DE102011119707A1

DE102011119707A1 - Optische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102011119707A1
Application number: DE102011119707A
Authority: DE
Inventors: Heiner Bayha; Peter Horvath; Jens Nicolai
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-05-29
Also published as: US9239260B2; WO2013079331A1; EP2786168A1; CN104081221A; US20140332676A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung (1) mit einem Gehäuse (3), in welchem mindestens ein optischer Sender (20) zum Abstrahlen mindestens eines Sendestrahls (22, 24) und mindestens ein optischer Empfänger angeordnet sind, wobei eine Abdeckscheibe (5) das Gehäuse abschließt und ein Sendefenster (10) sowie ein Empfangsfenster (7) ausbildet, wobei der mindestens eine Sendestrahl (22, 24) durch das Sendefenster (10) aus den Gehäuse austritt. Um eine Messvorrichtung (1) mit einer möglichst ebenen Außenfläche (14) zur Verfügung zu stellen und um eine Reduzierung von Störsignalen zu erzielen, welche unter anderem auf Reflexion des Sendestrahls (22, 24) am Sendefenster (10) zurückzuführen sind, wird die Außenseite (5.1) einer Abdeckscheibe (5) im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet und das Sendefenster (10) mit einer Neigung ausgeführt, welche einen vorgegebenen Neigungswinkel (α) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Aus dem Stand der Technik sind abtastende optische Messvorrichtungen, so genannte Laserscanner oder Lidar (Light Detection and Ranging), für Fahrzeuge zur Erkennung von Objekten und/oder Hindernissen in einem Überwachungsbereich bekannt. Diese optischen Messvorrichtungen bestimmen die Entfernung zu im Überwachungsbereich erkannten Objekten und/oder Hindernissen mit einem Lichtimpulslaufzeitverfahren.
Die bekannten optischen Messvorrichtungen umfassen ein Gehäuse, in welchem mindestens ein optischer Sender zum Abstrahlen mindestens eines Sendestrahls und mindestens ein optischer Empfänger angeordnet sind. Der Empfänger empfängt die an Objekten und/oder Hindernissen reflektierten Strahlen und ermittelt aus der Lichtimpulslaufzeit den Abstand zu den Objekten und/oder Hindernissen. Das Gehäuse wird von einer Abdeckscheibe abgeschlossen und bildet ein Sendefenster und ein Empfangsfenster aus, wobei der mindestens eine Sendestrahl durch das Sendefenster aus dem Gehäuse austritt, und der von Objekten und/oder Hindernissen reflektierte Strahl über das Empfangsfenster in das Gehäuse eintritt.
Üblicherweise strahlt der optische Sender den Sendestrahl über einen rotierenden Umlenkspiegel ab, wobei ein vom Umlenkspiegel umgelenkter Sendestrahl über das Sendefenster nach außen abgestrahlt wird. Wird der umgelenkte Sendestrahl an der Abdeckscheibe direkt reflektiert, dann gelangt dieser nach innen reflektierte Sendestrahl auf den Umlenkspiegel zurück, wird erneut vom Umlenkspiegel umgelenkt und in eine andere nicht gewünschte Raumrichtung als Störstrahl über das Sendefenster abgestrahlt. Um dieses Aussenden von Störstrahlen zu verhindern, welche ebenfalls von Objekten und/oder Hindernissen reflektiert werden und so zu Scheinobjekten und/oder Scheinhindernissen in einem abgetasteten Bereich führen können, kann die Abdeckscheibe der optischen Messvorrichtung geneigt angeordnet werden. Durch das Neigen der Abdeckscheibe kann vermieden werden, dass direkte Reflexionen an der Abdeckscheibe entstehen und reflektierte Sendestrahlen in das Gehäuseinnere zurückgeworfen und über den Umlenkspiegel in eine nicht gewünschte Richtung ausgesendet werden. Durch die Neigung der Abdeckscheibe wird der Lichtstrahl am Umlenkspiegel vorbei ins Innere des Gehäuses reflektiert und „läuft sich tot”, so dass keine Störstrahlung bzw. Störsignale abgestrahlt werden. Als nachteilig kann an der Schrägstellung der Abdeckscheibe angesehen werden, dass dadurch die Außenform der optischen Messvorrichtung vorgegeben und der Sensorbauraum definiert werden. Aufgrund der vorgesehenen Einbaustelle der optischen Messvorrichtung im Fahrzeug, d. h. am vorderen Teil vor dem Kühler gegebenenfalls sogar direkt integriert im Kühlergrill, sollte der Platzbedarf der optischen Messvorrichtung minimiert werden, insbesondere sollte die optische Messvorrichtung eine möglichst ebene Außenfläche aufweisen.
In der Patentschrift EP 1 308 747 B1 wird beispielsweise ein abtastender optoelektronischer Entfernungssensor beschrieben. Der beschriebene Entfernungssensor umfasst mindestens einen Laser als optischen Sender von gepulster elektromagnetischer Strahlung, mindestens einen Detektor als optischen Empfänger sowie eine zumindest teilweise für die verwendete elektromagnetische Strahlung durchlässige Schutzabdeckung, wobei die Schutzabdeckung beweglich ist und Störbereiche der Schutzabdeckung während der Abtastbewegung außerhalb eines Bereichs von besonderem Interesse verbleiben. Des Weiteren weist die bewegliche Schutzabdeckung gegenüber der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung einen geneigten Durchtrittsbereich auf.
In der Patentschrift DE 10 2005 055 572 B4 wird ein abtastender optischer Entfernungssensor beschrieben. Der beschriebene Entfernungssensor umfasst mindestens einen Laser als optischen Sender, mindestens einen Detektor als optischen Empfänger und eine Umlenkeinheit, welche mit einem ersten Spiegel eine erzeugte elektromagnetische Strahlung auf die zu vermessende Szene umlenkt, und mit einem zweiten Spiegel die von Objekten zurückgestreuten Laserimpulse auf den mindestens einen Detektor umlenkt. Hierbei sind der erste und zweite Spiegel auf einer gemeinsamen drehbaren Achse angeordnet, welche von einer Antriebseinheit angetrieben wird. Der erste Spiegel ist auf einer ersten Halterung angeordnet und der zweite Spiegel ist axial beabstandet zum ersten Spiegel an einer zweiten Halterung angeordnet, wobei die Antriebseinheit zwischen den beiden Halterungen angeordnet ist. Der mindestens eine Laser und der mindestens eine Detektor mit der zugehörigen Elektronik sind stehend angeordnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Messvorrichtung mit einer möglichst ebenen Außenfläche und reduzierten Störsignalen zur Verfügung gestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere die Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass eine Außenseite der Abdeckscheibe im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet werden kann und nur ein Sendefenster, über welches die Sendestrahlung abgestrahlt wird, eine Neigung mit einem vorgegebenen Neigungswinkel aufweist, so dass die vom Sendefenster reflektierenden Strahlen nicht direkt auf den Umlenkspiegel im Inneren der optischen Messvorrichtung reflektiert werden.
Der Grundgedanke der Erfindung basiert darauf, dass nur das Sendefenster eine Neigung mit einem definierten Neigungswinkel aufweist, die Abdeckscheibe aber im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet ist, wodurch ein relativ ebene Außenfläche und ein flacher Aufbau der optischen Messvorrichtung ermöglicht wird. Die offenbarte erfindungsgemäße Lösung ist somit platzsparender als bekannte Lösungen.
Eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung umfasst mindestens ein Gehäuse, in welchem mindestens ein optischer Sender zum Abstrahlen mindestens eines Sendestrahls und mindestens ein optischer Empfänger angeordnet sind, wobei eine Abdeckscheibe das Gehäuse abschließt und ein Sendefenster und ein Empfangsfenster ausbildet, wobei der mindestens eine Sendestrahl durch das Sendefenster aus den Gehäuse austritt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann der Neigungswinkel des Sendefensters ungefähr 7° zu einer Hochachse betragen. In vorteilhafter Weise können bei diesem Neigungswinkel Störstrahlen effektiv verringert werden. Durch die Schrägstellung der Scheibe wird der an der Sendescheibe reflektierte Sendestrahl vorbei am Umlenkspiegel ins Innere der optischen Messvorrichtung reflektiert und „läuft sich tot”, so dass kein direkt reflektierter Sendestrahl die optische Messvorrichtung als Störstrahl bzw. Störsignal verlässt. Dadurch kann ein Effekt erzielt werden, welcher einer Neigung der gesamten Abdeckscheibe um einen Neigungswinkel von 7° entsprechen würde. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsformen besteht darin, dass durch die partielle Neigung der vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann das Sendefenster nach innen oder außen geneigt sein. Bei einer Neigung nach innen, kann die Außenfläche der optischen Messvorrichtung eben ausgeführt werden, so dass bei Anordnung im vorderen Bereich eines Fahrzeugs die Luftströmung die ebene Außenfläche ständig von Schmutz frei halten kann und eine Schmutzablagerung in vorteilhafter Weise nahezu vollständig verhindert werden kann. Die Neigung des Sendefensters nach außen kann gewählt werden, wenn der Bauraum dies erfordert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung, kann die Neigung des Sendefensters beispielsweise als eine vom Neigungswinkel abhängige Verdickung ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine einfache Umsetzung des geneigten Sendefensters. Die Verdickung kann beispielsweise an der Innenseite und/oder an der Außenseite der Abdeckscheibe angeordnet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann das Sendefenster und/oder das Empfangsfenster eine Antireflexbeschichtung aufweisen. Dadurch können in vorteilhafter Weise Intensitätsverluste der elektromagnetischen Strahlung bei einem Scheibendurchtritt verringert werden. Der Lichtstrahl hat bei jeder Grenzflächenbrechung von Luft/Scheibe einen Refexionsverlust von ca. 4%, das bedeutet, dass bei einem Scheibendurchtritt die Lichtintensität um ca. 8% abnimmt. Mit einer Antireflexbeschichtung können diese Verluste auf ca. 1% begrenzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann der optische Sender als Laser ausgeführt sein. Ein Laser ermöglicht in vorteilhafter Weise eine hervorragende Einstellung der Wellenlänge und/oder Pulsdauer und/oder Intensität sowie eine gute Fokussierung der ausgehenden Sendestrahlen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann zwischen dem optischen Sender und dem Sendefenster eine optische Einheit angeordnet werden, welche insbesondere als Planfeldlinse oder als F-Thetalinse ausgeführt ist. Durch die optische Einheit kann in vorteilhafter Weise eine Strahlenkorrektur durchgeführt werden. Hierbei ist die Linse auf den Focus des austretenden umgelenkten Sendestrahles ausgelegt. Dadurch kann die Reichweite des Laserscanners in vorteilhafter Weise erhöht werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann im Gehäuse mindestens eine Sendespiegeleinheit auf einer drehbaren Achse angeordnet sein, wobei die Sendespiegeleinheit mindestens einen Sendeumlenkspiegel und eine Antriebseinheit umfasst, welche die drehbare Achse antreibt. Insbesondere bei optischen Messvorrichtungen mit Sendespiegeleinheit mit einer Antriebseinheit bietet das geneigte Fenster zur Vermeidung von Störstrahlen bzw. Störsignalen Vorteile. Bei einer beweglichen Sendespiegeleinheit fehlt bei auftretenden Störstrahlen die Zuordnung der Rotorposition zur reflektierten Lichtstrahlung, was zur Folge hat, dass durch die auf einer Rotorposition basierenden Softwareinterpretation beispielsweise Objekte als links angeordnet definiert werden, obwohl sie sich rechts von der optischen Messvorrichtung befinden. Werden direkte Reflexionen nach innen auf den Umlenkspiegel vermieden, dann können in vorteilhafter Weise zusätzliche Berechnungsalgorithmen eingespart und die Rechenzeit reduziert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
In der Darstellung zeigt:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung.
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Umlenkspiegelanordnung für die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung aus 1.
3 eine schematische perspektivische Rückansicht einer Abdeckscheibe für die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung aus 1.
4 eine perspektivische Vorderansicht der Abdeckscheibe für die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung aus 1.
5 eine perspektivische Schnittdarstellung der Abdeckscheibe entlang der Linie IV aus 3.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst eine optische Messvorrichtung 1 ein Gehäuse 3 und eine Abdeckscheibe 5, welche das Gehäuse abschließt und ein Sendefenster 10 und ein Empfangsfenster 7 ausbildet. Durch das Sendefenster 10 wird. ein Sendestrahl 22, 24 beispielsweise gepulstes Laserlicht abgestrahlt. Erfindungsgemäß ist die Abdeckscheibe 5 im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet und das Sendefenster 10 weist eine Neigung mit einem vorgegebenen Neigungswinkel auf. Durch das Empfangsfenster 7 wird ein in einem Überwachungsbereich von Objekten reflektiertes Laserlicht empfangen. Über die gemessene Zeit zwischen dem Senden des Sendestrahls 22, 24 und dem Empfangen des reflektierten Sendestrahls wird nach einem Lichtimpulslaufzeitverfahren die Entfernung zu in einem Überwachungsbereich erkannten Objekten bzw. Hindernissen berechnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Abdeckscheibe 5 und somit das Sendefenster 10 und das Empfangsfenster 7 an einer Außenseite 5.1 und einer Innenseite 5.2 eine Antireflexbeschichtung auf.
Das Gehäuse weist zudem einen elektrischen Anschluss 9 auf, über den die optische Messvorrichtung 1 mit weiteren Baueinheiten im Fahrzeug verbunden und mit Energie versorgt werden kann.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist innerhalb des Gehäuses 3 ein optischer Sender 20 zum Abstrahlen mindestens eines Sendestrahls 22, 24 angeordnet, wobei der mindestens eine Sendestrahl 22, 24 durch das Sendefenster 10 aus den Gehäuse austritt. Hierbei ist der optische Sender 20 beispielsweise als Laser ausgeführt. Im Gehäuse 3 ist mindestens eine Sendespiegeleinheit 31 auf einer drehbaren Achse angeordnet. Die Sendespiegeleinheit 31 weist einen ersten Sendeumlenkspiegel 31.1 und einen zweiten Sendeumlenkspiegel 31.2 auf, wobei die Sendeumlenkspiegel 31.1, 31.2 parallel zueinander verlaufen. Die Sendeumlenkspiegel 31.1, 31.2 sind an einem Spiegelträger 33 befestigt, der von einem nicht sichtbaren Antrieb angetrieben wird. Ein vom optischen Sender 20 ausgehender Sendestrahl 22 wird von einem der Sendeumlenkspiegel 31.1, 31.2 umgelenkt, und der umgelenkte Sendestrahl 24 wird über das Sendefenster 10 nach außen abgestrahlt. Ohne die erfindungsgemäße Neigung des Sendefensters 10 kann ein Teil 26 des umgelenkten Sendestrahls 24 direkt am Sendefenster 10 reflektiert werden. Der reflektierte Strahl 26 wird dann von einem der Sendeumlenkspiegel 31.1, 31.2 umgelenkt und als umgelenkter reflektierter Störstrahl 28 über das Sendefenster in eine unerwünschte Raumrichtung nach außen abgestrahlt.
Diese Umlenkung des reflektierten Strahls 26 wird vermieden, in dem das Sendefenster 10 um einen vorgegebenen Neigungswinkel geneigt ausgeführt ist. Auf diese Weise wird der umgelenkte Sendestrahl 24 so am Sendefenster 10 reflektiert, dass der reflektierte Strahl 26 nicht direkt auf den Umlenkspiegel 31.1, 31.2 reflektiert wird und sich „tot läuft”. Daher kann kein Störstrahl 28 die optische Messvorrichtung 1 verlassen, dessen an Objekten und/oder Hindernissen reflektierte Strahlen das Auswerteergebnis negativ beeinflussen können.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem optischen Sender 20 und dem Sendefenster 10 eine optische Einheit angeordnet, welche den umgelenkten Sendestrahl 24 fokussiert und somit die Reichweite der optischen Messvorrichtung 1 erhöht. Diese optische Einheit kann beispielsweise als Planfeldlinse oder als F-Thetalinse ausgeführt werden.
Wie aus 1 bis 5 weiter ersichtlich ist, steht eine Außenseite 5.1 der Abdeckscheibe 5 im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahlrichtung und das Sendefenster 10 weist erfindungsgemäß eine Neigung mit einem vorgegebenen Neigungswinkel α auf.
Wie aus 3 bis 5 weiter ersichtlich ist, beträgt der Neigungswinkel α des Sendefensters 10 vorzugsweise ungefähr 7° zu einer Hochachse 16. Das Sendefenster 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nach innen geneigt und weist eine vom Neigungswinkel α abhängige Verdickung auf, welche an einer Innenseite 5.2 der Abdeckscheibe 5 absteht.
Des Weiteren ist die Außenseite 5.1 der Abdeckscheibe 5 im Bereich des Sendefensters 10 nach innen geneigt, so dass die Dicke der Abdeckscheibe 5 zum Sendefenster 10 hin verjüngt ist. Die Außenseite 5.1 der Abdeckscheibe 5 ist eben und senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet. Nur im Bereich des Sendefensters 10 weist die Abdeckscheibe 5 eine Neigung auf, so dass die am Sendefenster 10 reflektierenden Strahlen 26 nicht direkt auf einen der Umlenkspiegel 31.1, 31.2 reflektiert werden.
In einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel kann das Sendefester 5 nach außen geneigt sein und/oder nach außen abstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1308747 B1 [0005]
DE 102005055572 B4 [0006]

Claims

Optische Messvorrichtung mit einem Gehäuse (3), in welchem mindestens ein optischer Sender (20) zum Abstrahlen mindestens eines Sendestrahls (22, 24) und mindestens ein optischer Empfänger angeordnet sind, wobei eine Abdeckscheibe (5) das Gehäuse abschließt und ein Sendefenster (10) und ein Empfangsfenster (7) ausbildet, wobei der mindestens eine Sendestrahl (22, 24) durch das Sendefenster (10) aus den Gehäuse austritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite (5.1) der Abdeckscheibe (5) im Wesentlichen senkrecht zur Abstrahlrichtung steht und dass das Sendefenster (10) eine Neigung mit einem vorgegebenen Neigungswinkel (α) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) des Sendefensters (10) ungefähr 7° zur Hochachse (16) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendefenster (10) um den Neigungswinkel (α) nach innen oder außen geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendefenster (10) eine vom Neigungswinkel (α) abhängige Verdickung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung an einer Innenseite (5.2) und/oder an der Außenseite (5.1) der Abdeckscheibe (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendefenster (10) und/oder das Empfangsfenster (7) eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender (20) als Laser ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Sender (20) und dem Sendefenster (10) eine optische Einheit angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit als Planfeldlinse oder als F-Thetalinse ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (3) mindestens eine Sendespiegeleinheit (31) auf einer drehbaren Achse angeordnet ist, wobei die Sendespiegeleinheit (31) mindestens einen Sendeumlenkspiegel (31.1, 31.2) und eine Antriebseinheit umfasst, welche die drehbare Achse antreibt.