10 dB festgelegt ist. In einem speziellen Beispiel liegt der untere Grenzwert SiPM-MIN bei etwa 2 pW/m2 und der obere Grenzwert SiPM-MAX bei etwa 200 pW/m2, so dass der dyna mische Bereich immerhin 20 dB ausmacht.
Ein Fit wird notwendig, da die Leistung der Laserquelle 10 zwar proportional zum Quadrat des Abstands d ist, und die Treiberspannung zwar auch linear mit der Leis tung zusammenhängt, jedoch erst aber einem gewissen Startwert eine Laserleistung hervorruft. Hier hat sich ein Polynomialfit 3. Ordnung bewährt:
V(P(d)) = e P(d)3 + f P(d)2 + g P(d) + h . (8)
Im speziellen Beispiel wurden die Koeffizienten wie folgend bestimmt: e = 0,000793; f = -0,005521 ; g = 2,276; h = 0,8674. Die im Wesentlichen doch parabelförmige Kurve ist in Fig. 14 gezeigt. Beim Abstand domin liegt eine minimal mögliche Leistung für die Laserquelle 10 vor, im speziellen Beispiel 0,2 W. Für Abstände d unterhalb dieses Grenzwertes wird im Schritt 220 des Verfahrens in diesem speziellen dritten Ausfüh rungsbeispiel immer der gleiche Wert in Höhe 1 ,5 Volt für die Treiberspannung V1 zu rückgegeben. Desgleichen wird für alle Abstände d oberhalb eines Grenzwerts domax, der einer gemäß den Sicherheitsstandards vorgegebenen Maximalleistung von in die sem Beispiel 25 W entspricht, lediglich der Wert von 66,5 Volt für die Treiberspannung V1 zurückgegeben. Im Beispiel wurde genau dieser obere Grenzwert domax als Start wert genommen. Im Schritt 220 wird dann der (erste) Wert der Leistung der Laserquel- le 10 eingestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Verstärkungsfaktor bzw. Gain nicht variiert.
Im Schritt 230 wird die Laserquelle 10 getriggert und infolgedessen im Schritt 240 ein Lichtpuls erzeugt. Im Schritt 250 wird das von der Objektoberfläche reflektierte bzw. zurückgestreute Licht 18 vom Detektor 16 empfangen bzw. erfasst. Im Schritt 260 kann aus dem erhaltenen (ersten) Spannungssignal der erste Wert für den Abstand bestimmt werden, hier als D bezeichnet. In Schritt 270 wird geprüft, ob d = D ist, d.h. ob der erste Wert für den Abstand gleich dem als Startwert vorgegebenem Abstand ist. Ist dies nicht der Fall (N in Schritt 270), zweigt der Programmablauf zurück zum Schritt 220 ab. Hier wird gemäß der Funktion in Fig. 14 bzw. Gleichung (8) eine neue Treiber spannung V1 gesucht.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, entspricht der in Fig. 14 gezeigte parabelförmige Abschnitt einem flachen Abschnitt der Bestrahlungsstärke Ir als Funktion des Abstands. Der Zielwert in der Mitte des dynamischen Bereichs zwischen SiPM-MAX und SiPM-MIN beträgt 100 pW/m2. Solange der Abstand d zwischen domin und domax beträgt wird die ser mittlere Wert im dynamischen Bereich 39 immer wieder aufrechterhalten. Die Ab stände domin und domax betragen im Beispiel 3 und 16 m. Oberhalb von domax wird ein fester Wert von V1 (d) zurückgegeben, so dass die Bestrahlungsstärke Ir sinkt, aber offensichtlich noch bis etwa 115 m Reichweite ausreicht, um oberhalb der unteren Grenze SiPM-MIN, also im dynamischen Bereich 39 zu liegen.
Auf der anderen Seite werden entsprechend unterhalb von domin ebenfalls nur konstan te Werte für V1 (d) zurückgegeben. Diese führen noch bis etwa 2 m zu Bestrahlungs stärken, die unterhalb der oberen Grenze SiPM-MAX des dynamischen Bereichs lie gen.
Die Diskrepanz zwischen d und D in Schritt 270 kommt also zustande, wenn der tat sächliche Abstand in Fig. 15 bei weniger als domax liegt und V1 (domax) bei Start des Programms zurückgegeben wird. Die in Fig. 15 gestrichelte Kurve gibt diesen Wert für V1 wieder. Im folgenden zweiten Durchlauf wird dann der zutreffende Wert für die Treiberspannung V1 und daraus folgend der richtige Abstand d = D im Schritt 270 ge funden.
Im Schritt 280 (Y/J in Schritt 270) wird dann wie oben im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben die Amplitude amp bestimmt und im Schritt 290 der Albedowert berech net. Im Schritt 300 wird geprüft, ob weitere Bildpunkte zu erfassen sind und falls die zutrifft (Y/J in Schritt 300), zu Schritt 210 zurückverzweigt. Ansonsten endet der Pro grammablauf (Schritt 310). Anzumerken ist, dass in diesem dritten Ausführungsbeispiel die Anpassung der Laser leistung nicht erst bei Überschreiten der oberen Spannungsgrenze bzw. oberen Gren ze SiPM-MAX des dynamischen Bereichs 39 erfolgt sondern bereits dann, wenn über haupt eine Änderung gegenüber dem voreingestellten Abstand festgestellt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE:
1 , 1 ' Vorrichtung
10 Laserquelle
12 Laser-Lichtstrahl
14 Objektoberfläche
16 Detektor, Silicon Photomultiplier (SiPM-Sensor)
18 reflektiertes bzw. rückgestreutes Licht
20 zentrale Steuervorrichtung
22 Lichtlaufzeit (ToF)
24 Detektor-Array (SiPMs)
26 Linsenoptik
28 MEMS
30 Mikrospiegel
32 Drehrichtung des Mikrospiegels/Lichtstrahls
34 Diffuser
36 Mikrozelle (SiPM)
38 Sättigungsbereich (SiPM)
40 Sättigungsbereich (APD) (Vergleichsbeispiel)
42 Reichweitenvergrößerung durch SiPM
44 Senkung der Strahlungsleistung wg. Sicherheitsstandard
46 Ausschlussbereich
CD Diodenkapazität
LMAX maximal zulässige Strahlungsleistung (Laser)
RQ Quench-Widerstand
Rs Serienwiderstand (Si-Substrat)
S Schalter (Ersatzschaltbild)
100 Vorgeben eines ersten Werts für die Leistung der Laserquelle und eines zweiten Werts für den Gain des Detektors
110 Einstellen der Laserquelle und des Detektors, Erzeugen eines Pulses in der Laserquelle, und Erfassen des Pulses im Detektor gemäß den vor gegebenen Werten zur Ausgabe eines Spannungssignals Durchführen einer Abstandsbestimmung bzw. Prüfen, ob eines Ab- standsbestimmung möglich ist
Anpassen der Werte für Leistung der Laserquelle und/oder Gain des De tektors
Prüfen, ob das ausgegebene erste Spannungssignal im Sättigungsbe reich, d.h. nicht im dynamischen Bereich, liegt
Anpassen der Werte für Leistung der Laserquelle und/oder Gain des De tektors
Berechnen des Rückstrahlvermögens der betreffenden Objektoberfläche aus dem zweiten Spannungssignal
Start des Verfahrensablaufs, Bereitstellen Laserquelle, Detektor und Ob jektoberfläche
Vorgeben eines Startwertes für den Abstand d (z.B. max. Abstand dmax) Suchen eines Werts für die Treiberspannung V1(d) mit der die Laser quelle betrieben wird (Anpassen und/oder Einstellen eines Werts für die Leistung der Laserquelle)
Triggern der Laserquelle
Erzeugen eines Lichtpulses
Erfassen des von der Objektoberfläche reflektierten bzw. zurückgestreu ten Licht durch den Detektor und Ausgabe eines Spannungssignals Bestimmen des Abstands D aus dem ausgegebenen Spannungssignal Prüfen, ob d = D ist (d.h., ob der bestimmte Abstand gleich dem als
Startwert vorgegebenem Abstand ist)
Bestimmen der Amplitude ampl
Berechnen des Albedowerts
Prüfen, ob weitere Bildpunkte zu erfassen sind
Ende des Verfahrensablaufs

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Verfahren zum Bestimmen eines Abstands und Rückstrahlvermögens ei ner Objektoberfläche (14) unter Verwendung einer Licht (12) mit einer Leistung emittie renden Laserquelle (10) und eines Detektors (16), der das von der Objektoberfläche (14) reflektierte oder zurückgestreute Licht (18) mit einer Bestrahlungsstärke erfasst und abhängig davon ein zeitabhängiges Spannungssignal ausgibt, umfassend:
Einstellen (100, 1 10, 220, 230, 240) der Laserquelle, so dass dieser in wenigs tens einem Puls Licht mit einem vorbestimmten ersten Wert der Leistung emittiert,
Einstellen (100, 1 10) des Detektors, so dass dieser abhängig von der Bestrah lungsstärke des erfassten, reflektierten oder zurückgestreuten Lichts ein erstes Span nungssignal mit einem vorbestimmten zweiten Wert für einen Verstärkungsfaktor aus gibt,
Bestimmen (120, 260) eines ersten Betrags für den Abstand der Objektoberflä che aus einer dem ersten Spannungssignal zugeordneten und gemessenen Lichtlauf zeit,
Anpassen (130, 150, 220) des ersten Werts der Leistung der Laserquelle und/oder des zweiten Werts des Verstärkungsfaktors des Detektors abhängig von dem bestimmten ersten Betrag für den Abstand,
erneutes Emittieren (1 10, 240) von Licht durch die Laserquelle (10) und Erfas sen (1 10) des reflektierten oder zurückgestreuten Lichts (18) durch den Detektor (16) sowie Ausgabe (1 10) eines entsprechenden zweiten Spannungssignals unter Verwen dung des angepassten ersten und/oder zweiten Werts,
Bestimmen (120, 260) eines zweiten Betrags für den Abstand (d) der Objekt oberfläche (14) aus einer dem zweiten Spannungssignal zugeordneten und gemesse nen Lichtlaufzeit (ToF).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei
als Detektor (16) ein Silicon-Photomultiplier (SiPM) bereitgestellt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei als Laserquelle (10) ein im nahinfraroten Spektralbereich, vorzugsweise im Be reich der Wellenlängen von 840 nm bis 1.550 nm, arbeitender Laser bereitgestellt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
die Schritte des Verfahrens im Rahmen einer LiDAR-Anwendung im Bereich Fahrerassistenzsysteme oder Systeme für autonomes Fahren zur Abtastung verschie dener Objektoberflächen (14) einer Umgebung eines Fahrzeugs für den rechnerge stützten Aufbau eines dreidimensionalen Bildes der Umgebung wiederholt für einzelne Bildpunkte durchgeführt werden.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend:
Vorgeben eines ersten, oberen Spannungsgrenzwerts (SiPM-MAX) für eine
Spannung, unterhalb dessen (39) für den Detektor (16) ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der Bestrahlungsstärke des einfallenden Lichts (18) und einer infolgedessen ausgegebenen Spannung besteht, und oberhalb dessen (38) der Zusammenhang nicht-linear und/oder gesättigt ist,
Bestimmen einer Amplitude (ampl) des ersten Ausgangssignals,
Vergleichen (140) der Amplitude (ampl) mit dem Spannungsgrenzwert (SiPM-
MAX),
wobei bei dem Schritt des Anpassens (150) des ersten Werts der Leistung der Laserquelle (10) und/oder des zweiten Werts des Verstärkungsfaktors des Detektors (16) der Umfang der Anpassung abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs (140) durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei,
wenn die Amplitude (ampl) den Spannungsgrenzwert (SiPM-MAX) überschrei tet, die Anpassung eine Verringerung des ersten und/oder zweiten Werts beinhaltet, so dass im nachfolgenden Schritt (110) die Bestrahlungsstärke des einfallenden Lichts (12) im Detektor (16) reduziert und infolgedessen eine Amplitude (ampl) des zweiten Spannungssignals unter den vorgegebenen ersten Spannungsgrenzwert (SiPM-MAX) fällt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei
die Verringerung eine Reduzierung des ersten und/oder zweiten Werts um 50 % oder mehr beinhaltet.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
Vorgeben eines zweiten, unteren Spannungsgrenzwerts (SiPM_MIN) für eine Spannung, der für den Detektor (16) ein vorgegebenes Signal-Rauschverhältnis, vor zugsweise 2 dB oder mehr, weiter vorzugsweise ungefähr 10 dB oder mehr, gewähr leistet,
Bestimmen einer Amplitude des ersten Ausgangssignals,
Vergleichen der Amplitude mit dem zweiten Spannungsgrenzwert (SiPM-MIN), wobei der Schritt des Anpassens (150) des ersten Werts der Leistung der La serquelle und/oder des zweiten Werts des Verstärkungsfaktors des Detektors eine An hebung des ersten und/oder zweiten Werts beinhaltet, so dass im nachfolgenden Schritt (110) die Bestrahlungsstärke des einfallenden Lichts (12) im Detektor (16) re duziert und infolgedessen eine Amplitude des zweiten Spannungssignals über dem vorgegebenen zweiten Spannungsgrenzwert (SiPM-MIN) liegt.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
eine Funktion (V1 (d)) zwischen der Leistung der Laserquelle (10) und dem Ab stand (d) der Objektoberfläche (14) für eine fest ausgewählte Bestrahlungsstärke des Detektors (16) in Bezug auf das reflektierte und/oder zurückgestreute Licht (18) bereit gestellt wird,
wobei der für die Anpassung (220) vorbestimmte ersten Wert der Leistung und/oder der vorbestimmte zweite Wert für den Verstärkungsfaktor mit dem Argument des aus dem ersten Spannungssignal bestimmten ersten Betrags für den Abstand er mittelt und die Anpassung entsprechend dieser Funktion durchgeführt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei
vor dem Schritt des ersten Einstellens (220) der Leistung des Lasers und/oder des Verstärkungsfaktors des Detektors ein Startwert (domax) für den Betrag des Ab stands vorgegeben (210) wird, und in einem nachfolgenden Schritt (220) die Leistung und/oder der Verstärkungsfaktor aus der vorgegebenen Funktion ermittelt wird, an hand derer nachfolgend die Laserquelle (10) und/oder der Detektor (16) eingestellt werden können.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei
für die vorgegebene Funktion zwischen der Leistung der Laserquelle (10) und dem Abstand (d) der Objektoberfläche (14) eine untere Leistungsgrenze und eine obe re Leistungsgrenze festgelegt werden,
wobei für alle Abstände (d<domin) unterhalb des der unteren Leistungsgrenze zugeordneten Abstands (domin) lediglich der Wert der unteren Leistungsgrenze zurück gegeben und verwendet wird, und
wobei für alle Abstände (d>domax) oberhalb des der oberen Leistungsgrenze zu geordneten Abstands (domax) lediglich der Wert der oberen Leistungsgrenze zurückge geben und verwendet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei
die untere Leistungsgrenze einer minimalen Ausgangsleistung der Laserquelle entsprechend gesetzt wird, und/oder
die obere Leistungsgrenze entweder einem Sicherheitsstandard der Laserquelle entsprechend oder einer physikalischen Leistungsgrenze der Laserquelle entspre chend gesetzt wird, je nachdem welcher Wert geringer ist.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
nach dem Schritt des Bestimmens (120, 260) des zweiten Betrags für den Ab stand (d) der Objektoberfläche (14) aus einer dem zweiten Spannungssignal zugeord neten und gemessenen Lichtlaufzeit (ToF) ein weiterer Schritt des Bestimmens (160, eines Rückstrahlvermögens der Objektoberfläche (14) anhand des zweiten Span nungssignals und des bestimmten ersten und/oder zweiten Werts für den Abstand (d) durchgeführt wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei eine zweite Funktion ( yact ) bereitgestellt wird, welche eine linearisierte Antwort auf eine Amplitude des zweiten Spannungssignals angibt, mit der Form:
yact = - log (1 - amp / c1) c1 / c2,
wobei amp der Amplitude des zweiten Spannungssignals entspricht, und c1, c2 aus Messungen durch einen mathematischen Fit bestimmte Koeffizienten sind, und eine dritte Funktion ( yret ) bereitgestellt wird, welche eine linearisierte Refe renzantwort auf eine Amplitude des zweiten Spannungssignals in Abhängigkeit von einem Abstand der Objektoberfläche und einer Leistung der Laserquelle (10) angibt, mit der Form:
yref = a(d)· x,
wobei der Leistung der Laserquelle entspricht und a ein linearer Steigungsfak tor ist, der vom Abstand (d) abhängt und aus Messungen durch einen mathematischen Fit bestimmt ist,
wobei die linearisierte Antwort (yact) aus der durch Messung bestimmten
Amplitude des zweiten Spannungssignals berechnet wird,
wobei die linearisierte Referenzgröße (yref) aus dem ermittelten zweiten Wert für den Abstand (d) und der eingestellten Leistung der Laserquelle (10) berechnet wird, und
wobei das Rückstrahlvermögen berechnet wird aus einem Quotienten aus der linearisierten Antwort yact und der linearisierten Referenzgröße yref.
15. Vorrichtung (1 ) zum Bestimmen eines Abstands (d) und Rückstrahlver mögens einer Objektoberfläche (14), umfassend:
eine Licht (12) mit einer Leistung emittierenden Laserquelle (10),
einen Detektor (16), der das von der Objektoberfläche (14) reflektierte oder zu rückgestreute Licht (18) mit einer Bestrahlungsstärke erfasst und abhängig davon ein zeitabhängiges Spannungssignal ausgibt,
eine Steuervorrichtung (20), die eingerichtet ist, das Verfahren mit den Schritten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.
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