DE102008064652A1

DE102008064652A1 - Optical sensor for space scanning

Info

Publication number: DE102008064652A1
Application number: DE102008064652A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies
Original assignee: INGBUERO SPIES GbR; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Current assignee: INGBUERO SPIES GbR; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: DE102008019615B4; DE102008064652B4; DE102008019615A1

Abstract

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit wenig bewegten Teilen, die ausschließlich durch Federelemente gelagert sind. Die Optiken der Empfänger- und Sende-Einheiten sind so gestaltet, daß die Strahlengänge eine Parallaxe aufweisen, um Eigenblendung im Nahbereich zu vermeiden.Optical transit time sensor for room scanning with few moving parts, which are only supported by spring elements. The optics of the receiver and transmitter units are designed so that the beam paths have a parallax to avoid self-glare in the close range.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es sind eine Reihe von Sensoren bekannt, die einen Szenenraum abtasten. Diese Sensoren sind z. B. in folgenden Schriften dargestellt:
DE 101 14 362 C2
DE 101 46 692 B4
DE 10 2004 014 041 B4
DE 10 2005 055 572 B4
DE 10 2006 045 799 A1 There are a number of sensors known that scan a scene space. These sensors are z. As shown in the following documents:
DE 101 14 362 C2
DE 101 46 692 B4
DE 10 2004 014 041 B4
DE 10 2005 055 572 B4
DE 10 2006 045 799 A1

Alle diese Systeme verwenden zur Raumabtastung mindestens ein rotierendes Teil.All of these systems use at least one rotating part for space scanning.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es mit einfachen und preiswerten, optischen, elektronischen und mechanischen Komponenten eine Raumabtastung durch Entfernungsmessungen durchzuführen und möglichst wenig bewegte Teile und nur solche Teile zu benützen, bei denen ausschließlich Federn als Lagerung Anwendung finden. Darüber hinaus sollen die Strahlungsgänge von Sender und Empfänger eine Parallaxe aufweisen um Blendungen aus dem Nahbereich zu minimieren.The object of the invention is to carry out a spatial scanning by distance measurements with simple and inexpensive, optical, electronic and mechanical components and to use as few moving parts and only those parts where exclusively springs are used as storage application. In addition, the radiation paths of transmitter and receiver should have a parallax to minimize glare from the near range.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung wird anhand der 1 bis 8 beschrieben. Entsprechend 1 wird der Laser 101 mit einem oder mehreren Laserelementen über die Optik 102 auf eine Seite des Schwingspiegels 103 abgebildet und auf den Spiegel 104 projiziert. Von diesem Spiegel aus erfolgt über die Reflexion durch einen weiteren Spiegel 105 die Abbildung des oder der Laser auf die zu vermessende Szene mit dem, Strahlengang 106. Auf der anderen Seite des gleichen Schwingspiegels 103 wird die von den Objekten reflektierte Strahlungsleistung 109 auf die Empfangslinse 110 und über das Bandpassfilter 111 und die Blende 112 auf den einen oder mehrere Fotodetektoren 113 abgebildet.The invention is based on the 1 to 8th described. Corresponding 1 becomes the laser 101 with one or more laser elements via the optics 102 on one side of the oscillating mirror 103 pictured and on the mirror 104 projected. From this mirror, the reflection takes place through another mirror 105 the image of the laser or the laser on the scene to be measured with the, beam path 106 , On the other side of the same swinging mirror 103 becomes the radiant power reflected by the objects 109 on the receiving lens 110 and over the bandpass filter 111 and the aperture 112 on one or more photodetectors 113 displayed.

Wird der Schwingspiegel 103 über z. B. das Magnetsystem 107 und die Wicklung 108 um den Winkel 115 geschwenkt, werden sowohl der Laser 101 über den Strahlengang 106 als auch der Empfänger 113 über den Strahlengang 109 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Der Schwingspiegel 103 wir z. B. über die elastischen Bänder 103a und 103b in den Befestigungen 114a und 114b gehaltert. Die Kontrolle der Schwingungslage und der Amplitude und damit der Strahllage rfolgt dadurch, dass der Spiegel 106 einen aber sehr kleinen Teil der Strahlungsleistung auf die CMOS- oder CCD-Empfängerzeile 116 durchlässt.Will the vibrating mirror 103 over z. B. the magnet system 107 and the winding 108 around the angle 115 Panned, both the laser 101 over the beam path 106 as well as the receiver 113 over the beam path 109 imaged on the scene to be measured. The oscillating mirror 103 we z. B. over the elastic bands 103a and 103b in the fortifications 114a and 114b supported. The control of the vibration position and the amplitude and thus the beam position is due to the fact that the mirror 106 but a very small part of the radiation power to the CMOS or CCD receiver line 116 pass through.

Entsprechend 1a können auch die Empfangslinse 110 und das Filter 111 vor dem Schwingspiegel 117 angebracht werden. Dieser kann in zwei senkrecht zueinander angeordneten Achsen 115 und 118 geschwenkt werden und bildet die zu vermessende Fläche auf den Detektor 119 ab. Der Detektor 119 hat eine sehr kleine empfindliche Fläche 121, die über die Metallisierung 120 abgeblendet ist. Damit wird nur die vom Laser beleuchtete Fläche auf den Detektor abgebildet und damit das Signal-Rauschverhältnis wesentlich verbessert. Die Laserbeleuchtung erfolgt in einer Ausführungsform über den ebenfalls gesteuerten Spiegel 122 mit seinen Bewegungswinkeln 123 und 124 auf den der Laser 101 über die Sendelinse 102 projiziert wird. Die Steuerung des Spiegels 122 erfolgt durch die Optimierung des Signals in der Endjustage dadurch, dass ein entferntes Ziel direkt angemessen oder simuliert wird und die entsprechenden Daten in der Elektronik gespeichert werden. Beim Wirkbetrieb wird der Spiegel 122 in beiden Bewegungswinkeln anhand dieser Daten voreingestellt wobei die Position über die Optimierung der Signalstärke von fernen Objekten verbessert und wieder abgespeichert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform wird der Laser 101 über die Sendeoptik 102 auf die Rückseite des gleichen Spiegels 117 projiziert und über die Spiegel 104 und 105 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Die Lage des Laserstrahls wird durch die Einleitung eines Teiles der Laserleistung über Löcher 125 und 125a auf Fotodetektoren 126 und 126a ermittelt. Hierbei können mehrere solcher Lagesensoren über der Fläche des Spiegels 105 verteilt sein.Corresponding 1a can also use the receiving lens 110 and the filter 111 in front of the vibrating mirror 117 be attached. This can be in two mutually perpendicular axes 115 and 118 be pivoted and forms the surface to be measured on the detector 119 from. The detector 119 has a very small sensitive area 121 that about the metallization 120 is dimmed. As a result, only the area illuminated by the laser is imaged on the detector and thus the signal-to-noise ratio is substantially improved. The laser illumination is done in one embodiment on the also controlled mirror 122 with his movement angles 123 and 124 on the the laser 101 over the transmitter lens 102 is projected. The control of the mirror 122 is done by optimizing the signal in the final adjustment by directly appropriate or simulating a distant target and storing the corresponding data in the electronics. During active operation, the mirror 122 preset in both movement angles on the basis of this data, whereby the position can be improved and stored again by optimizing the signal strength of distant objects. In a further embodiment, the laser 101 via the transmission optics 102 on the back of the same mirror 117 projected and over the mirror 104 and 105 imaged on the scene to be measured. The position of the laser beam is through the introduction of a portion of the laser power through holes 125 and 125a on photodetectors 126 and 126a determined. In this case, a plurality of such position sensors over the surface of the mirror 105 be distributed.

Eine weitere Ausführungsform ist in 2 beschrieben. Der oder die Sender 101 werden über die Sendeoptik 102 auf die eine Seite des Schwingspiegels 103 abgebildet und von dort auf einen Spiegel 202 projiziert. Dieser Spiegel 202 weist eine derartige Krümmung auf, so dass bei Schwenken des Spiegels 103 um den Winkel 115 die Strahlengänge des Senders 203 und 207 jeweils die gleichen Ausgangswinkel zur Szene haben wie die Strahlengänge des Empfängers 109 in Ruheposition und 205 in ausgelenkter Position. Die Empfangseinheit ist dabei identisch wie in 1 beschrieben aufgebaut. Die Kontrolle der Schwingungslage und Amplitude erfolgt über die Detektion der Strahlung des Senders auf die Referenzdioden 209 und 209a, die dort jeweils über die Bohrungen 208 und 208a die am Spiegel 202 angebracht sind, gelangt.Another embodiment is in 2 described. The transmitter (s) 101 be via the transmission optics 102 on one side of the oscillating mirror 103 pictured and from there to a mirror 202 projected. This mirror 202 has such a curvature, so that upon pivoting of the mirror 103 around the angle 115 the beam paths of the transmitter 203 and 207 each have the same output angle to the scene as the beam paths of the receiver 109 in rest position and 205 in a deflected position. The receiving unit is identical as in 1 described constructed. The control of the vibration position and amplitude via the detection of the radiation of the transmitter to the reference diodes 209 and 209a that there over each of the holes 208 and 208a the at the mirror 202 are attached, passes.

Die Abtastung der Szene mit den beschriebenen Anordnungen kann damit entsprechend 3 erfolgen. Bei der Verwendung eines Lasers und eines Empfängers wird z. B. der Laser entsprechend Fig. 301a abgebildet, während der Empfänger wie 301b abgebildet wird. Durch Ansteuerung der Sender in Abhängigkeit von der Spiegellage kann der Winkelabstand zwischen zwei Abtastungen z. B. mit dem Abstand 307 eingestellt oder gewählt werden. Bei Verwendung von Zeilen für Sender und Empfänger werden nacheinander die Bereiche 301a/301b, 302a/302b und 304a/304b in Richtung 309 abgetastet während über den Schwingspiegel der Winkelbereich 306 überstrichen wird. Die Verwendung einer Laserzeile und einer Empfangszeile verbessert den Signal-Rauschabstand. Ein preiswerteres System ist auch nur mit einem Empfänger 310 für z. B. alle vier Laser zu gestalten.The scanning of the scene with the arrangements described can thus be corresponding 3 respectively. When using a laser and a receiver z. B. the laser according to FIG. 301 pictured while the recipient like 301b is shown. By controlling the transmitter in dependence on the mirror position, the angular distance between two scans z. B. with the distance 307 be set or selected. When using lines for sender and receiver are sequentially the areas 301 / 301b . 302a / 302b and 304a / 304b in the direction 309 while scanning over the oscillating mirror the angular range 306 is swept over. The use of a laser line and a receive line improves the signal-to-noise ratio. A cheaper system is synonymous only with a receiver 310 for z. B. to design all four lasers.

Einige Beispiele von Verfahren für die Ablenkung der Schwingspiegel sind in 4 dargestellt. Das elektromagnetische Verfahren benützt ein Joch 107a aus ferromagnetischem Material und einem Permanentmagneten 107 der bei dem ebenso ferromagnetischem Schwingspiegel 103 eine mechanische Vorspannung erzeugt. Durch Stromfluss durch die Spulen 108 wird der Schwingspiegel entweder in seiner Resonanz angeregt oder entsprechend durch den Ansteuerungsstrom ausgelenkt. Eine weitere Systemfamilie kann durch elektrostatisch bewegte in z. B. Silizium geätzte Spiegel realisiert werden. Der Spiegel wird durch die Fläche 403 dargestellt, der über die Halterungen 403a und 403b am Rahmen 402 elastisch gehaltert ist. Die Auslenkung erfolgt durch Anlegen einer gegenphasigen Spannung an den Elektroden 403 und 404 gegenüber der Spiegelmasse 402.Some examples of methods for deflecting the oscillating mirrors are in 4 shown. The electromagnetic method uses a yoke 107a made of ferromagnetic material and a permanent magnet 107 the at the same ferromagnetic oscillating mirror 103 generates a mechanical bias. By current flowing through the coils 108 the oscillating mirror is either excited in its resonance or deflected accordingly by the driving current. Another system family may be caused by electrostatically moving in z. B. silicon etched mirror can be realized. The mirror will pass through the surface 403 shown over the brackets 403a and 403b at the frame 402 is elastically supported. The deflection takes place by applying an anti-phase voltage to the electrodes 403 and 404 opposite the mirror mass 402 ,

Eine Weiterführung dieses Systems besteht darin, dass der Spiegel 417 über die Bänder 415 und 416 in einem Rahmen 414 elastisch aufgehängt ist und dieser Rahmen über die Bänder 412 und 413 elastisch im festen Rahmen 411 gelagert ist. Durch elektrostatische Kräfte, wie zum Spiegel 403 beschrieben, kann der Spiegel 417 in allen Winkelbereichen bewegt werden. Eine weitere Ausführungsform ist mit dem Spiegel 408 dargestellt. Um die elektrostatischen Kräfte zu erhöhen ist die Randzone des Spiegels mäanderförmig gestaltet und ebenso die Elektroden 409 und 410. Um hohe Frequenzen der Spiegelschwingung zu erreichen oder jeden Spiegel einzeln auszurichten, kann sowohl mit dem Spiegelsystem 403, 408 und 417 durch Anwendung von Halbleitertechniken eine ganze Matrix wie in 415 gezeigt hergestellt werden. Der Spiegel 403 kann auch auf einem piezoelektrischen Biegeschwinger 405 angebracht sein, der in der Befestigung 408 festgelagert ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 406 und 407 wird der Biegeschwinger 405 mit dem Spiegel 403 um den Winkel 115 ausgelenkt.A continuation of this system is that the mirror 417 over the tapes 415 and 416 in a frame 414 is elastically suspended and this frame over the bands 412 and 413 elastic in the fixed frame 411 is stored. By electrostatic forces, such as to the mirror 403 described, the mirror can 417 be moved in all angular ranges. Another embodiment is with the mirror 408 shown. In order to increase the electrostatic forces, the edge zone of the mirror is meander-shaped and also the electrodes 409 and 410 , To achieve high frequencies of mirror oscillation or to align each mirror individually, both with the mirror system 403 . 408 and 417 by applying semiconductor techniques a whole matrix as in 415 shown produced. The mirror 403 can also work on a piezoelectric bending vibrator 405 be installed in the fixture 408 is stored. By applying a voltage to the electrodes 406 and 407 becomes the bending vibrator 405 with the mirror 403 around the angle 115 deflected.

Eine weitere Ausführungsform ist in 5 beschrieben. Der Schwingspiegel besteht aus dem Rahmen 508 der über die Bandfedern 509 und 510 in den Befestigungen 511 und 512 gehaltert wird. Die Auslenkung des Rahmens 508 erfolgt über das Magnetsystem bestehend aus dem magnetisierten Joch 513 und den Spulen 514. Im Rahmen 508 ist ein Spiegelsystem mit einem großen Spiegel 103 und einem kleineren Spiegel 506 über die Bandfedern 504 und 504a gelagert. Dieses Spiegelsystem wird über das magnetisierte Joch 515 und die Spulen 108 ausgelenkt. Der Spiegel 103 ist starr mit dem Spiegel 506 verbunden. Der Rahmen und die Spiegel sind ferromagnetisch. Der Laser 101 wird über die Sendeoptik 102 auf den Spiegel 506 abgebildet von dort auf den Spiegel 518 und wird dann über den Spiegel 519 auf die Szene projiziert. Das Empfangssignal wird über den Strahlengang 516 auf den Spiegel 103 abgebildet und von dort über die Empfangsoptik 110 über das Filter 111 und die Blende 112 auf den Empfänger 113. Die Lage des magnetisierten Jochs 513 und des Jochs 515 sind in der Darstellung des Spiegels gestrichelt eingezeichnet.Another embodiment is in 5 described. The oscillating mirror consists of the frame 508 the over the band springs 509 and 510 in the fortifications 511 and 512 is held. The deflection of the frame 508 takes place via the magnet system consisting of the magnetized yoke 513 and the coils 514 , As part of 508 is a mirror system with a large mirror 103 and a smaller mirror 506 over the band springs 504 and 504a stored. This mirror system is over the magnetized yoke 515 and the coils 108 deflected. The mirror 103 is rigid with the mirror 506 connected. The frame and mirrors are ferromagnetic. The laser 101 is via the transmission optics 102 on the mirror 506 pictured from there on the mirror 518 and then gets over the mirror 519 projected onto the scene. The received signal is transmitted via the beam path 516 on the mirror 103 imaged and from there via the receiving optics 110 over the filter 111 and the aperture 112 on the receiver 113 , The location of the magnetized yoke 513 and the yoke 515 are shown dashed in the representation of the mirror.

Werden die Spiegel um den Winkel 115 bewegt, bewegen sich die Strahlengänge 516 und 517 in gleicher Weise und im gleichen Winkel über die zu vermessende Szene z. B. im Azimut. Wird der Rahmen 508 um den Winkel 520 bewegt, bewegen sich der Senderstrahl von z. B. 517 auf 517a und Empfängerstrahl von 516 auf 516a also im gleichen Winkel z. B. in Elevation. Damit kann die gesamt zu vermessende Szene flächenhaft abgetastet werden. Zur Vermeidung einer direkten Leistungsübertragung ist die Sendeeinheit durch eine optische Abschirmung 507 von der Empfangseinheit getrennt. Die großflächigen Spiegel entsprechend 1, 2 und 5 können einfach aus Federstahl durch Ätzen hergestellt werden. Bei den spiegelnden Oberflächen reicht für die meisten Anwendungen eine Politur aus. Zur Erzielung sehr guter optischen Eigenschaften, können die Oberflächen mit entsprechenden Materialien bedampft und poliert werden. Um hohe Abtastfrequenzen zu erreichen, kann dieses System auch als Matrix aus mikromechanischen Spiegeln ausgeführt werden, die wie in 4 beschrieben elektrostatisch angesteuert werden. Die Halterung des z. B. im Azimut bewegten Rahmens 508a ist 512a. In z. B. Elevation wird der Spiegel 506a bewegt und über ihn wird der Laser 101 mit seiner Optik 102 abgelenkt. Die übrigen Spiegel 103a dienen zur Abtastung des Empfangssignals und ersetzen dort den Spiegel 103.Will the mirrors be around the angle 115 moves, move the beam paths 516 and 517 in the same way and at the same angle over the scene to be measured z. B. in azimuth. Will the frame 508 around the angle 520 moves, the transmitter beam of z. B. 517 on 517a and receiver beam of 516 on 516a So at the same angle z. In elevation. Thus, the entire scene to be measured can be scanned areally. To avoid direct power transmission, the transmitting unit is provided by an optical shield 507 disconnected from the receiving unit. The large mirrors accordingly 1 . 2 and 5 can be easily made from spring steel by etching. The reflective surfaces are usually polished for most applications. To achieve very good optical properties, the surfaces can be steamed and polished with appropriate materials. In order to achieve high sampling frequencies, this system can also be implemented as a matrix of micromechanical mirrors, which, as in 4 be described electrostatically controlled. The holder of z. B. in the azimuth moving frame 508a is 512a , In z. B. Elevation becomes the mirror 506a moves and over him becomes the laser 101 with its optics 102 distracted. The remaining mirrors 103a are used to sample the received signal and replace the mirror there 103 ,

Eine weitere Ausführung ist in 6 dargestellt. Der Laser 101 wird über die Sendeoptik 102 auf den Spiegel 601 projiziert. Dieser Spiegel kann wie der Spiegel 411 in 4 beschrieben in alle Richtungen geschwenkt werden. Damit kann mit dem Laser über den Strahlengang 609 die zu untersuchende Szene abgetastet werden. Für die Empfängerfunktion werden alle Spiegel der Spiegelmatrix 608 so nachgesteuert, dass die vom Laser beleuchtete Fläche mit dem Strahlenbündel 602 über das Filter 111 auf den Detektor 607 abgebildet wird. Die Spiegelmatrix 608 wird z. B. in Silizium oder einem anderen geeigneten Material als mikromechanische Matrix dargestellt und enthält z. B. 100 Spiegel. Wird die Fläche des Detektors 607 etwas größer ausgeführt als die projizierte Fläche eines Spiegels, so entfällt eine zusätzliche Optik. Im Beispiel sind in der Matrix nur 4 Spiegel dargestellt. 411a, 411b, 411c und 411d, die die einzelnen Strahlengänge 603, 604, 605 und 606 des Strahlenbündels 602 so ablenken, dass diese alle über das Filter 111 auf den Detektor 607 fokussiert werden.Another version is in 6 shown. The laser 101 is via the transmission optics 102 on the mirror 601 projected. This mirror can be like the mirror 411 in 4 be swung described in all directions. This can be done with the laser through the beam path 609 the scene to be examined is scanned. For the receiver function, all mirrors become the mirror matrix 608 so nachgesteuert that the area illuminated by the laser with the beam 602 over the filter 111 on the detector 607 is shown. The mirror matrix 608 is z. B. in silicon or other suitable material as a micromechanical matrix and contains z. B. 100 mirrors. Will the Area of the detector 607 made slightly larger than the projected area of a mirror, so eliminates additional optics. In the example only 4 mirrors are shown in the matrix. 411a . 411b . 411c and 411d representing the individual beam paths 603 . 604 . 605 and 606 of the beam 602 so distract them all over the filter 111 on the detector 607 be focused.

Auf den Spiegel 601 kann aber zugleich ein zweiter Laser 101a von anderer Wellenlänge oder Art als der Laser 101 mit seiner Sendelinse 102a projiziert werden. Bei entsprechender Winkelstellung des Spiegels 601 wird der Laser auf die gleiche Szene mit dem Strahlengang 609a abgebildet wie ursprünglich der Laser 101. Auf der Empfängerseite kann das vom Objekt zurückgestrahlte Strahlenbündel 602a durch entsprechende Einstellung der Winkellage der Spiegel 411a, 411b, 411c und 411d auf einen weiteren Detektor 607a über ein geeignetes Filter 111a projiziert werden. Auf diese Weise können mit dieser Anordnung mehrere Laser mit unterschiedlicher Wellenlänge für die Abtastung einer Szene benützt werden. Auf gleiche Weise können auch bei den Anordnungen nach 1, 2 und 5 mehrere Wellenlängen oder Arten von Lasern und Empfängern benützt werden. Um die Übersichtlichkeit der Figuren nicht einzuschränken wurde diese Methode nur in 6 dargestellt.On the mirror 601 but can also be a second laser 101 of different wavelength or type than the laser 101 with his transmitter lens 102 be projected. With appropriate angular position of the mirror 601 the laser is on the same scene with the beam path 609a pictured as originally the laser 101 , On the receiver side, the beam reflected back from the object 602a by appropriate adjustment of the angular position of the mirror 411a . 411b . 411c and 411d to another detector 607a via a suitable filter 111 be projected. In this way, multiple lasers of different wavelengths can be used for the scanning of a scene with this arrangement. In the same way can also with the arrangements after 1 . 2 and 5 several wavelengths or types of lasers and receivers are used. In order not to restrict the clarity of the figures, this method was only in 6 shown.

Mit diesem System kann durch die Auswahl der Anzahl oder der Lage der Spiegel die für die Projektion auf den Detektor benützt werden insbesondere im Nabereich oder bei stark reflektierenden Zielen die Signalstärke gezielt gesteuert werden.By selecting the number or position of the mirrors that are used for the projection onto the detector, this system can be used to specifically control the signal strength, particularly in the low range or in the case of highly reflective targets.

Durch die Projektion der Rückstreuleistung auf den Detektor über die Spiegelmatrix ergeben sich folgende Vorteile:

– Für die Endjustage ist nur noch die Fokussierung der Sendelinse 107 notwendig. Alle anderen Justagen können automatisch vorgenommen werden.
– Während der Betriebszeit des Sensors wird durch statistische Auswertung der Signale bei verschiedenen Objektständen eine Optimierung und Nachjustage möglich.
– Das System kann für einen sehr weiten Wellenlängenbereich von ca. 300 nm bis ca. 4 mm benützt werden.
– Durch statistische Auswertung während des Fahr- oder Flugbetriebes kann die Abstimmung der Fahrzeug- oder Flugzeugtrajektorie mit der Sensorhauptrichtung vorgenommen werden.

The projection of the backscatter power onto the detector via the mirror matrix offers the following advantages:

- For the final adjustment is only the focus of the transmission lens 107 necessary. All other adjustments can be made automatically.
- During the operating time of the sensor, an optimization and readjustment becomes possible by statistical evaluation of the signals at different object states.
The system can be used for a very wide wavelength range from about 300 nm to about 4 mm.
- By statistical evaluation during driving or flight operation, the vote of the vehicle or aircraft trajectory can be made with the main sensor direction.

Das Blockschaltbild der Systeme nach 1 und 2 ist in 7 dargestellt. Die Sendediode oder Sendedioden 101 werden über den Pulsformer 702 und bei einer Laserzeile oder unterschiedlichen Lasern zusätzlich über einen Multiplexer angesteuert und über die Sendelinse 102 auf das jeweilige Spiegelsystem hier mit 701 gekennzeichnet abgebildet. Die Empfangsdiode oder die Empfangsdiodenzeile 103 erhalten die rückgestreute Leistung über das Spiegelsystem 701, die Empfangsoptik 110 und das Bandpassfilter 111. Die Ausgangssignale werden in der Stufe 703 verstärkt und bei Verwendung einer Diodenzeile oder unterschiedlicher Detektoren 103 auch gemultiplext. Die Signale und Steuerbefehle werden über die Verbindungen 708 und 709 der Einheit 704 geführt. Die Einheit 704 beinhaltet die Zeitsteuerung, Signalakquisition und Signalauswertung. In der Einheit für die Spiegelsteuerung und Zielverfolgung (Tracking) 705 wird über die CMOS-Zeile 116 mit der Schnittstelle 710 oder über die Lagedetektoren 209 und 209a der Spiegel in seiner Amplitude, Frequenz und gegebenenfalls Phasenlage zu den Pulsen für die Abstandsmessungen über den Spiegeltreiber 714 durch die Schnittstelle 715 gesteuert. Der Spiegeltreiber ist mit dem Bus 707 mit dieser Einheit 705 verbunden. Durch die Auswertung und Verfolgung der Ziele in der Einheit 705 können dort auch die Einstellwerte für eine Optimierung des Signalrauschverhältnisses gespeichert und verbessert werden. Die Stromversorgung aller Komponenten erfolgt über den Baustein 711 über die Ausgänge 706. Der Baustein 711 ist auch mit dem Bus 707 mit den Einheiten 704 und 705 verbunden und liefert die Ergebnisse über den Bus 713 zu einem Gesamtsystem nach außen. Seine Stromversorgung erfolgt über die Eingänge 712.The block diagram of the systems after 1 and 2 is in 7 shown. The transmitting diode or transmitting diodes 101 be over the pulse shaper 702 and in the case of a laser line or different lasers additionally controlled via a multiplexer and via the transmission lens 102 to the respective mirror system here with 701 marked. The receiving diode or the receiving diode array 103 get the backscattered power over the mirror system 701 , the receiving optics 110 and the bandpass filter 111 , The output signals are in the stage 703 amplified and using a diode array or different detectors 103 also multiplexed. The signals and control commands are via the connections 708 and 709 the unit 704 guided. The unit 704 includes the timing, signal acquisition and signal evaluation. In the mirror control and tracking engine 705 is via the CMOS line 116 with the interface 710 or about the location detectors 209 and 209a the mirror in its amplitude, frequency and optionally phase relationship to the pulses for the distance measurements on the mirror driver 714 through the interface 715 controlled. The mirror driver is by bus 707 with this unit 705 connected. By evaluating and tracking the goals in the unit 705 Here too, the setting values for optimizing the signal-to-noise ratio can be stored and improved. All components are supplied with power via the module 711 over the exits 706 , The building block 711 is also by bus 707 with the units 704 and 705 connected and delivers the results over the bus 713 to an overall system to the outside. Its power supply is via the inputs 712 ,

Das Blockschaltbild der Ausführung entsprechend 6 ist in 8 dargestellt. Die Laserdiode 101 wird vom Pulsformer 801 angesteuert. Dieser Pulsformer 801 beinhaltet auch einen Multiplexer wenn mehrere unterschiedliche Laser anzusteuern sind. Die Ausgangsleistung wird über den Spiegel 601 über den Strahlengang 609 beziehungsweise 609a auf die Szene projiziert. Der Pulsformer 801 wird über die Schnittstelle 803 vom Baustein 805 ebenso wie der Spiegel 601 über die Schnittstelle 806 angesteuert. Das rückgestreute Signalbündel 602 wird über die Spiegelmatrix 608 und das Filter 111 auf den Detektor 607 geführt. Bei z. B. einer weiteren Wellenlänge wird das Strahlenbündel 602a über eine entsprechende Stellung der Spiegel auf der Spiegelmatrix 608 über das Filter 111a auf den Detektor 607a geführt. Das Signal wird in dem Baustein 802 konditioniert und über die Schnittstelle 804 dem Baustein 805 zugeführt, der auch die einzelnen Spiegel 411a bis 411d der Spiegelmatrix 608 über die Schnittstelle 807 steuert. Der Baustein 802 übernimmt bei Systemen mit mehreren Wellenlängen zusätzlich auch die Multiplexerfunktion. Der Baustein 805 übernimmt die gesamte Zeitsteuerung, die Signalakquisition und die Signalauswertung.The block diagram of the embodiment accordingly 6 is in 8th shown. The laser diode 101 is from the pulse shaper 801 driven. This pulse shaper 801 also includes a multiplexer if several different lasers are to be controlled. The output power is through the mirror 601 over the beam path 609 respectively 609a projected onto the scene. The pulse shaper 801 will be over the interface 803 from the building block 805 as well as the mirror 601 over the interface 806 driven. The backscattered signal bundle 602 is about the mirror matrix 608 and the filter 111 on the detector 607 guided. At z. B. a further wavelength is the beam 602a via a corresponding position of the mirrors on the mirror matrix 608 over the filter 111 on the detector 607a guided. The signal is in the block 802 conditioned and over the interface 804 the building block 805 supplied, which is also the individual mirrors 411a to 411d the mirror matrix 608 over the interface 807 controls. The building block 802 In the case of systems with several wavelengths, the multiplexer function also takes over. The building block 805 takes over the entire time control, the signal acquisition and the signal evaluation.

Der Baustein 807 ist über den Bus 808 mit dem Baustein 809 und dem Schnittstellenbaustein 810 verbunden. Der Baustein 809 übernimmt die Zielverfolgung (Tracking), die Optimierung der Spiegelmatrixeinstellung und den Abgleich in der Serie sowie die Nachsteuerung während des Wirkbetriebes. Der Baustein 810 liefert alle notwendigen Spannungen für das Gesamtsystem über die Verbindungen 811 und erhält seinerseits die externe Stromversorgung über die Anschlüsse 812 und gibt die Ergebnisse über den Bus 813 nach Außen ab.The building block 807 is over the bus 808 with the building block 809 and the interface module 810 connected. The building block 809 takes over the tracking, the optimization of the mirror matrix adjustment and the adjustment in the series as well as the follow-up control during the active operation. The building block 810 supplies all the necessary voltages for the entire system via the connections 811 and in turn receives the external power supply through the terminals 812. and gives the results over the bus 813 to the outside.

Die Abstandsmessung aller beschriebenen Systeme erfolgt vorwiegend nach dem Pulslaufzeitverfahren wie in den Schriften
DE 41 27 168 Z2
DE 197 17 399 C2
DE 101 62 668 B4
DE 10 2006 049 935.2
beschrieben. Die Abstandsmessung kann aber auch mit anderen Verfahren erfolgen.The distance measurement of all systems described is mainly based on the pulse transit time method as in the writings
DE 41 27 168 Z2
DE 197 17 399 C2
DE 101 62 668 B4
DE 10 2006 049 935.2
described. The distance measurement can also be done with other methods.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 10146692 B4 [0001]
DE 102004014041 B4 [0001]
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DE 4127168 [0020]
DE 19717399 C2 [0020]
DE 10162668 B4 [0020]
DE 102006049935 [0020]

Claims

Optical time-of-flight sensor for space scanning a scene with - at least one transmitter ( 101 ), - at least one recipient ( 113 ), - a single moving mirror ( 103 ), wherein the at least one transmitter ( 101 ) and the at least one recipient ( 113 ) over one side of the single moving mirror ( 103 ), characterized in that the receiver ( 113 ) over this mirror ( 103 ) is imaged directly on the scene, and that the transmitter ( 101 ) via a mechanically fixed part surface ( 506 ) of the mirror is imaged directly on the scene.

Optical time-of-flight sensor for space scanning a scene with - at least one transmitter ( 101 ), - at least one recipient ( 607 ), - a single moving mirror ( 601 ), wherein the at least one transmitter ( 101 ) over one side of the moving mirror ( 601 ) is imaged on the scene, characterized in that backscatter signals from the scene via the mirror matrix ( 608 ) with the individual mirrors ( 411a ) to ( 411d ) are projected onto the receiver and the mirror matrix simultaneously acts as a deflection means and for focusing the backscatter signals on the receiver.

Optical time-of-flight sensor according to claim 1, characterized in that between mirrors ( 103 ) and subarea ( 506 ) An optical shield is attached.

Optical time-of-flight sensor according to claim 1, characterized in that by the mirror suspended in two axes ( 417 ) Scanning in the entire plane only with a transmitter and a receiver.

Optical time-of-flight sensor according to claim 2, characterized in that the arrangement of the mirrors ( 601 ) and the mirror matrix ( 608 ) two transmitters ( 101 ) and ( 101 ) and two recipients ( 607 ) and ( 607c ) with completely different wavelengths the scene can be scanned.

Optical time of flight sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the mirrors used are movable in all angular directions by the control.

Optical time-of-flight sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission axis and the reception axis have a spacing in order to reduce backscattering from close proximity.

Optical time-of-flight sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the system can be used for a wavelength range from 300 nm to 4 mm.

Optical time-of-flight sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a unit ( 705 ) is present for the mirror control and target tracking, in which setting values for an optimization of the signal-to-noise ratio are stored and improved by the evaluation and tracking of the targets.

Optical time-of-flight sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the mirrors are produced by an etching process.

Optical time-of-flight sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the mirrors are produced in micromechanical semiconductor technology.

Optical time-of-flight sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the mounting of the moving mirror ( 103 ) via springs.