DE102004002936A1

DE102004002936A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE102004002936A1
Application number: DE102004002936A
Authority: DE
Inventors: Andreas Loewe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: DE102004002936B4

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere in Verbindung mit Kraftfahrzeugen vorgeschlagen, bei welchem ein mikromechanischer Spiegel, dessen Position von einer Steuereinheit veränderbar ist, eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere in Verbindung mit Kraftfahrzeugen.

Zur Entfernungsmessung werden unter anderem Messgeräte eingesetzt, bei denen ein Lichtimpuls bzw. ein moduliertes Lichtsignal ausgesendet wird, dieser Lichtimpuls bzw. dieses Lichtsignal von einem Objekt reflektiert wird und das zurücklaufende Signal wieder empfangen wird. Die Entfernung zum Messobjekt wird dann beispielsweise aus der Zeit vom Aussenden bis zum Eintreffen des Lichtpulses bzw. des modulierten Lichtsignals errechnet. Derartige Entfernungsmessgeräte werden auch für den Kraftfahrzeugeinsatz vorgeschlagen (z.B. JP 10-062 550 A). Für den Kraftfahrzeugeinsatz ist es erstrebenswert, die Entfernungen zu verschiedenen Objekten an verschiedenen Raumpositionen zu erfassen. Um dies zu erreichen, wird bei der bekannten Lösung der Lichtpuls bzw. das modulierte Lichtsignal über einen rotierenden Spiegel gesendet, so dass das Umfeld des Entfernungsmessgerätes abgescannt wird und Entfernungswerte in verschiedene Raumrichtungen ermittelt werden. Problematisch ist in einigen Einsatzgebieten, beispielsweise auch im Kraftfahrzeugeinsatz, dass die rotierenden mechanischen Komponenten aufgrund ihrer relativ großen Masse sehr erschütterungsempfindlich sind und somit nicht sonderlich langlebig. Um diesen Nachteil zu kompensieren wäre eine aufwändige und teure Verarbeitung der Messgeräte mit entsprechend großen Abmaßen und hohen Preisen notwendig. Ein derartiger Lösungsansatz ist daher für einige Einsatzgebiete, insbesondere für den Automobilbereich, nicht gangbar.

Aus der DE 198 22 142 A1 ist die Verwendung von mikromechanischen Spiegeln, sogenannten digitalen Mikrospiegeln (Digital Mirror Device, DMD), im Zusammenhang mit einem Scheinwerfer bekannt. Ein solcher Spiegel weist eine Vielzahl von elektrisch steuerbaren Spiegelelementen auf, die das auftreffende Licht abhängig von der Ansteuerung in unterschiedliche Raumrichtungen umlenken. Bei der bekannten Lösung wird durch den DMD die Lichtverteilung des aus dem Schweinwerfer austretenden Lichtbündels gesteuert.

Vorteile der Erfindung

Die Ausgestaltung eines Entfernungsmessers mit einem mikromechanischen Spiegel, insbesondere einem digitalen Mikrospiegel (DMD), führt zu einer günstigen, robusten Ausbildung eines solchen Entfernungsmessers. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die verschwindend kleine Masse des mikromechanischen Spiegels Erschütterungseinwirkungen und Beschleunigungskräfte auf das System sehr gering sind. Dadurch wird eine sehr präzise Lichtstrahlplatzierung bzw. Lichtpulsplatzierung auch unter rauen Bedingungen erreicht, so dass ein entsprechender Entfernungsmesser auch unter schwierigen Bedingungen wie im Automobilbau einsetzbar ist.

Durch die kleine Masse und die kleinen Abmaße des mikromechanischen Spiegels wird ferner eine sehr hohe Langlebigkeit des Gesamtsystems erreicht.

Besonders vorteilhaft ist, dass bei der Herstellung des mikromechanischen Spiegels ein Standardhalbleiterprozess eingesetzt werden kann, so dass der Spiegel sehr kostengünstig herzustellen ist. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, dass neben dem mikromechanischen Spiegel auf dem gleichen Substrat auch noch die Fotozelle angeordnet werden kann, die die reflektierten Lichtstrahlen bzw. Lichtpulse empfängt, so dass weitere Kostenvorteile sich ergeben.

Besonders vorteilhaft ist, dass sich durch die sehr geringen Abmaße der mikromechanischen Spiegel/Fotozellen-Einheit kompaktere Scannersysteme realisieren lassen, die sich insbesondere im Automobilbereich auch unter schwierigen Einbausituationen mit wenig Raumangebot einbauen lassen. Vorteilhaft dabei ist ferner, dass nur eine Sende-/Empfangseinheit benötigt wird, was sowohl Abmaße als auch Kosten weiter senken kann.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Anwendung eines solchen Entfernungsmesssystems bei Kraftfahrzeugen in Verbindung mit der Entfernungsmessung zu anderen Verkehrsteilnehmern, beispielsweise in Verbindung mit einer Einparkhilfe oder einem anderen, den Abstand zu Objekten auswertenden Fahrerassistenzsystemen.

Somit wird durch die beschriebene Vorgehensweise auf einfache, kostengünstige Weise ein 3D-Lichtscanner realisiert, der auch unter schwierigen Bedingungen wie im Automobilbereich einsetzbar ist und über Entfernungsmessung eine genaue Abbildung der Umgebung erfasst.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
1 zeigt dabei ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Entfernungsmesssystem unter der Verwendung von mikromechanischen Spiegeln, während in
2 ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Entfernungsmesssystems, welches einen mikromechanisches Spiegel umfasst. Unter einem mikromechanischen Spiegel wird dabei eine elektrisch ansteuerbare Spiegelanordnung verstanden, bestehend aus wenigstens einem, vorzugsweise aus einer Vielzahl von einzelnen Spiegelelementen, die abhängig von der Ansteuerung ihre Position ändern. Solche Spiegel sind z.B. als DMD (digital micro-mirror device) bekannt. Das in 1 dargestellte System umfasst einen Lichtsender 1, beispielsweise eine Laserdiode, und eine Steuereinheit 2, welche die Lichtquelle 1 ansteuert. Ferner ist ein halbdurchlässiger Spiegel 3 vorgesehen, auf den das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht fällt. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel tretende Licht fällt auf einen mikromechanischen Spiegel 4, der das Lichtsignal in eine bestemmte eingestellte Richtung reflektiert. Dann verlässt das Lichtsignal das Entfernungsmessgerät. Der mikromechanische Spiegel wird über Ansteuerleitungen X und Y und zugeordneten Digital-Analog-Wandlern 5 und 6 von der Steuereinheit 2 betätigt. Abhängig von der Größe des Ansteuersignals stellt sich X- und Y-Position des oder der Spiegelelemente ein. Das vom Messobjekt 7 reflektierte Lichtsignal bzw. Lichtpuls wird über den mikromechanischen Spiegel und den halbdurchlässigen Spiegel auf einen Lichtempfänger 8 abgebildet, vorzugsweise eine Fotodiode. Ferner ist ein Zeitmesser 9 vorgesehen, der bei Ansteuern der Lichtquelle 1 ein Startsignal, beim Empfang eines reflektierten Lichtsignal durch den Empfänger 8 ein Stoppsignal erhält. Die gemessene Zeit übergibt der Zeitmesser an die Steuereinheit 2, die auf der Basis der gemessenen Zeit die Entfernung des Messobjekts vom System ermittelt und über eine Ausgangsleitung 10 an nachfolgende Systeme, z.B. eine Einparkhilfe, zur weiteren Auswertung abgibt.
Die Funktionsweise der in 1 skizzierten Anordnung ist wie folgt. Die Steuereinheit 2 legt über ihre Digital-/Analogausgänge 5, 6 die Lage des Spiegels 4 fest. Anschließend wird von der Steuereinheit 2 über den Sender 1 ein Lichtpuls verschickt. Gleichzeitig mit dem entsprechenden Steuersignal wird der Zeitmesser 9 gestartet. Der vom Sender 1, beispielsweise einer Laserdiode, ausgesandte Lichtpuls durchdringt den halbdurchlässigen Spiegel 3 und wird anschließend mit Hilfe des mikromechanischen Spiegels 4 auf das Messobjekt 7 geworfen. Dort wird der Lichtpuls reflektiert und über den mikromechanischen Spiegel auf den halbdurchlässigen Spiegel 3 geworfen. Der mikromechanische Spiegel hat seine Position dabei nicht verändert. Der reflektiere Lichtpuls trifft vom halbdurchlässigen Spiegel 3 auf die Empfangsdiode 8. Der Detektor registriert dieses Lichtsignal und stoppt den Zeitmesser neu. Der gemessene Zeitwert wird dann in der Steuereinheit 2 in eine Entfernung umgerechnet, die dann über die Datenverbindung 10 an nachgelagerte Systeme zur Weiterverarbeitung übermittelt wird. Anschließend verändert die Steuereinheit 2 die Lage des Spiegels, um in einem anderen Raumbereich eine entsprechende Entfernungsmessung durchzuführen. Auf diese Art und Weise wird nach Maßgabe eines bestimmten Messplans die gesamte Umgebung der Messeinrichtung abgescannt. Die gemessenen Entfernungen werden beispielsweise im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen, wie beispielsweise Einparkhilfen, Blind-Spot-Detektion-Systeme, etc. eingesetzt. Die Steuerung des Spiegels sowie des Senders und Empfängers wird dabei mittels entsprechender Programme der Steuereinheit 2 vorgenommen. Wird innerhalb einer Maximalzeit vom Zeitmesser 9 kein Stoppsignal empfangen, so wird davon ausgegangen, dass innerhalb der vorgesehenen maximalen Messdistanz kein Objekt sich befindet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist anhand des Diagramms der 2 dargestellt. Sofern dort die gleichen Elemente mit der gleichen Funktion verwendet werden, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Wesentlich bei diesem Ausführungsbeispiel ist, dass der mikromechanische Spiegel und die Empfangsdiode 12 auf einem gemeinsamen Substrat 13 als ein Bauelement angeordnet sind. Dieses Bauelement (Spiegel/Fotodiode) wird dabei mittels eines Standardhalbleiterprozess (z.B. CMOS) hergestellt. Wie anhand 1 dargestellt steuert die Steuereinheit 2 über ihre Ausgangsleitungen Y und X die Lage des mikromechanischen Spiegels 11. Ferner wird von der Steuereinheit 2 der Zeitmesser 9 sowie der Lichtsender 1 angesteuert. Letzterer sendet einen Lichtpuls aus, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 auf den mikromechanischen Spiegel fällt. Dort wird der Lichtpuls in eine entsprechende Raumrichtung reflektiert, über eine in der Gehäusewand des Messinstruments 14 vorhandene Optik 15 gesendet, am Messobjekt 7 reflektiert, von dort wieder auf den mikromechanischen Spiegel 11 geführt. Dieser, dessen Position sich nicht verändert hat, reflektiert den Lichtpuls zum halbdurchlässigen Spiegel 3, welcher wiederum den Lichtpuls auf die Empfängerdiode 12 reflektiert. Diese gibt beim Empfang eines entsprechenden Impulses ein Stoppsignal an den Zeitmesser 9 ab, der die auf diese Art gemessene Zeit T an die Steuereinheit abgibt. Diese berechnet aus dieser Zeit, d.h. der Zeitdifferenz zwischen Senden und Empfang des reflektierten Lichtpulses die Entfernung des Messobjekts 7 und gibt diese an nachfolgende Systeme weiter, verstellt anschließend die Position des mikromechanischen Spiegels, so dass eine andere Raumrichtung gemessen wird. Wird innerhalb einer Maximalzeit vom Zeitmesser 9 kein Stoppsignal empfangen, so wird davon ausgegangen, dass innerhalb der vorgesehenen maximalen Messdistanz kein Objekt sich befindet. Auf diese Weise wird ein Lichtscanner realisiert, aus dessen Messergebnisse eine drei-dimensionale Abbildung der Umgebung ableitbar ist.
Wesentlich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass sich der mikromechanische Spiegel und die Empfangsdiode auf dem gleichen Halbleitersubstrat befindet, so dass lediglich ein integrierter Baustein für den mikromechanischen Spiegel (DMD) und die Empfängerdiode vorgesehen ist. Dieser integrierte Baustein hat als Anschlusspins wenigstens Anschlusspins für die Steuersignale für den mikromechanischen Spiegel und als Ausgangspin die Ausgangsleitung der Fotodiode. Als Herstellungsprozess für diese integrierte Bauelement werden Standardhalbleiterprozesse verwendet (z.B. CMOS), was die Kosten des Bausteins weiter verringert.
Vorstehend wurde die Funktionsweise der Anordnung anhand eine Entfernungsmessung mittels Pulslaufzeit beschrieben. Es versteht sich, dass alternativ mit Hilfe der beschriebenen Anordnung bzw. des beschriebenen Verfahrens eine Entfernungsmessung auch mit Hilfe eines modulierten Lichtsignals, insbesondere auf der Basis der Phasenverschiebung des modulierten Lichtsignals, in analoger Weise erfolgen kann.

Claims

Verfahren zur Entfernungsmessung, insbesondere in Verbindung mit Kraftfahrzeugen, wobei die Entfernungsmessung auf der Basis eines ausgesendeten und nach Reflexion an einem Messobjekt empfangenen Lichtsignals erfolgt, wobei ein mittels Ansteuerung durch eine Steuereinheit veränderbarer Spiegel eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel ein mikromechanischer Spiegel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des mikromechanischen Spiegels von einer Steuereinheit eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsmessung nach Maßgabe der Zeitdifferenz zwischen dem Senden und dem Empfangen des reflektierten Lichtsignals erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit den mikromechanischen Spiegel einstellt, ein Lichtsignal sendet und die Position des mikromechanischen Spiegels bis zum Empfang des reflektierten Lichtsignals oder eine maximalen Zeit beibehält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtsignal ein Lichtpuls oder ein moduliertes Lichtsignal ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung, mit einer Steuereinheit, welche einen elektrisch ansteuerbaren Spiegel betätigt, mit einem Lichtsender, welcher ein Lichtsignal aussendet, sowie mit einem Empfänger, welcher ein vom Messobjekt reflektiertes Lichtsignal empfängt, wobei die Steuereinheit die Entfernung auf der Basis des gesendeten und des reflektierten Lichtsignals bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Spiegel ein mikromechanischer Spiegel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanische Spiegel und der Empfänger auf einem einzigen Halbleitersubstrat integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitmesser vorgesehen ist, der mit Aussenden eines Lichtsignals gestartet, mit Empfang eines reflektierten Lichtsignals gestoppt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein halbdurchlässiger Spiegel vorgesehen ist, der den reflektierten Lichtpuls auf den Empfänger leitet.
Bauelement in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei das Bauelement einen Lichtempfänger, insbesondere eine Fotodiode und einen mikromechanischen Spiegel umfasst, wobei der Empfänger und der mikromechanische Spiegel auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind und das Bauelement Eingänge zur Ansteuerung des mikromechanischen Spiegels und Ausgänge zur Auskopplung des Signals des Empfängers umfasst.