CN104871029A - 具有微型机电系统的光学对象感测装置和具有这种感测装置的机动车辆 - Google Patents

具有微型机电系统的光学对象感测装置和具有这种感测装置的机动车辆 Download PDF

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CN104871029A CN201380067119.4A CN201380067119A CN104871029A CN 104871029 A CN104871029 A CN 104871029A CN 201380067119 A CN201380067119 A CN 201380067119A CN 104871029 A CN104871029 A CN 104871029A
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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆(26)的光学对象感测装置(1)，其具有用于将发射光束(5)发射的发射器单元(2)，具有用于将接收光束(8)接收的接收器单元(3)，并且具有用于取决于接收光束(8)来检测机动车辆(26)附近的车辆外部对象的电子评估装置，发射器单元(2)包括用于产生发射光束(5)的发射器(4)、发射光束(5)借助于其可以至少在第一摇动方向(10)上摇动的可控制微镜(11)、以及在发射束路径中被布置在微镜(11)后方的发射透镜(17)，其中至少沿着第一摇动方向(10)，发射透镜(17)被配置为具有朝向微镜(11)的凹弯曲表面(18)以及凸弯曲表面(19)的凹凸透镜。

Description

具有微型机电系统的光学对象感测装置和具有这种感测装置的机动车辆
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆的光学或光电对象感测装置，其具有用于将发射光束发射的发射器单元并且具有用于将接收光束(即由对象反射的发射光束)接收的接收器单元，并且具有用于作为接收光束的功能来检测机动车辆附近的车辆外部对象的电子评估装置。发射器单元包括用于产生发射光束的发射器(特别地是激光二极管)，可控制的微镜(所谓的“MEMS”)，借助于其发射光束可以至少在第一摇动(panning)方向上摇动，以及在发射束路径中被布置在微镜后方的发射透镜，并且由微镜偏离的发射光束通过其被发射。本发明还涉及一种机动车辆，即特别地是具有这种对象感测装置的汽车。
背景技术
在当前情况下，特别有兴趣的是在其中使用了微镜、即所谓的MEMS的激光扫描器，借助于所述微镜发射光线可以在被发射通过发射透镜之前偏移。现有技术中已经将这种微镜用于摇动发射束，目的是总体上实现相对宽的感测范围并且能够扫描相应宽的附近范围。借助这种对象感测装置，可以扫描机动车辆的附近，并且可以检测可能构成机动车辆障碍的附近的对象。
已知的是，例如从文档EP 2124069B1中，一种用于扫描机动车辆的附近的激光雷达系统。也是在该文档中，使用了MEMS镜，其被布置为使得可以在两个不同摇动方向上摇动，并且因此可以绕两个轴线摇动。该激光雷达系统还具有专用形状的“全方向”发射透镜，其使得在共用平面内、在不同空间方向上将发射束发射成为可能。在这种情况下，附近的感测因而被限制为三维空间的水平部分，使得在竖直方向上扫描是不可能的。该系统还具有的劣势是，在全方向透镜的情况下，发射束的功率是在不同方向之间划分的(split)并且因此需要能够检测非常低功率的接收束的非常灵敏的接收器。
MEMS镜还可以被用于现有技术中的非常不同的目的，也就是借助于投影仪产生图像。这种图像投影仪例如从文档US 2012/0069415A1和JP2007317109A中已知。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决方法，其可以相比较于现有技术改进在简介中提到种类的光学对象感测装置。
根据本发明，该目的由具有根据相应独立专利权利要求的一种对象感测系统、以及一种机动车辆实现。从属权利要求、说明书、以及附图涉及本发明的有利实施例。
根据本发明的用于机动车辆的光学对象感测装置包括用于将发射光束发射的发射器单元、用于将接收光束接收的接收器单元、以及用于作为接收光束的函数来检测机动车辆附近的车辆外部对象的电子评估装置。发射器单元具有用于产生发射光束的发射器，例如激光二极管。发射器单元还具有可控制的微镜(MEMS)，发射光束借助于其可以至少在第一摇动方向上摇动并且可以因此至少在第一摇动方向上扫描附近。这意味着微镜被布置为使得其可以至少沿第一摇动方向-例如在水平方向上摇动。发射器单元还包括发射透镜，其在发射束路径、或发射路径中被布置在微镜后方，并且由微镜偏离的发射光束因此通过其发射。至少沿着第一摇动方向，发射透镜被配置为凹凸透镜，其具有一方面的朝向微镜的凹弯曲表面，以及另一方面特别地朝向附近的凸弯曲表面。
本发明的一个方面因此提出发射透镜的使用，其至少在第一摇动方向上被配置为弯月(meniscus)透镜。这种弯月透镜具有一方面的凹表面并且因此是凹陷部，以及另一方面的凸表面并且因此是弯曲表面。这种发射透镜的使用特别地结合微镜尤其显得有优势。虽然不可能使用这种弯月透镜来进行全方向感测、或360°感测，如在根据文档EP 2124069B1的主题中实现的，但是借助于这种弯月透镜可能实现的是在第一摇动方向上的相对宽的感测范围或感测角度二者，并且也可能的是在垂直于其的第二方向上的附近的扫描。因此，附近的扫描不仅在沿着空间的水平部分是可能的，垂直于其也是可能的，即例如在竖直方向上。这种弯月透镜的一个巨大优势还在于与全方向感测相比较，其可以发射具有高辐射强度的发射光束，使得总体上可以使用较不灵敏的接收器，或接收光束仍具有可以不以巨大花费检测到的辐射强度。
特别地，发射透镜关于微镜以发射透镜的纵向光学轴线延伸通过微镜的方式布置。
至少沿着第一摇动方向，凹弯曲表面，即朝向微镜的发射透镜的表面的曲率半径小于凸表面的曲率半径。发射透镜有关于微镜的外表面因此比朝向微镜的发射透镜的内表面弯曲得少。该实施例克服了可用的MEMS镜通常可以摇动小于180°角度范围的问题。具体地，已知的MEMS镜通常可以在100°或更小的角度范围内摇动。因为可用的MEMS镜的偏移(excursion)因此被限制，所以本实施例提出发射透镜因此被配置使得其允许例如是180°的感测角或孔径角。借助发射透镜的对应形状，即使微镜的偏移是相应地有限的，也可以实现在第一摇动方向上的感测装置的较大的孔径角。这通过两个表面的不同曲率半径而变得可能。
因而可能的是，提供其中在第一摇动方向上的发射单元的感测角、或孔径角处于160°到180°的数值范围中，并且例如是180°。因此可能的是，借助单个对象感测装置来扫描机动车辆的特别大的感测范围。因此可能的是，借助单个感测装置来检测不仅位于例如盲点区域中的对象、还检测在驾驶方向上位于机动车辆前方的对象。对象感测装置可以因此用于机动车辆中的不同驾驶员辅助系统。
优选地，第一摇动方向是水平方向。当对象感测装置被安装时，微镜可以因此在水平方向上、即绕竖直轴线摇动。第一摇动方向因此是方位角方向。
当微镜被安装使得其可以在总体上的两个不同方向上摇动时，具体是，除了第一摇动方向之外，还在垂直于其延伸的第二摇动方向上摇动时，本发明的优势被完全开发。发射光束可以因此还在第二摇动方向上摇动。第二摇动方向因此优选地是竖直方向、或俯仰角方向，使得发射光束可以在水平和竖直方向二者上摇动，并且附近可以因此被水平地和竖直地扫描。特别地，在第二(竖直)摇动方向上的发射透镜的相应表面的曲率半径可以是相同的。然而，作为替代，曲率半径也可以是不同的-类似于沿着第一摇动方向-并且在这种情况下，例如，凹表面的曲率半径小于凸外表面的曲率半径。发射透镜因此优选地在第二摇动方向上也是弯月透镜。
优选地，发射器单元在第二摇动方向上的感测角小于在第一摇动方向上的感测角。特别地，因此，对象感测装置的方位角感测角大于俯仰角感测角。在该方式中，借助对象感测装置可以特别快速地检查机动车辆的相关附近区域中的可能存在的障碍，并且系统的反应时间特别短。
在一个实施例中，在第二摇动方向上的发射器单元的感测角处于例如5°到30°的数值范围中。该感测角可以例如是5°、或10°、或15°、或20°、或25°、或30°。
机动车辆的附近可以成列或成行地借助于光学对象感测装置来感测。在成列地扫描附近的情况下，发射光束在竖直方向上、交替地在竖直感测角的一个边缘和另一个边缘之间摇动，而在水平方向上发生较慢的微镜运动。在这种情况下，扫描过程正交于水平感测角而发生。在成行地扫描附近的情况下，相反地，发射光束在水平方向上、在水平孔径角的第一和第二边缘之间来回摇动，而微镜在竖直方向上移动得慢得多。在这种情况下，扫描过程因而平行于水平孔径角发生。因而，虽然在水平方向上执行微镜的多个摇动阶段，但是在相同的时间段过程中，微镜仅一次经过竖直方向上的全角范围的竖直感测角。
根据一个实施例，发射透镜形成发射器单元的壳体的一部分(例如，罩或盖)。借助于发射透镜，微镜因此被保护而免于外部影响。发射透镜因而满足两个不同的功能，也就是一方面是光学透镜的功能，并且另一方面是壳体部分的功能。
关于接收器单元的配置，可提供下列实施例：
当对象感测系统被安装在机动车辆中时，接收器单元可被布置在发射器单元的上方或在发射器单元的下方。这意味着接收器单元和发射器单元被布置为沿着竖直方向、或沿着车辆高度方向分布。
优选地，接收器单元包括多个接收元件，特别地是光电二极管，以及共用接收透镜，特别地是与发射透镜分离的，用于该多个接收元件，所述共用接收透镜在接收束路径中被布置在接收元件之前。接收透镜可被配置为具有凸弯曲外表面、并且具有凹弯曲内表面的凸凹透镜，其(凹弯曲表面)朝向接收元件。接收元件优选地是雪崩(avalanche)光电二极管。接收透镜因而同样地-至少在第一摇动方向上-是弯月透镜，其用于所有的接收元件。借助这种接收透镜，可以避免接收器的扫描，使得接收器中对应微镜的使用是多余的。。，。。
接收透镜和发射透镜优选地是彼此分离的相同的、或相似的透镜。因此，关于所使用透镜类型的花费是最小的。
然而，作为替代，也可提供被用作接收透镜和发射透镜的共用透镜。该共用透镜可继而覆盖微镜和接收元件二者。
当共有接收透镜被用于所有接收元件时，因为接收元件总是感测全部感测范围，所以会发生的是，信噪比总体上降低了。这导致相比于具有微镜的接收器的情况，显著多地暴露于外部光，而所接收的信号功率相比较于其接收器被扫描的系统而言仍是相同的。检测阈值将因此原则上不得不增大，这将导致感测装置的较低灵敏度。这又将导致较短范围。为了将其克服，根据一个实施例，接收元件被布置为沿着在第一摇动方向上延伸的曲率的假想线(imaginary line)分布。换句话说，接收元件被布置为沿着环形区段、或以环形区段的形状分布在接收透镜后方。该曲率的线可平行于接收透镜的凹表面延伸。通过该多个接收元件的分布实现的效果是，单个接收元件仅可以从特定的方向接收光，并且对于光的其他入射方向是“盲的”。为此原因，也接收到较少的外部光，并且信噪比总体上改进了。
为了进一步改进个体接收元件的该方向效果，每个接收元件还可以被分配分离的微透镜，其在接收束路径中被布置在相应的接收元件之前。这些微透镜因而被布置在一方面接收元件、与另一方面接收透镜之间。
本发明还涉及一种具有根据本发明的对象感测装置的机动车辆。
本发明的其他特征还可以在权利要求、附图、以及附图的描述中找到。上文描述中提到的所有特征和特征组合、以及下文对附图的描述和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可被用在分别指示的组合中，还可被在其他组合中或单独使用。
附图说明
本发明现将借助于优选示例性实施例、并且参照附图来更详细地解释，所述附图中：
图1以示意图示出了根据本发明的一个实施例的光学对象感测装置的方框图；
图2以示意图示出了根据一个实施例的对象感测装置的发射器单元；
图3以示意图示出了对象感测装置的接收器单元；
图4到7示出了配合机动车辆上的对象感测装置的各种各样的可能性；以及
图8到9以示意图示出了扫描附近的各种可能性，它们的区别在于按行扫描和按列扫描。
具体实施方式
图1中以示意图代表了根据本发明的一个实施例的光学对象感测装置1的方框图。对象感测装置1可被安装在机动车辆中，即例如汽车中。对象感测装置1总体包括发射器单元2(图2)和接收器单元3(图3)。发射器单元2包括发射器4，即，特别地是激光器，其被配置为产生发射光束5。发射光束5可因而是激光束。
在发射束路径中发射器4的下游布置有光学开关6，其具有两个功能：一方面，开关6可以传输发射光束5使得发射光束5可以传播至固定镜7。另一方面，开关6还可以将接收光束8偏离到至少一个接收元件9上。
固定镜7因而布置在发射束路径和接收束路径二者中。
为了在第一摇动方向10上摇动发射光束5，设置有微镜11(MEMS)，其借助于电子控制装置12驱动。微镜11可以因而偏离发射光束5、并且因而在第一摇动方向10上扫描附近13的较大区域。在发射束路径中，还有透镜布置14，其可例如包括发射透镜、以及可能地包括分离接收透镜。作为替代，可设置有共用透镜用于发射光束5和接收光束8二者。
固定镜7可选地可被省略，并且光可在开关6和微镜11之间直接地传播。在这种情况下，微镜11相对于开关6的布置将被相应地适应。
原则上，开关6的使用也是可选的。例如，发射束路径和接收束路径可完全地彼此解耦，使得微镜11仅被用于发射光束5，而分离微镜、或没有微镜被用于接收束路径8。
图1中仅通过示例的方式指示了透镜布置14。如已经提到的，该布置14可包括分离的发射透镜和接收透镜，或包括用于发射光束5和接收光束8的共用透镜。下文将更详细地描述示例性实施例，其中使用两个分离透镜，并且仅发射器单元2包括微镜11而接收器单元3没有这种微镜，使得接收光束8不摇动。
参照图2，发射器单元2包含产生发射光束5的发射器4。发射光束5传播通过透镜，可选地是微透镜15，其构成了发射光路系统(optics)。微透镜15被布置在一方面发射器4、与另一方面微镜11之间，其可以被摇动。微镜11被安装使得其可以绕垂直于图的平面延伸的轴线、在第一摇动方向16上摇动。发射光束5可以因此在第一摇动方向10上摇动。第一摇动方向10在这种情况下是水平方向，使得微透镜11被布置为使得其可以绕竖直方向摇动。图中的平面因为代表水平面。
附加地，微镜11还可以绕第二摇动轴线、也就是水平轴线摇动。发射光束5可以因此还在第二摇动方向-也就是竖直方向上摇动。发射光束5可以因此一方面沿方位角(水平方向)、并且另一方面沿俯仰角(竖直方向)摇动。
微镜11在摇动方向16上的偏移总体上被约束至例如90°或100°。继而，为了总体上实现在第一摇动方向10上的例如180°的发射器单元2的孔径角，使用发射透镜17，发射光束5通过其发射。该透镜17因而在发射光束5的传播路径中位于微镜11后方。在这种情况下，发射透镜17是弯月透镜并且具有朝向微镜11的凹弯曲的内表面18，以及凸弯曲外表面19。两个表面18、19可例如是球体的表面区域，凹表面18的曲率半径小于凸表面19的曲率半径。微镜11位于发射透镜17的中间光学纵向轴线上。
通过发射透镜17的这种配置可以实现的效果是，即使存在摇动方向16上的微镜11的有限偏移，也可以实现在第一摇动方向10上的总体上180°的孔径角。因为发射光线5在发射透镜17的相应表面18、19处的反射使得上述实现是可能的。如可以从图2中看出的，在微镜11的最外位置中，将发射光束5a发射为与又一发射光束5b成约180°是可能的。第二发射光束5b在微镜11的第二最外位置中被发射。
发射器4可产生具有可调频率、或速率的脉冲光束。然而，作为替代，原则上也可提供由发射器4产生的连续的发射光束5。
图3现在代表示例性接收器单元3，其被用于将接收光线8接收。优选地，在这种情况下没有在接收侧使用可摇动微镜11。相反，接收器单元包含多个接收元件9，它们例如被配置成雪崩光电二极管。每个接收元件9被分配为分离的透镜，可选地是微透镜20，它们被布置在相应的接收元件9的前方。接收器单元3具有用于所有接收元件9的共用接收透镜21，其特别地具有与发射透镜17相同的形状。接收透镜21因此是弯月透镜，也就是具有凸弯曲外表面22、以及朝向接收元件9的凹弯曲内表面23的凸凹透镜。凸外表面22具有大于凹内表面23的曲率半径。来自不同方向的接收光束8可以因此由接收器单元3接收。
在这种情况下，接收元件9被布置为沿着曲率的假想线、也即是沿着环形区段分布。接收元件9沿着平行于表面23延伸的假想线的这种环形分布具有的优势是，每个接收元件9可以接收仅来自有限空间方向的光，并且没有无关的(extraneous)光可以因此被耦合到个体接收元件9中。
由于接收透镜21的使用，接收器单元3也具有180°的孔径角，使得总体上光学对象感测装置1在水平方向上的感测角可以是180°。又在竖直方向上，微镜11在例如10°或15°的角度范围内摇动，使得对象感测装置的竖直感测角也相应地是10°或15°。
现提供关于附近13的扫描的两个可能性：参照图8和图9，机动车辆的附近13可成行或成列地感测。图8示意性地代表成行的附近13的扫描的时间轮廓。对象感测装置1的水平孔径角、或感测角由α表示，而竖直感测角由β表示。由图8中的附图标记24表示的线对应于从发射器单元2的视角看去的发射光束5的光点的时间轮廓。这里，发射光束5在水平方向上、或在第一摇动方向10上来回摇动，而微镜11在竖直方向上移动得慢得多。在这种情况下，附近13的扫描因而相对于水平感测角α横向地发生。
因此，图9示意性地表示按列的附近13的扫描。这里，附近13的扫描垂直于水平孔径角α，即在竖直方向上发生。在这种情况下，发射光束5在竖直方向上来回摇动比在水平方向上快得多。图9附加地代表示例性扫描点25，在所述扫描点处附近13可以借助于发射光束5被扫描。
图4到7现在更详尽地代表对象感测装置1在机动车辆26上的可能的安装位置、以及由其导致的感测区域27。在图4中，两个所述感测装置1被布置在机动车辆26的前方区域中。左对象感测装置1感测机动车辆26前方以及机动车辆26左手侧的附近13，而右对象感测装置1感测机动车辆26右手侧以及机动车辆26前方的附近13。对象感测装置1的范围是例如30m。另外，在机动车辆26的前方区域设置有在水平方向上具有较小感测角度的又一激光感测装置或雷达仪器。较窄感测区域这里由附图标记28表示。
在图5中，除了两个前方对象感测装置1之外，光学对象感测装置1附加地布置在机动车辆26的后方区域。其感测机动车辆26后方的附近区域3。
图6代表在前方区域和后方区域二者中分别具有对象感测装置1的机动车辆26。一个对象感测装置1对称地感测机动车辆26前方的附近13。相反地，另一个对象感测装置1感测机动车辆26后方的附近13。
最后，图7示出了具有共四个对象感测装置1的机动车辆26，然而他们具有稍微较小的水平感测角。在这种情况下，对象感测装置1感测机动车辆26的四个角旁的相应附近区域13。

Claims (12)

1.一种用于机动车辆(26)的光学对象感测装置(1)，其具有用于将发射光束(5)发射的发射器单元(2)并且具有用于将接收光束(8)接收的接收器单元(3)，并且具有用于作为所述接收光束(8)的函数来检测所述机动车辆(26)附近的车辆外部对象的电子评估装置，所述发射器单元(2)包括用于产生所述发射光束(5)的发射器(4)、所述发射光束(5)借助于其能够至少在第一摇动方向(10)上摇动的可控制微镜(11)、以及在所述发射束路径中被布置在所述微镜(11)后方的发射透镜(17)，
其特征在于，
至少沿着所述第一摇动方向(10)，所述发射透镜(17)被配置为凹凸透镜，所述凹凸透镜具有朝向所述微镜(11)的凹弯曲表面(18)并且具有凸弯曲表面(19)。
2.根据权利要求1所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
至少沿着所述第一摇动方向(10)，所述凹弯曲表面(18)的曲率半径小于所述发射透镜(17)的凸弯曲表面(19)的曲率半径。
3.根据权利要求1或2所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
在所述第一摇动方向(10)上的发射器单元(2)的感测角(α)处于160°到180°的数值范围中，并且特别地是180°。
4.根据前述权利要求中的一项所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
所述第一摇动方向(10)是水平方向。
5.根据先前权利要求中的一项所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
所述微镜(11)附加地被布置使得其能够在垂直于所述第一摇动方向(10)的第二摇动方向上摇动，使得所述发射光束(5)还能够在所述第二摇动方向上摇动。
6.根据权利要求5所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
在所述第二摇动方向上的发射器单元(2)的感测角(β)小于在所述第一摇动方向上的发射单元(2)的感测角(α)。
7.根据权利要求5或6所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
在所述第二摇动方向上的发射器单元(2)的感测角(β)处于5°到30°的数值范围中。
8.根据前述权利要求中的一项所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
所述发射透镜(17)形成所述发射器单元(2)的壳体的一部分。
9.根据前述权利要求中的一项所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
所述接收器单元(3)包括多个接收元件(9)、特别地是光电二极管，以及在所述接收束路径中布置在所述接收元件(9)前方的、用于所述多个接收元件(9)的共用接收透镜(21)，所述接收透镜(21)被配置为凸凹透镜，所述凸凹透镜具有凸弯曲表面(22)并且具有朝向所述接收元件(9)的凹弯曲表面(23)。
10.根据权利要求9所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
所述接收透镜(21)和所述发射透镜(17)是相同的透镜。
11.根据权利要求9或10所述的对象感测装置(1)，
其特征在于，
所述接收元件(9)被布置为沿着在所述第一摇动方向(10)上延伸的曲率的假想线分布。
12.一种机动车辆(26)，其具有根据前述权利要求中的一项所述的对象感测装置(1)。
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