DE10161233A1 - Sensoranordnung zur Abstands-oder Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Abstract

Eine Sensoranordnung zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung umfaßt üblicherweise eine Sendeeinheit zum Aussenden von Licht in einen Beobachtungsraum und eine Empfangseinheit zum Empfangen des im Beobachtungsraum an Objekten reflektierten Lichts. Das Licht wird dabei als gebündelter Lichtstrahl ausgesendet und mittels eines rotierenden Prismas über den Beobachtungsraum geschwenkt und das empfangene Licht wird über das Prisma einem Photodetektorelement zugeführt. Aus der Signallaufzeit des Lichts lassen sich dann die Abstände zu den Objekten und die Relativgeschwindigkeiten der Objekte ermitteln. Die neue Sensoranordnung soll mit geringem Aufwand herstellbar sein und geringe Abmessungen aufweisen. DOLLAR A Die neue Sensoranordnung weist eine Spiegelanordnung mit mindestens einem Fokussierungspunkt zur Fokussierung des empfangenen Lichts auf. Dem oder jedem Fokussierungspunkt ist ein Photodetektorelement und ein Lichtleiterelement zugeordnet, die derart angeordnet sind, daß Licht von dem oder dem jeweiligen Fokussierungspunkt über das zugeordnete Lichtleiterelement zum zugeordneten Photodetektorelement geleitet wird. DOLLAR A Pre-Crash-Sensor für ein Insassenrückhaltesystem für Kraftfahrzeuge.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Eine derartige Sensoranordnung ist beispielsweise aus der DE 41 15 747 C2 bekannt. Diese vorbekannte Sensoranordnung umfaßt eine Sendeeinheit zum Aussenden von Licht in einen Beobachtungsraum und eine Empfangseinheit zum Empfangen des im Beobachtungsraum an Objekten reflektierten Lichts. Das Licht wird dabei als gebündelter Lichtstrahl ausgesendet und mittels eines rotierenden planparallelen Prismas über den Beobachtungsraum geschwenkt und das empfangene Licht wird über das rotierende Prisma zu einem Photodetektorelement geleitet. Aus der Signallaufzeit des Lichts lassen sich dann die Abstände zu den Objekten und die Relativgeschwindigkeiten der Objekte ermitteln.
• Der wesentliche Nachteil dieser Sensoranordnung besteht darin, daß sie mit dem Prisma und der zur Rotation des Prismas erforderlichen Antriebsvorrichtung bewegte Teile aufweist, welche eine störende Geräuschquelle darstellen, einen erheblichen Bauraum beanspruchen und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug auftreten, aufweisen. Zudem ist die Herstellung der bewegten Teile mit einem erheblichen Kosten- und Arbeitsaufwand verbunden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist, die einen geringen Bauraum beansprucht und eine hohe Funktionssicherheit gewährleistet.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfaßt eine Sendeeinheit zum Aussenden von Licht in einen Beobachtungsraum und eine Empfangseinheit zum Empfangen des im Beobachtungsraum an Objekten reflektierten Lichts, wobei die Empfangseinheit eine Spiegelvorrichtung aufweist, die das aus dem Beobachtungsraum empfangene Licht in mindestens einem Fokussierungspunkt fokussiert. Die Spiegelvorrichtung weist hierzu vorzugsweise eine der Anzahl der Fokussierungspunkte entsprechende Anzahl von parabelförmigen Spiegelsegmenten auf. In der Empfangseinheit ist des weiteren dem oder jedem Fokussierungspunkt ein vorzugsweise als PIN- Photodiode ausgeführtes Photodetektorelement zur Detektion des fokussierten Lichts zugeordnet.
• Vorzugsweise ist dem oder jedem Fokussierungspunkt ein Lichtleiterelement zugeordnet, über das Licht von dem oder dem jeweiligen Fokussierungspunkt zum zugeordneten Photodetektorelement geleitet wird. Das oder jedes Lichtleiterelement ist dabei vorzugsweise über mindestens einen gegenüber dem Lichtleiterquerschnitt dünnen Steg mit einem aus dem gleichen Material gefertigten Lichtleiterhalter verbunden.
• Die Spiegelanordnung weist vorzugsweise mehrere Fokussierungspunkte auf, in denen Licht fokussiert wird, das jeweils aus einem von mehreren paarweise aneinander angrenzenden oder sich geringfügig überschneidenden Raumabschnitten des Beobachtungsraums empfangen wird. Zur Reduzierung des erforderlichen Bauraums kann die Spiegelanordnung dabei derart ausgebildet sein, daß das Licht in sich überschneidenden Lichtkeulen zu den Photodetektorelementen gelangt.
• Vorzugsweisen sind die Empfangseinheit und die Sendeeinheit auf unterschiedlichen Seiten einer Trägerplatte montiert, so daß die Sensoranordnung als kompakte Anordnung herstellbar ist.
• Die Sendeeinheit weist vorzugsweise eine gepulst betreibbare Laserdiode als Strahlungsquelle auf. Im Lichtweg des von der Laserdiode ausgesendeten Lichtstrahls ist vorzugsweise ein Lichtleiter vorgesehen, der einen sich in Lichtausbreitungsrichtung verbreiternden Querschnitt aufweist und eine Verbreiterung des Lichtstrahls bewirkt. Vorzugsweise weist die Sendeeinheit eine Fresnellinse auf, die den aus dem Lichtleiter austretenden Lichtstrahl der Laserdiode zu einem breitgefächerten Lichtstrahl verbreitert.
• Die Sensoranordnung eignet sich bestens für den Einsatz in Insassenrückhaltesystemen für Kraftfahrzeuge, beispielsweise in Airbagsystemen. Bei einem derartigen Einsatz wird die Sensoranordnung als Pre-Crash-Sensor verwendet, der Objekte detektiert, die sich dem Fahrzeug nähern. Es ist damit möglich, die Wahrscheinlichkeit eines drohenden Zusammenstoßes abzuschätzen und die Stoßempfindlichkeit des Insassenrückhaltesystems entsprechend der Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes zu steuern.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
• Fig. 2 eine Explosionsdarstellung Sensoranordnung aus Fig. 1,
• Fig. 3 ein Schnittbild durch die Sendeeinheit der Sensoranordnung aus Fig. 1.
• Gemäß Fig. 1 weist die Sensoranordnung eine Sendeeinheit 1, eine Empfangseinheit 2, eine Trägerplatte 3 und ein Gehäuse 4 auf. Die Sendeeinheit 1 sendet einen breitgefächerten Lichtstrahl in einen Raumabschnitt S eines Beobachtungsraum aus. Die Empfangseinheit 2 empfängt Licht, das in mindestens einem Raumabschnitt R des Beobachtungsraums an sich dort befindlichen Objekten reflektiert wird. Die Empfangseinheit 2 und die Sendeeinheit 1 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerplatte 3 montiert. Auf der Trägerplatte 3 sind auch Leiterbahnen aufgebracht, die für den Betrieb der Sendeeinheit 1 und Empfangseinheit 2 benötigt werden. Die Sendeeinheit 1, die Empfangseinheit 2 und die Trägerplatte 3 sind in dem Gehäuse 4 eingebracht, ein Fenster für das ausgesendete und empfangene Licht aufweist. Das Fenster kann dabei offen sein oder eine für das ausgesendete und empfangene Licht transparente Abdeckung aufweisen.
• Die Sensoranordnung ist hinter einer Windschutzscheibe 5 eines Kraftfahrzeugs montiert, vorzugsweise im Bereich des Innenspiegels, und sie dient als Pre-Crash- Sensor der Beobachtung eines Raumbereichs in der Umgebung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines in Fahrtrichtung bis zu einer Entfernung von ca. 15 m reichenden Raumbereichs.
• Die Arbeitsweise der Sensoranordnung entspricht der eines optischen Radars, d. h die Sendeeinheit 1 sendet Lichtimpulse aus und die Empfangseinheit 2 detektiert die daraufhin an Objekten reflektierten Lichtimpulse. Aus der Signallaufzeit der gesendeten und reflektierten Lichtimpulse und der Änderung der Signallaufzeit läßt sich dann der Abstand zu den Objekten bzw. die Relativgeschwindigkeit der Objekte berechnen.
• Gemäß Fig. 2 weist die Empfangseinheit 2 eine mit der Trägerplatte 3 starr verbundene Spiegelvorrichtung 20 auf. Die Spiegelvorrichtung 20 weist ihrerseits drei parabelförmige Spiegelsegmente 20a, 20b, 20c auf, die das aus dem Beobachtungsraum empfangene Licht in jeweils einem Fokussierungspunkt fokussieren. Denkbar sind jedoch auch Spiegelanordnungen 20 mit mehreren oder mit wenigeren Spiegelsegmenten.
• Die Empfangseinheit 2 weist ferner eine der Anzahl der Fokussierungspunkte entsprechende Anzahl von Photodetektorelementen 21a, 21b, 21c auf, die jeweils einem der Fokussierungspunkte zugeordnet sind. Die Photodetektorelemente 21a, 21b, 21c sind als PIN-Photodioden ausgeführt und auf der Trägerplatte 3 derart montiert, daß sie Licht detektieren, das im wesentlichen senkrecht auf die Trägerplatte 3 einfällt.
• Des weiteren weist die Empfangseinheit 2 eine einstückig ausgeführte Lichtleiteranordnung 22 auf, die ihrerseits für jeden Fokussierungspunkt der Spiegelvorrichtung 20 ein Lichtleiterelement 22a, 22b, 22c sowie einen Lichtleiterhalter 22d aufweist. Die Lichtleiterelement 22a, 22b, 22c sind dabei über Stege mit dem Lichtleiterhalter 22d fest verbunden. Die Stege sind gegenüber dem Querschnitt der Lichtleiterelemente 22a, 22b, 22c so dünn ausgeführt, daß lediglich ein geringer oder vernachlässigbarer der Anteil des Lichts aus den Lichtleiterelementen 22a, 22b, 22c in den Lichtleiterhalter 22d ausgekoppelt wird. Die Lichtleiterelemente 22a, 22b, 22c sind jeweils einem der Fokussierungspunkte der Spiegelvorrichtung 20 zugeordnet. Sie sind derart positioniert, daß das in den Fokussierungspunkten fokussierte Licht über das dem jeweiligen Fokussierungspunkt zugeordnete Lichtleiterelement 22a bzw. 22b bzw. 22c zu dem dem jeweiligen Fokussierungspunkt zugeordneten Photodetektorelement 21a bzw. 21b bzw. 21c geleitet wird. Das empfangene Licht wird in der Lichtleiteranordnung somit um nahezu 90° umgelenkt.
• Zwischen der Lichtleiteranordnung 22 und den Photodetektorelementen 21a, 21b, 21c ist eine Abschirmung 23 vorgesehen, die verhindert, daß das aus den Lichtleiterelementen 22a, 22b, 22c austretende Licht zu anderen als den jeweils zugehörigen Photodetektorelementen 21a bzw. 21b bzw. 21c gelangt.
• Die Anzahl der Fokussierungspunkte bestimmt die horizontale Ortsauflösung der Sensoranordnung, da jedes Spiegelsegment nur das aus einem bestimmten Raumabschnitt des Beobachtungsraums empfangene Licht in seinem Fokussierungspunkt fokussiert. So wird bei dem in Fig. 1 dargestellten Fall nur das aus dem Raumabschnitt R empfangene Licht zum Fokussierungspunkt des mittleren Spiegelsegments 20b fokussiert. Mit dem mittleren Photodetektorelement 21b läßt sich somit nur ein im Raumabschnitt R befindliches Objekt detektieren. Zu den übrigen Fokussierungspunkten wird Licht fokussiert, das aus Raumabschnitten empfangen wird, die an den Raumabschnitt R angrenzenden oder sich mit diesem teilweise überschneiden.
• Gemäß Fig. 3 umfaßt die Sendeeinheit 1 eine als Laserdiode 10 ausgeführte Strahlungsquelle, einen Lichtleiter 11 und eine Fresnellinse 12, die allesamt in einem Gehäuseteil 13 untergebracht sind.
• Der Lichtleiter 11 und die Fresnellinse 12 befinden sich im Strahlengang des von der gepulst betriebenen Laserdiode 10 ausgesendeten Laserstrahls. Der Lichtleiter 11 weist einen sich in Lichtausbreitungsrichtung verbreiternden Querschnitt auf. In ihm wird der Laserstrahl durch mehrfache Totalreflexion verbreitert, so daß das aus der Lichtaustrittsfläche 11a des Lichtleiters 11 austretende Licht nicht mehr auf eine der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode 10 entsprechende Fläche fokussierbar ist. Für eine zur Sendeeinheit 1 blickende Person wird damit die Gefahr einer Augenschädigung durch den Laserstrahl reduziert.
• Die Fresnellinse 12 bewirkt eine Verbreiterung des aus dem Lichtleiter 11 austretenden Laserstrahls zu einem breitgefächerten Lichtstrahl. Sie ist hierzu beidseitig mit einer Fresnelstruktur mit ebenen Wirkflanken versehen, wobei die Fresnelstruktur der einen Oberflächenseite eine horizontale Verbreiterung des Laserstrahls auf einen Winkel von beispielsweise 45° und die Fresnelstruktur der anderen Oberflächenseite eine vertikale Verbreiterung des Laserstrahls auf einen Winkel von beispielsweise 10° bis 12° bewirkt.
• Die Sensoranordnung wird in einem Insassenrückhaltesystem eines Kraftfahrzeugs als Pre-Crash-Sensor verwendet. In einem derartigen System besteht die Aufgabe der Sensoranordnung darin, Objekte zu detektieren, die sich dem Fahrzeug nähern. Durch Auswertung der Signallaufzeit des ausgesendeten und empfangenen Lichts läßt sich dann der Abstand zu den Objekten und die Relativgeschwindigkeit dieser Objekte ermittelten und die Gefahr abschätzen, ob es zu einem Zusammenstoß mit einem der Objekte kommt. Ist die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes hoch, wird die Auslöseschwelle des Insassenrückhaltesystems soweit reduziert, daß bereits ein geringer Stoß zu einer Auslösung von Rückhaltemitteln, beispielsweise eines Airbags, führt. Dies hat eine schnellere Auslösung der Rückhaltemittel und somit eine Erhöhung der bezweckten Schutzwirkung für die Insassen des Fahrzeugs zur Folge.

Claims (12)

1. Sensoranordnung zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung mit einer Sendeeinheit (1) zum Aussenden von Licht in einen Beobachtungsraum und mit einer Empfangseinheit (2) zum Empfangen von im Beobachtungsraum an Objekten reflektiertem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (2) eine Spiegelvorrichtung (20) zur Fokussierung des empfangenen Lichts in mindestens einem Fokussierungspunkt aufweist und daß in der Empfangseinheit (2) dem oder jedem Fokussierungspunkt ein Photodetektorelement (21a, 21b, 21c) zur Detektion des fokussierten Lichts zugeordnet ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinheit (2) dem oder jedem Fokussierungspunkt ein Lichtleiterelement (22a, 22b, 22c) zugeordnet ist, über das Licht von dem oder dem jeweiligen Fokussierungspunkt zum zugeordneten Photodetektorelement (21a, 21b, 21c) geleitet wird.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelvorrichtung (20) eine der Anzahl der Fokussierungspunkte entsprechende Anzahl von parabelförmigen Spiegelsegmenten (20a, 20b, 20c) aufweist.

4. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Lichtleiterelement (22a, 22b, 22c) über mindestens einen gegenüber dem Querschnitt des Lichtleiterelements dünnen Steg mit einem Lichtleiterhalter (22d) verbunden ist.

5. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelvorrichtung (20) mehrere Fokussierungspunkte aufweist, in denen Licht fokussiert wird, das jeweils aus einem von mehreren paarweise benachbarten oder sich teilweise überschneidenden Raumabschnitten des Beobachtungsraums empfangen wird.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelvorrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß das Licht in sich überschneidenden Lichtkeulen zu den Photodetektorelementen (21a, 21b, 21c) gelangt.

7. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Photodetektorelement (21a, 21b, 21c) als PIN-Photodiode ausgeführt ist.

8. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (2) und die Sendeeinheit (1) auf unterschiedlichen Seiten einer Trägerplatte (3) montiert sind.

9. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (1) eine gepulst betreibbare Laserdiode (10) als Strahlungsquelle aufweist.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (1) im Lichtweg eines von der Laserdiode (10) ausgesendeten Laserstrahls einen sich in Lichtausbreitungsrichtung verbreitenden Lichtleiter (11) zur Verbreiterung des Laserstrahls aufweist.

11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (1) eine Fresnellinse (12) zur Verbreiterung des aus dem Lichtleiter (11) austretenden Laserstrahls zu einem breitgefächerten Lichtstrahl aufweist.

12. Verwendung der Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche als Pre-Crash-Sensor in einem Insassenrückhaltesystem für Kraftfahrzeuge.