DE102006045799B4

DE102006045799B4 - Abtastender Laserabstandssensor

Info

Publication number: DE102006045799B4
Application number: DE102006045799A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: DE102006045799A1

Abstract

Abtastender Laserabstandssensor mit mindestens einer Laserdiode und deren Abbildungsoptik, welche auf einem mechanisch bewegten Träger aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode vom Treiber über ein Spulenpaar, das durch zwei Ringspulen mit jeweils einer einzigen Windung ausgebildet ist, direkt nicht berührend induktiv gekoppelt ansteuerbar ist.

Description

Stand der Technik
Es sind eine Reihe von abtastenden Laserabstandssensoren bekannt und z. B. in den Patentschriften:

Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es abtastende Laserabstandssensoren nach dem Lichtlaufzeitverfahren mit schwingenden oder umlaufenden Lasern inklusive deren Projektionsoptiken zu ermöglichen wobei in der schwingenden oder umlaufenden Einheit nur wenige einfache Bauteile nötig sind. Damit ergeben sich niedrige Bauteilekosten und eine einfache und kostengünstige Justage und Fertigung. Darüber hinaus soll die Projektion des Lasers über den Drehwinkel der Abtastung in bezug auf die Drehachse konstant bleiben. Außerdem sollen sowohl axial als auch radial hohe Toleranzen zulässig sein. Diese Aufgabe wird mit einem Laserabstandssensor gemäß Anspruch 1 oder 2 gelöst.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 6 beschrieben.
Entsprechend 1 wird z. B. über eine bekannte Empfangsoptik 107 bestehend aus der Empfangslinse 108, dem Umlenkspiegel 109 und der mitlaufenden Schlitzblende 113 mit ihrem Träger 112, die abzutastende Umgebung auf die Empfangsdiode 110 abgebildet. Die Empfangsoptik 107 wird von einer Achse 106b des Motors 101 angetrieben. Erfindungsgemäß befindet sich auf der gleichen Achse 106a des Motors 101 die komplette Lasereinheit 102 mit der Laserdiode 104 und der Sendeoptik 105. Da für das Lichtlaufzeitverfahren nur sehr kurze Lichtimpulse benötigt und gewünscht sind, wird auf eine Ringspule 111 ein kurzer Stromimpuls aufgeprägt, der in der, damit gekoppelten Ringspule 103 den Stromimpuls für die Laserdiode liefert. Beide Ringspulen können für Laserimpulse von z. B. 10-15 ns Halbwertsbreite und Strömen bis z. B. 60 A sehr klein z. B. mit ca. 10-20 mm Durchmesser und einer einzigen Windung ausgeführt werden. Die Funktion ist in 1a dargestellt. Der Stromgenerator 114 prägt auf die Primär-Spule 111 einen Strom in der Halbwertsbreite 120 und der Amplitude 118 ein dabei ist die Zeitachse mit 115 und die Amplitudenachse mit 116 bezeichnet. Die Impulse 118 und 119 sind für Abstandsmessungen für das Impulslaufzeitverfahren geeignet. Über die gleiche Spulenanordnung können auch andere Signale wie z. B. Rechtecksignale wie in 118a und 119a gezeigt oder sinusförmige Signale übertragen werden, um für Nahabstandssensoren Systeme nach dem Phasenmessverfahren oder ähnlichen Verfahren zu ermöglichen.
In der Sekundärspule 103 wird ein Strom in gleicher Wirkrichtung erzeugt und steuert damit die Laserdiode 104 an, um eine Beaufschlagung der Laserdiode 104 mit einem Strom in Sperrrichtung zu vermeiden wird dieser Strom über die Sperrdiode 122 abgeleitet. Der Strom durch die Laserdiode ist im Diagramm bestehend aus der Zeitachse 115 und der Amplitudenachse 117 mit der Amplitude 119 gezeigt. In der Praxis sind nur sehr kleine Übertragungsverluste gemessen worden. Das ganze System 102 kann z. B. in Richtung 102a durchgehend gedreht werden um z. B. volle 360° durchlaufend abzutasten. Durch die induktive Kopplung sind sowohl in axialer als auch radialer Richtung große Toleranzen zulässig. Selbst bei Toleranzen um ±1 mm. Der Pulsgenerator 114 besteht z. B. vorzugsweise aus einem Transistor der im Lawinendurchbruch betrieben wird. Damit wird ein extrem niedriger Bauteileaufwand erreicht. Die Ausführungsformen der Übertragungsspulen sind als Beispiel in 1b dargestellt. So kann entsprechend 119 die Primärspule 111 aus einem flächenhaften Ring bestehen und auf eine Druckschaltung, einer Dickschichtschaltung oder sogar auf einem Siliziumsubstrat ausgeführt werden, wobei sich auf der gleichen Platine auch der Pulsgenerator 114 mit seinen Anschlüssen 120 befindet. Wird ein Siliziumsubstrat verwendet, kann auch der Pulsgenerator mitintegriert werden. Die Sekundärspule kann ebenfalls mit gleichen oder unterschiedlichen Materialien z. B. als Druckschaltung 121 mit dem Spulenring 103, der Laserdiode 104 und der Sperrdiode 122 ausgeführt werden. Wird für den Träger der Sekundärspule ein geeignetes Halbleitersubstrat verwendet, kann auf dem gleichen Substrat sowohl die Laserdiode als auch die Sperrdiode mitintegriert werden.
Die Elemente sind im Schnitt nochmals in 1b mit der Sekundärspule 121, der Laserdiode 104 und deren Abbildungsoptik 105 sowie mit der Primärspule 119 gezeigt. Um Abstrahlungen nach außen zu vermeiden oder die einlagigen Spulen sehr klein gestalten zu können z. B. bei einer Integration auf Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial kann die Übertragungseinheit bestehend aus der Primärspule 119 und der Sekundärspule 121 auch in zwei Schalen hoher magnetischer Permeabilität 135 und 136 eingebettet werden. Zur noch besseren Koppelung können diese Schalen auch in der mittleren Fläche der Spulen mit einem kleinen Luftspalt entsprechend 135a und 136a ausgeführt werden.
In 1c ist dargestellt, wie die Abbildung der Laserdiode für die Abtastung gestaltet werden kann.
In der Spalte 130 sind z. B. Winkelangaben von –72° bis +72° eingezeichnet. Wird das System z. B. für einen Precrash- oder Pretrigger-Sensor verwendet wird man die Laserdiode wie in 1 gezeichnet vertikal abbilden und damit die Umgebung mit einer Laserprojektion entsprechend eine Breite von 136 und einer Höhe von 137 beleuchten wobei bei gleichmäßig durchlaufenden Motor 101 z. B. im äußeren Winkelbereich von z. B. –72° bis –24° und von +24° bis +72° eine Messung nur alle 12° erfolgt z. B. mit der Messung 134 während im Winkelbereich von –12° bis +12° z. B. 13 Abtastungen mit der mittleren Abtastung 131 und den Grenzen 133a bis 133 erfolgt. Je nach Begegnungssituation kann sowohl die Mitte 131 und der Abtastbereich 133 und die jeweilige Grenze 133a und 133 symmetrisch oder unsymmetrisch gesteuert und gestaltet werden.
Zur Gestaltung z. B. eines Sicherheitsvorhanges oder einer genau definierten Ebene wird die Laserdiode 104 mit ihrer Emitterfläche senkrecht zur Drehachse wie 104b zeigt eingebaut. Damit entstehen Projektionen wie durch 137a horizontal und 136a vertikal dargestellt. Damit sind z. B. für die Abtastung von ±72° mit jeweils wenig Lücke nur noch z. B. 13 Messungen nötig.
Ein komplettes System z. B für eine Precrash-Anwendung ist in 2 dargestellt.
Der Motor 101 wird von der Systemelektronik 206 über die Schnittstelle 204 durch die Motorsteuerung 203 angesteuert. Er trägt auf der Achse 106b die Empfangsoptik bestehend aus Empfangslinse 108 und Umlenkspiegel 109 und bildet die Umgebung auf den Fotodetektor 201 ab, dessen Signal wird auf der Platine 201 vorkonditioniert und wird über die Schnittstelle 202 zur Systemelektronik 206 geleitet. Auf der anderen Seite der Achse 106a ist die Sendeoptik 105, die Laserdiode 104 mit ihren Emitterfläche 104a sowie die Sekundärspule 103 sowie die Sperrdiode 112 angebracht.
Die Laserdiode 104 ist in diesem Beispiel so eingebaut, dass die Emitterfläche 104a senkrecht zur Drehachse steht, damit wird über die Sendelinse 105 die Laserdiode als aufrechtstehendes Rechteck 210 auf die Szene abgebildet und behält seine Form über den Drehwinkel entsprechend 134 in 1c. Entsprechend 2a können aber auch andere strahlförmige oder Zeit- oder Wellenlängenumsetzende Elemente in den Strahlengang des Lasers 104 angebracht werden. Wie z. B. eine Kollimatorlinse 211 ein Festkörperlaser, ein Güteschalter und eine Zylinderlinse 214 zur Formung des Ausgangsstrahlen.
Die feststehende Primärspule 111 wird über den Pulsformer 114 angesteuert, der über die Schnittstelle 204 von der Systemelektronik getriggert wird. Im oder am Motor ist mindestens ein Lagesensor angebracht, der über die Motorsteuerung 203 der Systemelektronik die genaue Winkellage des Motors übermittelt.
Die Systemelektronik wertet die Abstände unter Berücksichtigung der Winkellage entweder nach dem Pulslaufzeitverfahren, wie z. B. in den Schriften

207

208

209

3

105

302

303

304

305

301

302

111

103

303

111a

103a

1b

Eine weitere Ausführungsform um z. B. 2 Laserdioden mit dem gleichen Spulenpaar 111 und 103 anzusteuern ist in 4 dargestellt. Der Impulsgenerator 405 liefert über der Zeitachse 406 und dem Amplitudenbereich 407 positive Impulse 408 und negative Impulse 409. An den Anschlüssen der Sekundärspule 103 sind die Laserdioden 401 und 404 mit ihren Sperrdioden 402 und 403 invers in Reihe geschaltet. Damit wird beim positiven Impuls 408 die Laserdiode 401 über die Sperrdiode 403 mit dem Impuls 411 angesteuert und beim negativen Impuls 409 die Laserdiode 404 über die Sperrdiode 402 mit dem Impuls 412.
Diese Impulse 411 und 412 sind über der Zeitachse 406 mit dem Amplitudenbereich 410 dargestellt.
Eine weitere Ausführung für die sequentielle Ansteuerung von mehreren Laserdioden mit einem Spulenpaar ist in 5 gezeigt. Das Spulenpaar 111 und 103, die wie z. B. in 1 aufgebaut sind, liefern gegenüber dem Punkt 513 an Punkt 512 negative Impulse wie im Diagram bestehend aus der Zeitachse 514 und den Amplitudenbereich 515 gezeigt.
Die Impulse 515a, 515b und 515n liefern sowohl die Energie für die Ansteuerung der Laserdioden 501, 502 und 502n als auch für eine Einheit 505, die nacheinander die z. B. Feldeffekttransistoren 503, 504 und 504n jeweils beim nächsten Impuls aufsteuert. Die Versorgung der Einheit 505, die z. B. aus einem rücksetzbaren Schieberegister oder einem Ringzähler bestehe kann, wird durch die Integration der Impulse 515 bis 515n über den Gleichrichter 508 und der Widerstand 509 sowie dem Kondensator 506 erreicht, wobei die Zehnerdiode 507 für die obere Begrenzung und Konstanthaltung der Versorgungsspannung sorgt. Das Weiterschalten auf die nächste Stufe erfolgt über den Widerstand 511 und die Schutzdiode 510 am Eingang der Einheit 505. Um die Einheit ohne Aufwand definiert zurückzusetzen wird z. B. nach Abgabe der Laserimpulse 515a bis 515n ein Impuls 516 mit sehr viel kleinerer Amplitude und wesentlich längerer Zeit über das Spulenpaar abgegeben. Die Rücksetzung der Einheit 505 kann aber auch mittels eines Hallgenerators erfolgen, der in einer bestimmten Winkellage des Systems einem Magnetfeld ausgesetzt wird oder z. B. durch einen Fotodetektor, der mit einem Lichtimpuls beaufschlagt wird.
Mit der Anordnung nach 5 können z. B. 16 Laser, die sich in einer Reihe befinden nacheinander angesteuert werden, damit die Umgebung gemäß 6 abgetastet werden kann. Dabei ist die Sendeeinheit, die alle Komponenten entsprechend 5 enthält im Rotor 102 untergebracht, dieser ist mit der Sekundärspule 103 versehen und tastet mit z. B. 16 Lasern die Umgebung durch Rotation in Richtung 602 ab. Die elektronische Abtastung gemäß der sequentiellen Weiterschaltung der Ansteuerung auf die jeweils nächste Laserdiode geschieht in Richtung 604 während die Drehrichtung des Rotors in Richtung 603 abtastet. Die einzelnen Laserabbildungen sind aus dem Bereich 606 heraus vergrößert und haben die Fläche z. B. 608×607 mit einem Abstand, bedingt durch die Verteilung der Laser auf dem Substrat von 609. Der Gesamte Winkel in der elektronischen Abtastrichtung 604 beträgt z. B. 610. Bei einer einfachen Empfängeranordnung gemäß 1 und 2 muss natürlich die Empfangsfläche des Detektors 110 so groß sein, dass alle Laser abgebildet werden können. Die Schlitzblende 111 dient dazu von der übrigen Detektorfläche Einflüsse wie Fremdlicht oder Sonneneinstrahlung fern zu halten. Ähnliche Abtastschemen können auch mit den Anordnungen gemäß 3 und 4 sowie mit Kombinationen aus Anordnungen gemäß 3, 4 und 5 erreicht werden

Claims

Abtastender Laserabstandssensor mit mindestens einer Laserdiode und deren Abbildungsoptik, welche auf einem mechanisch bewegten Träger aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode vom Treiber über ein Spulenpaar, das durch zwei Ringspulen mit jeweils einer einzigen Windung ausgebildet ist, direkt nicht berührend induktiv gekoppelt ansteuerbar ist.
Abtastender Laserabstandssensor mit mindestens zwei Laserdioden und deren Abbildungsoptiken, welche auf einem mechanisch bewegten Träger aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden vom Treiber über ein Spulenpaar direkt nicht berührend induktiv gekoppelt ansteuerbar sind, wobei die Ansteuerung mit dem gleichen Spulenpaar und zeitlich getrennt erfolgt.
Abtastender Laserabstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule aus einem flächenhaften Ring besteht.
Abtastender Laserabstandssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule auf einer Druckschaltung, einer Dickschichtschaltung, einem Siliziumsubstrat oder auf Glas ausgeführt ist.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule als Druckschaltung mit dem Spulenring, den Laserdioden und den Sperrdioden ausgeführt ist.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger der Sekundärspule ein Halbleitersubstrat ist, auf dem sowohl die Laserdioden als auch die Sperrdioden mitintegriert sind.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule auf einem Glassubstrat untergebracht ist.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden in ihrer Ausgangsleistung modulierbar sind.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden mit Impulsen ansteuerbar sind.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer einzigen Spulenpaaranordnung viele Laserdioden über einen Pulsformer ansteuerbar sind, wobei die Weiterschaltung von einem Laser zum nächsten über ein Schieberegister bewirkt wird und sowohl die Stromversorgung als auch die Weiterschaltung und Rückstellung über die gleiche Spulenanordnung erfolgen.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Sendeeinheit angebrachte Laserdiodenzeilen oder andere Anordnungen mehrerer Laserdioden sequentiell ansteuerbar sind, so dass die Umgebung durch Rotation der Sendeeinheit abtastbar ist.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Kopplung und Minderung der Abstrahlung die Spulen zusätzlich über Ferritplatten oder Topfkerne angekoppelt sind.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang der mitbewegten Laserdioden ebenfalls mitbewegte strahlformende Elemente eingefügt sind.
Abtastender Laserabstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang der mitbewegten Laserdioden ebenfalls mitbewegte Zeit- oder/und Wellenlängen formende Elemente eingefügt sind.