DE102005049471B4

DE102005049471B4 - Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung

Info

Publication number: DE102005049471B4
Application number: DE102005049471A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies
Original assignee: INGBUERO SPIES GbR VERTRETUNGS; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Current assignee: INGBUERO SPIES GbR VERTRETUNGS; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: DE102005049471A1

Abstract

Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung, bei dem die Entfernung nach dem Laufzeitprinzip von elektromagnetischen Impulsen gemessen wird, mit Sendeeinheiten, für mindestens zwei Wellenlängen, mit denen die zu vermessende Szene in Teilflächen beleuchtet wird, und der jeweiligen Wellenlänge zugeordneten Empfangssystemen, deren Detektoren über mindestens eine Spiegelmatrix nur mit der Empfangsleistung aus der beleuchteten Teilfläche beaufschlagt werden.

Description

Stand der Technik
Um Entfernungsmessungen in einem großen Winkelbereich durchzuführen, sind verschiedene Verfahren bekannt:

– Mehrkanalsysteme
– Umlaufende Systeme
– Systeme mit umlaufenden oder schwingenden Spiegeln
– Getaktete Empfänger mit Beleuchtung der Gesamtflächen durch eine Impulslichtquelle
– Beleuchtung der abzubildenden Szene mit selektiver Abschattung der Empfänger

Alle diese Systeme haben den Nachteil, dass sie entweder kleine Reichweiten aufweisen, extreme Leistungsanforderungen an die Sendebaugruppen stellen, aufwendig im Aufbau sind oder keine hohe Winkelauflösung bieten. Darüber hinaus müssen bei den meisten dieser Systeme relativ große Massen bewegt werden.

Derartige Systeme sind z. B. in folgende Schriften dargestellt:

– DE 101 56 282 A1
– DE 198 40 049 A1
– DE 101 46 692 B4
– DE 101 14 362 C2
– Bildsensorik mit Tiefgang: 3D-PMD-Sensoren für zukünftige Anwendungen in der Automobilsensorik von Dr. Bernd Buxbaum CEO PMDTechnologies GmbH (3. CTI Fachkonferenz Fahrerassistenzsysteme 15.–16. Februar 2005).

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Entfernungssensor zu erstellen, der für die Entfernungsmessung die Laufzeit elektromagnetischer Impulse nützt und eine gute Winkelauflösung bei gleichzeitig niedriger Sendeleistung und einfacher Aufbautechnik mit geringsten bewegten Massen gewährleistet und die Justage der Abbildung der jeweiligen Senderfläche auf die Empfangsdiode sowohl in der Endjustage als auch im Betrieb selbständig erfolgt. Zugleich soll die Detektierbarkei bei schlechten Sichtbedingungen, z. B. bei Nebel verbessert werden.

Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 6 beschrieben. Die Entfernungsmessung selbst erfolgt mittels Auswertung der Laufzeit von elektromagnetischen Impulsen z. B. nach einem der in DE 101 62 668 B4 und DE 197 17 399 C2 und DE 41 27 168 C2 beschriebenen Verfahren.
Um ein Entfernungsbild zu akquirieren wird entsprechend 1 als Sender z. B. eine Laserzeile 101 verwendet, bei der die einzelnen Laser nacheinander über den Treiber 104 angesteuert werden. Damit ist je nach Anzahl der Laser über den Spiegel 102 und die Sendelinse 103 der Raum mit einer Zeile abtastbar. Wird der Spiegel 103 über seine Steuereinheit 105 geschwenkt, so kann ein Raum in einem konstruktiv bedingten Winkelbereich von z. B. jeweils ±30° jeder Punkt in der Größe der Abbildung des einzelnen Lasers mit einem Lichtimpuls beleuchtet werden.
Das Empfangssystem besteht aus der Empfangslinse 111 einem steuerbaren Spiegelarray mit Mikrospiegeln 110, das von seiner Steuereinheit 114 so angesteuert wird, dass der Winkel einzelner oder bestimmter Mikrospiegel so eingestellt wird, dass ein gewünschter Ausschnitt aus der über die Empfangslinse 111 auf das Spiegelarray abgebildeter Umgebung auf die Sammellinse 109 geleitet wird, während der Rest auf den Absorber 125 geleitet wird.
Die so nun von der ausgewählten Fläche kommende Strahlungsleistung wird über die Sammellinse 109 parallel auf das Bandpassfilter 108 geleitet und nach diesem über die Sammellinse 107 auf den Detektor 106. Dieser Detektor 106 besteht aus einer einzigen Empfangsfläche. Damit kann er z. B. einfach als Avalanchediode ausgeführt werden. Dadurch wird das Signal-Rauschverhältnis bei kleinster Eingangsleistung selbst bei hoher Bandbreite sehr hoch. Das Signal an dem Detektor 106 wird dem regelbaren Vorverstärker 112 zugeführt, dessen Ausgang in der Signalakquisition und Timing-Einheit 113 in seiner Laufzeit ausgewertet wird. Zur Vereinfachung der Laufzeitauswertung wird auch der Treiber 104 von dieser Einheit 113 angesteuert.
Die Steuerung sowohl des Spiegels 102 als auch des Spiegelarrays 110 wird von der Spiegelsteuerung in der Einheit 119 vorgenommen. Von dieser Einheit 119 wird auch die Einheit Signalakquisition und Timing 113 angesteuert, sowie die Spiegelbewegungen, die Auswahl der Mikrospiegel auf dem Array 110 und die Auswahl des jeweiligen Lasers auf der Laserzeile 101 vorgenommen. In der Einheit 119 werden aus den Signalen die Daten wie Entfernung, Signalpegel und Sichtweite ausgewertet und der Einheit 120 zum Tracking der gefundenen Objekte zugeführt.
Der Schnittstellenbaustein 121 dient zur Stromversorgung des Systems und wird über die Gleichspannungsversorgung 122 gespeist und enthält auch die Schnittstellen für die Datenübertragung nach außen z. B. über CAN oder Ethernet 123.
Damit das Signal-Rauschverhältnis des Signals bei geringer Spitzenleistung der Laserdioden u. a. wegen Augensicherheit brauchbar ist, wird auf den Detektor 106 nur diejenige Fläche aus der Umgebung abgebildet, die von einem Laser für die Entfernungsmessung beleuchtet ist. Damit wird die Strahlung der anderen Flächen aus dem zu vermessenden Raum vollständig unterdrückt und erhöht damit nicht das Rauschen am Empfänger.
Für den Aufbau eines Entfernungsmess-Systems ist es zweckmäßig zwischen Sendelinse 103 und Empfangslinse 111 einen Achsenabstand 125 im Bereich zwischen 30 mm bis 100 mm vorzusehen. Dies verhindert eine zu starke Rückstreuung aus kurzen Abständen und erleichtert die Konstruktion. Bei vorliegender Erfindung muss nicht wie sonst die Zuordnung der auf den Detektor abgebildeten Flächen derart justiert werden, dass die Senderabbildung in allen Bereichen mit der Empfängerabbildung in etwa korreliert ist.
In der Fertigung kann diese Justage automatisch erfolgen indem dem Sensor – direkt oder über Simulation durch eine entsprechende Optik – Flächen im Fernbereich und Nahbereich in seinen Abtastbereich gebracht werden. Für jede Laserabbildung kann sehr schnell durch Ansteuerung der entsprechenden Mikrospiegel oder Durchlassöffnungen die Position maximaler Empfindlichkeit gefunden und in der Einheit 119 gespeichert werden. Sollte das System sich im Einsatz z. B. bei Einbau in ein Fahrzeug durch eine Dejustierung bei einem Unfall verändern, kann im normalen Fahrbetrieb durch abtasten naher und ferner Ziele eine autonome Justage des Systems durchgeführt werden und die neuen Daten wieder abgespeichert werden. Darüber hinaus kann mit dem System durch absichtliches Dejustieren über die Auswahl von Spiegeln, die nicht unmittelbar alle Energie aus der beleuchteten Fläche auf den Empfänger leiten, besonders im Nahbereich ein erhöhter Dynamikumfang erreicht werden, womit eine Übersteuerung des Empfängers vermieden wird.
Als Beispiel für eine Funktion ist die Abtastung mittels der Laserzeile 101 in 2 dargestellt. Die Laserzeile enthält z. B. 10 einzelne Laser 2001 bis 2010, die auf die zu vermessende oder zu beurteilende Umgebung über den steuerbaren Spiegel 102 und die Sendelinse 103 abgebildet werden. Der Spiegel 102 wird in einzelnen Schritten oder kontinuierlich so geschwenkt, dass die Laserzeile 101 z. B. in 10 Zeilen insgesamt z. B. 100 Punkte von 2001 bis 2100 abtastet. Bei einem kontinuierlichen Schwenken des Spiegels 102 werden die Laserpulse der Laserzeile 101 so synchronisiert, dass interessierende Flächenbereiche oder andere Zeilen abgetastet werden.
In 2a ist eine mögliche optische Anordnung dargestellt. Dabei wird die Laserzeile 101 über den Spiegel 102 und die Sendelinse 103 durch die Änderung des Spiegelwinkels auf die Umgebung abgebildet. Die beiden Positionen des Spiegels 201 und 201 korrespondieren mit den Zeilen 201 und 204 in 2.
In 3 ist die Spiegelfläche des Empfängers dargestellt. Es werden z. B. 100 Mikrospiegel von 3001 bis 3100 verwendet, gepunktet sind die zugehörigen Laserabbildungen z. B. im Fernbereich jeweils auf der Spiegelfläche eingezeichnet. Der Auswahlvorgang ist in 3a dargestellt. Aus Richtung der Empfangslinse 111 trifft die Lichtleistung auf das Mikrospiegelarray, der Spiegel 3033 ist in Ruhestellung und bildet das zugehörige Bildelement auf die Sammellinse 109 ab, während alle anderen Spiegel 3013, 3023, 3043, 3053 in diesem Teilausschnitt ausgelenkt sind und die dort auftreffende Lichtleitung auf den Absorber 125 geleitet wird. Die von dem Laser beleuchtete Fläche kann auch größer ausgeführt werden, als deren Abbildung auf den einzelnen Mikrospiegel oder Blende. Dadurch wird eine höhere Winkelauflösung erreicht und die auf den Empfänger gelangende Energie kann gesteuert werden. Diese Anordnung kann durch Aufweitung der Strahlen einer einzigen Laserzeile auch so gestaltet werden, dass der Abtastspiegel 102 z. B. in 1 völlig wegfällt.
Da bei Nutzung der gesamten Fläche des Spiegelarrays 110 die planparallelen Fläche der einzelnen Spiegel z. B. 3033 das Spiegelarray 110 je nach optischer Konstruktion z. B. einen Winkel von 10°–45° zum Strahlengang der Empfangslinse 111 aufweisen kann, müssen Vorkehrungen getroffen werden, dass die Umgebung auf das schrägstehende Spiegelarray 110 über die gesamte Fläche scharf abgebildet wird. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass im Verhältnis zur Brennweite der Empfangslinse 111 die Fläche des Spiegelarray 110 sehr klein ist oder dadurch, dass die Empfangslinse 111 so ausgebildet ist, dass sie über den Bereich des Spiegelarray 110 eine variable Brennweite aufweist z. B. für den Winkel 3b1 eine Brennweite f₁ entsprechend 3b2 und für den Winkel φ₁ 3b3 eine Brennweite von f₂ entsprechend 3b4 mit kontinuierlicher Änderung zwischen den Bereichen.
Letztere Vorkehrung ist dann sinnvoll, wenn in der Richtung der Verkippung des Spiegelarray 110 zur Strahlrichtung ein sehr großer Winkelbereich abgetastet werden soll. Der Winkel des Spiegelarrays 110 kann erfindungsgemäß auch genutzt werden um die nötige Entfernungs-Fokussierung oder Defokussierung z. B. im Nahbereich bei Anwendung in einem Fahrzeug vorzunehmen. Entsprechend 3c wird das Spiegelarray 110 asymmetrisch zu Achse 3c7 des Fernbereiches 3c5 angeordnet, damit ergibt sich ein kurzer Abstand f (fern) 3c1 von Empfangslinse 111 zum Spiegelarray 111 für die Fernfokussierung. Für den Nahbereich 3c4 mit seiner optischen Achse 3c8 wird die Fläche auf dem Spiegelarray 110 am oberen Ende abgebildet und damit ein größerer Abstand f (nah) 3c2 für die Fokussierung von z. B. auf die Fahrbahn 3c3 zu erreichen um Neigungen und Hindernisse zu erkennen.
Das gleiche System kann mit einem Matrixschalter z. B. unter Verwendung einer LCD-Matrix oder einer Matrix aus steuerbaren Mikroblenden bei denen in Analogie zu Mikrospiegeln jeweils eine mikromechanische Blende entweder elektrostatisch, thermisch, mechanisch oder magnetisch bewegt wird, entsprechend 3d aufgebaut werden. In diesem Fall wird die Umgebung über die Empfangslinse 111 auf den Matrixschalter 3d1 abgebildet. Das auf Durchlass geschaltete Bildelement z. B. 3d2 leitet die Lichtleistung auf die Sammellinse 109 von dort wird ein paralleles Lichtbündel geformt und über das Bandpassfilter 108 auf die Sammellinse 107 abgebildet, die das Lichtbündel auf den Detektor 106 fokussiert.
Die Erfindung kann für die Abtastung einer einzigen Zeile auch so gestaltet sein, dass anstelle der Laserzeile 101 nur eine einzige Laserdiode verwendet wird und als steuerbares Spiegelarray 110 nur eine Zeile aus steuerbaren Mikrospiegeln. Dabei bleibt die gesamte Elektronik 124 mit ihrem Schnittstellenbaustein 121 identisch.
In Weiterführung der Erfindung kann entsprechend 4 das steuerbare Spiegelarray 409 so betrieben werden, dass die Funktion für eine Wellenlänge λ1 der Abbildung und Beschreibung zu 1 entspricht jedoch alle ausgelenkten Mikrospiegel die Energie nicht auf einem Absorber 125 leiten, sondern auf ein zweites Empfangssystem, das aus der Sammellinse 414 dem Bandpassfilter 413, das für eine zweite Wellenlänge λ2 ausgelegt ist und der Sammellinse 412 mit nachfolgenden Detektor 411 besteht. Das System für die erste Wellenlänge besteht in Analogie zu 1 aus der Sammellinse 488, dem Bandpassfilter für die erste Wellenlänge 407 der Sammellinse 406 und dem Detektor 405. Für beide Wellenlängen wird das steuerbare Spiegelarray 409 und die Empfangslinse 410 verwendet.
In der dazugehörigen Sendeeinheit wird für die erste Wellenlänge λ1 die Laserzeile 401 und für die zweite Wellenlänge λ2 die Laserzeile 404 verwendet. Beide werden über den steuerbaren Spiegel 402 und die Sendelinse 403 auf die Umgebung abgebildet.
Beide Systeme funktionieren einzeln, wie für die 1 beschrieben nur werden sie nacheinander aufgesteuert, so dass bei der Wellenlänge λ1 die Laserzeile 401 aktiv ist und das steuerbare Spiegelarray die entsprechende relevante Fläche auf den Detektorzweig 408, 407, 406 und 405 abbildet und der Detektorzweig 414, 413, 412 und 411 inaktiv sind. Für die Wellenlänge λ2 wird die Laserzeile 404 aktiv aus der Steuereinheit 105 – entsprechend 1 – wird der Spiegel in seine Winkellage entsprechend korrigiert.
Im Empfängerzweig wird über das steuerbare Spiegelarray 409 die von der Laserzeile 404 entsprechend beleuchtete Fläche auf den Detektorzweig 414, 412 und 411 abgebildet und der Detektorzweig 408, 407, 406 und 405 inaktiv geschaltet. Damit können mit nur einem entsprechenden Entfernungsbildsensor zwei völlig verschiedene Wellenlängen benützt werden. Die ist z. B. in 5 dargestellt. Während die erste Wellenlänge heute üblich 905 nm (503) sein kann, kann als zweite Wellenlänge z. B. 9 μm (504) verwendet werden. Mit der Wellenlänge 504 z. B. 9 μm wird dichter Nebel ohne Probleme durchdrungen während mit der Wellenlänge 503 z. B. alle auf Fahrersicht ausgelegten Maßnahmen wie z. B. Reflektoren für den Sichtbereich sehr gut detektiert werden können. Die Wellenlängen können natürlich auch sehr eng zusammen liegen z. B. 905 nm und 1400 nm um für die Sichtweiten in Medien wie Nebel größere Reichweiten durch die unterschiedliche Dämpfung und Streuung und oder durch die Korrelation der Messeergebnisse zu erzielen.
6 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung. Die Sendeeinheit besteht wie in 5 aus zwei Laserzeilen 401 und 404 unterschiedlicher Wellenlängen oder sogar auch unterschiedlicher Pulsformen oder Spitzenleistungen, die über den steuerbaren Spiegel 402 und die Sendelinse 403 auf den zu vermessenden Raum abgebildet werden.
Die Empfangseinheit besteht aus der Empfangslinse 602, die die Umgebung auf das Spiegelarray 1 601 abbildet, das für die zweite Wellenlänge in jeder Spiegelposition durchlässig ist, z. B. für 905 nm spiegelnd und für 3 bis 5 μm durchlässig. Da die Brennweite für längere Wellenlängen bei gleicher Empfangslinse 602 länger ist, wird ein zweites steuerbare Spiegelarray 603 dahinter angeordnet. Für die erste Wellenlänge dient das steuerbares Spiegelarray 601 und der Detektorzweig 408, 407, 406 und 405. Während für die zweite Wellenlänge das steuerbare Spiegelarray 603 und der Detektorzweig 414, 413, 412 und 411 dient.
In ähnlicher Anordnung können, wie beispielhaft in 3d beschrieben, auch transmittierende und reflektierende Matrixschalter wie z. B. LCD's angeordnet werden um zwei unterschiedliche Wellenlängen zu detektieren.

Claims

Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung, bei dem die Entfernung nach dem Laufzeitprinzip von elektromagnetischen Impulsen gemessen wird, mit einer Sendeeinheit, die mindestens einen, eine Strahlung einer ersten Wellenlänge (λ₁) emittierenden ersten Laser (401) und mindestens einen, eine Strahlung einer zweiten Wellenlänge (λ₂) emittierenden zweiten Laser (404) umfasst, wobei die zu vermessende Fläche von beiden Lasern (401, 404) der Sendeeinheit über einen steuerbaren Spiegel (402) und eine Optik (403) jeweils in Teilfläche beleuchtet wird, mit einem ersten Empfangssystem mit einem Detektor (405) für Strahlung der ersten Wellenlänge (λ₁) und einem zweiten Empfangssystem mit einem Detektor (411) für Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ₂), wobei durch Abbildung der gesamten Fläche auf mindestens eine Spiegelmatrix (409, 601) durch Ansteuerung mindestens eines der Elemente dieser Spiegelmatrix auf Durchlass der Detektor (405) des ersten Empfangssystems nur von der beleuchteten Teilfläche beaufschlagt wird.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach Anspruch 1, bei dem die nicht auf Durchlass angesteuerten Elemente der Spiegelmatrix die empfangene Strahlung auf das zweite Empfangssystem leiten.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach Anspruch 1 mit einer zweiten Spiegelmatrix (603), auf die die Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ₂) abgebildet wird.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zuordnung der abgebildeten Sendeflächen zu einzelnen Spiegelflächen automatisch im Endabgleich oder während des Betriebes erfolgt.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die notwendige Schrägstellung der Spiegelmatrix zur optischen Achse der Empfangslinse so eingestellt ist, dass zugleich die Fokussierung der zu messenden Flächen auf die Spiegelmatrix für den Nah- und Fernbereich erfolgt.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Auswahl der zu empfangenden Teilflächen eine steuerbare Mikrospiegelmatrix verwendet wird.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswahl der Mikrospiegel derart erfolgt, dass für den Fernbereich die gesamte Rückstreuenergie auf den Detektor geleitet wird, während aus dem Nahbereich nur ein kleiner Teil auf den Detektor geleitet wird, um eine Übersteuerung zu vermeiden.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abbildungen der beleuchteten Einzelflächen größer sind als die Fläche eines einzelnen Elements der Spiegelmatrix.
Entfernungssensor mit Einzelflächenabtastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sendeeinheit mindestens eine Laserzeile (401, 404) aufweist.