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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Physik und der Elektrotechnik und ist in allen Bereichen einsetzbar, in denen Gegenstände berührungsfrei und ohne unmittelbare physikalische Einwirkung in verschiedenen Abständen erfasst werden sollen.
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Beispielsweise ist die Erfindung im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik verwendbar, jedoch auch bei anderen Verkehrsmitteln, wie beispielsweise Flugzeugen und Schiffen, bei deren Führen Informationen über Gegenstände im Umfeld des jeweiligen Verkehrsmittels wichtig sind und diese somit erfasst werden sollen. Zudem kann die Erfindung auch zur Überwachung von Gebäuden und Grundstücken verwendet werden, um sich nähernde Personen oder Transportmittel zu erfassen.
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Konkret bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung mit einer Strahlungseinrichtung sowie einer Detektionseinrichtung zur Detektion von reflektierter Strahlung.
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Solche Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich in vielfältigen Ausprägungen bereits bekannt. Hierunter fallen beispielsweise Radar- und Lidar-Systeme, die auch die Messung von Abständen von Gegenständen im Erfassungsbereich zum jeweiligen Standort des Systems sowie eine dreidimensionale Umgebungserfassung erlauben.
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Derartige Lidar-Systeme verwenden üblicherweise Laser als Strahlungsquellen. Zur Beleuchtung von zu erfassenden Gegenständen werden bei Lidar-Systemen (Lidar = Light Detection and Ranging) Laser verwendet, wobei das zurückgestreute oder reflektierte Licht detektiert und aus der Lichtlaufzeit der Signale eine Entfernung berechnet wird. Anstelle einzelner Laserimpulse kann auch ein intensitätsmodulierter Laser eingesetzt werden, der nach einer periodischen Funktion bezüglich der Amplitudenmodulation oder der Pulsverteilung betrieben wird, wobei das reflektierte Signal bezüglich der Phasenverschiebung mit dem ausgesendeten Signal verglichen und hieraus die Laufzeitunterschiede bestimmt werden. Um eine ausreichende Detektionsgenauigkeit zu erreichen, ist es hierbei notwendig, eine ausreichend hohe Modulationsfrequenz wählen zu können.
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Entsprechende Lidar-Lösungen sind auch aus der Patentliteratur bereits bekannt. So zeigt beispielsweise die US-Patentschrift
US 8 072 581 B1 ein spezielles Lidar-System zur Abstandsmessung. Aus der US-Patentschrift
US 5006 721 A ist eine Ablenkoptik für ein Lasersystem eines Lidar bekannt, das ein Abscannen der Oberfläche eines Gegenstandes erlaubt.
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Aus der US-Patentschrift
US 3 811 774 ist ein Lidar-System mit einem CO
2-Laser bekannt, das sowohl eine Ortserfassung eines Gegenstands als auch eine Geschwindigkeitsmessung erlaubt.
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Aus der US-Patentanmeldung
US 2013/0250273 A1 ist ein Lidar-System bekannt, das mittels einer speziellen Auswertung eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses anstrebt.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 124 069 A1 ist ein Lidar-System bekannt, das eine Erfassung von Gegenständen in einem weiten Raumwinkelbereich durch Spiegelung des ausgesendeten Laserstrahls in verschiedene Richtungen und eine ortsaufgelöste Detektion des Reflexionssignals erlaubt.
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Die
US 3 360 793 schließlich stellt grundsätzlich ein Lidar-System für die Anwendung in der Luftfahrt dar.
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Allen bekannten System gemein ist dabei, dass ein Laser als Strahlquelle verwendet wird. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da die maximale Entfernung, in der mit einem derartigen System ein Gegenstand erfasst werden kann, durch die von dem Gegenstand reflektierte und von der Empfangsoptik des Reflexionssignals erfasste Gesamtsignalintensität abhängt. Die Intensität hängt zudem von der Reflexivität der Oberfläche des zu erfassenden Gegenstands ab. Jedenfalls erlaubt die Bestrahlung mit einem Laser auch über große Entfernung durch die gute Fokussierung eine hohe Strahl- und Reflexionsintensität.
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Bei der Verwendung eines derartigen Lidar-Systems ist jedoch insbesondere die Personensicherheit, beispielsweise die Augensicherheit, zu berücksichtigen, so dass die Laserintensität der ausgesandten Strahlung begrenzt ist. Auch bei der Erfassung des reflektierten Signals kann dies nur teilweise durch vergrößerte Sensoren ausgeglichen werden, da oft der Bauraum für einen derartigen Sensor oder eine Fokussierungsoptik begrenzt ist. Zudem soll die Erfassung des reflektierten Signals ortsaufgelöst geschehen, so dass auf der Empfängerseite oft Scanner zur selektiven Erfassung von Teilraumwinkeln eingesetzt werden, deren Baugröße ebenfalls begrenzt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Erfassungssystem mit möglichst hoher Reichweite und Ortsauflösung der erfassten Gegenstände bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Personensicherheit und bei kleinem Bauraum bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 bezüglich einer Vorrichtung gelöst. Patentanspruch 13 gibt ein Verfahren zur Lösung der Aufgabe an. Die jeweiligen Unteransprüche geben beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich mit einer Strahlungseinrichtung zum Aussenden wenigstens eines elektromagnetischen Abtaststrahls in wenigstens einen Teil des Erfassungsbereichs und mit einer Einrichtung zur Modulierung des Abtaststrahls sowie mit einer Detektionseinrichtung zur Detektion von reflektierter Strahlung aus wenigstens einem Teil des Erfassungsbereichs und mit einer Einrichtung zur Auswertung des Zeitverhaltens der detektierten reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Modulierung des Abtaststrahls.
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Die Aufgabe wird konkret dadurch gelöst, dass die Strahlungseinrichtung wenigstens eine Strahlungsquelle aufweist, die eine Streueinrichtung bestrahlt, welche die Strahlung wenigstens teilweise in den Erfassungsbereich streut.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung wird bewirkt, dass einerseits als Strahlungsquelle ein Laser mit hoher Ausgangsleistung und guter Fokussierbarkeit verwendet werden kann. Durch die Streueinrichtung wird das monochromatische Laserlicht in eine Mischung von wenigstens teilweise inkohärenten und bezüglich der Wellenlänge unterschiedlichen Lichtstrahlen gewandelt. Der Wellenlängenbereich des gestreuten Sekundärlichts hängt von der Einstrahlwellenlänge sowie vom Material der Streueinrichtung ab. Damit wird das gestreute Licht (Sekundärlicht) zunächst für die Augen von Lebewesen, insbesondere Menschen, wesentlich ungefährlicher, so dass mit hohen Lichtintensitäten gearbeitet werden kann. Derartige Lichtquellen sind bereits im Automobilbereich bekannt, wo im Rahmen hochleistungsfähiger Automobilscheinwerfer blaues oder violettes Laserlicht zur Beleuchtung einer Phosphorscheibe verwendet wird, die in Vorwärtsrichtung das Licht streut und in eine weiße bis gelbe Lichtmischung im sichtbaren Spektralbereich umwandelt. Die Streuung in Vorwärtsrichtung, d. h. in der Einstrahlrichtung des bestrahlenden Lasers, ist ausreichend gut und eng gebündelt, so dass eine Beleuchtung von Gegenständen, beispielsweise von einem Fahrzeug, noch in einigen hundert Metern Entfernung möglich ist und die reflektierte Lichtintensität zur Erfassung mit einem relativ kleinen Sensor möglich wird.
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Durch die vorgeschlagene Vorrichtung kann somit eine im Vergleich zu anderen zur Verfügung stehenden Strahlungsquellen sehr hohe Intensität der Beleuchtung bei geringem Platzbedarf und beschränktem technischem Aufwand zur Verfügung gestellt werden, wobei gleichzeitig die Augensicherheit und sonstige Sicherheit von Lebewesen im Erfassungsbereich gewahrt werden kann. Statt einer Vorwärtsstreuung durch eine transparente Streueinrichtung kann dabei auch eine reflektierende Streuscheibe mit Phosphorverbindungen verwendet werden.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Strahlungseinrichtung zur selektiven Beleuchtung eines oder mehrerer Teilbereiche des Erfassungsbereichs durch den Abtaststrahl eingerichtet ist. Damit kann nacheinander der Abtaststrahl über verschiedene Bereiche des Raumwinkels des Erfassungsbereichs gelenkt und jeweils die reflektierte Strahlung gemessen werden. Ist der Detektor für die reflektierte Strahlung mit einer Umlenkeinrichtung für den Abtaststrahl gekoppelt, so kann die Reflexionsintensität in Abhängigkeit vom Raumwinkelsegment erfasst und ausgewertet werden, so dass erfasste Gegenstände registriert und mit dem Raumwinkel, in dem sie sich vom Standort der Vorrichtung aus gesehen befinden, nachgewiesen werden können.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Strahlungseinrichtung derart steuerbar ist, dass sie gezielt und ausschließlich einen oder mehrere Teilbereiche des Erfassungsbereichs bestrahlt. Wird der Abtaststrahl ausreichend gebündelt, so kann der Erfassungsbereich bezüglich des Raumwinkels gezielt mit einer gewünschten Auflösung gescannt werden, wobei in Verknüpfung mit dem jeweiligen abgetasteten Raumwinkel im Erfassungsbereich die Reflexionsinformation durch den Detektor erfasst und abgespeichert werden kann, um ein dreidimensionales Abbild des Erfassungsbereichs zu erhalten. Dabei wird während des Scanvorgangs die Strahlungsquelle, insbesondere Laserlichtquelle, moduliert, um durch die Laufzeitmessung außer der Raumwinkelinformation auch den jeweiligen Abstand von der Vorrichtung zu ermitteln. Anstelle einer einzelnen Laserlichtquelle können dabei auch mehrere Laser gleichzeitig verwendet werden, die unterschiedliche Stellen der Streueinrichtung beleuchten können, wobei mehrere unabhängige Abtaststrahlen entstehen, die zur Parallelisierung auch unterschiedlich abgelenkt werden können, um einen Scanvorgang zu beschleunigen.
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Weiter kann beispielhaft vorgesehen sein, dass der Strahlungseinrichtung ein MEMS-Scanner zugeordnet ist, der ein optisches Element antreibt, das eine Ablenkung oder Reflexion des Abtastlichtstrahls bewirkt. Die Richtung des Abtaststrahls kann durch einen MEMS-Scanner (mikroelektromechanisches System) steuerbar sein, der einen oder mehrere steuerbare Mikrospiegel zur Ablenkung des Strahls aufweisen kann. Ein derartiger MEMS-Scanner kann beispielsweise zwischen der Strahlungsquelle / dem Laser und der Streueinrichtung vorgesehen sein, jedoch grundsätzlich auch von der Strahlungsquelle aus gesehen hinter der Streueinrichtung.
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Der Vorteil beim Einsatz eines MEMS-Scanners zwischen der Strahlungsquelle und der Streueinrichtung besteht darin, dass die Strahlung in diesem Bereich wesentlich stärker und enger fokussiert ist, so dass die Baugröße des Scanners klein gewählt werden kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung derart steuerbar ist, dass sie gezielt und ausschließlich reflektierte Strahlung aus einem oder mehreren Teilbereichen des Erfassungsbereichs detektiert. In diesem Fall kann die Detektionseinrichtung erfassen, aus welchem Raumwinkelbereich eine Reflexion stammt, wobei gleichzeitig über die Laufzeitmessung durch Vergleich mit der Modulation des Abtaststrahls die Entfernung des reflektierenden Gegenstands ermittelt werden kann. Wird somit der gesamte Erfassungsbereich gleichzeitig oder in einem Scanvorgang nach und nach raumwinkelweise beleuchtet, so kann die Detektionseinrichtung für sich durch ihre Ortsauflösung den erfassten Gegenständen eine Richtung und einen Abstand zuordnen.
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Die Detektionseinrichtung kann hierzu mittels eines MEMS-Scanners zur Auswahl von Teilbereichen des Erfassungsbereichs steuerbar sein.
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Die Detektionseinrichtung kann grundsätzlich bei allen Ausführungsformen auch ein parallel verarbeitendes Detektor-Array umfassen.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die Strahlungseinrichtung den Abtaststrahl in Form von sichtbarem Licht ausstrahlt und Teil eines Scheinwerfers ist. Im Automobilbereich können somit die bereits bekannten hochleistungsfähigen Laserscheinwerfer, beispielsweise mit einer Phosphorstreuscheibe, gleichzeitig zur Beleuchtung der Umgebung und zur Erfassung von Gegenständen im Erfassungsbereich verwendet werden. Die Pulsung und Modulation des Lasers ist so hochfrequent, dass das Licht vom menschlichen Auge als stetig wahrgenommen wird.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Strahlungseinrichtung den Abtastlichtstrahl in Form von Infrarotlicht ausstrahlt.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die Strahlungseinrichtung unabhängig vom Abtaststrahl einen Lichtstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich ausstrahlt, der insbesondere steuerbar, weiter insbesondere mittels eines MEMS steuerbar ist. Der Abtaststrahl kann somit identisch mit dem Strahl zur Ausleuchtung der Umgebung des Fahrzeugs sein, also zur Erfüllung des eigentlichen Zwecks eines Scheinwerfers eingesetzt werden, jedoch kann der Abtaststrahl auch unabhängig von einem solchen Strahl verwendet werden. In beiden Fällen kann jedoch aufgrund der Erfassung von Gegenständen im Erfassungsbereich bei der Ausleuchtung der Umgebung eines Fahrzeugs ein Bereich, in dem ein Gegenstand erfasst wurde, von der Beleuchtung ausgenommen werden. Dies ist besonders einfach dann der Fall, wenn der Beleuchtungsstrahl mit dem Abtaststrahl identisch ist, so dass beide mittels eines Scanners gesteuert werden können. Auf diese Weise können beispielsweise Raumwinkelbereiche, in denen ein entgegenkommendes Fahrzeug oder eine entgegenkommende Person erfasst worden ist, in der Folge von der Beleuchtung ausgenommen werden, um ein Blenden zu vermeiden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sowohl ein Beleuchtungsstrahl als auch der Abtaststrahl unabhängig voneinander mittels einer MEMS-Einrichtung steuerbar sind, um einerseits Gegenstände im Erfassungsbereich erfassen und andererseits die Beleuchtung des Erfassungsbereichs gesondert steuern zu können.
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Außer einer Lasereinrichtung in Form eines oder mehrerer Laser kann die Strahlungsquelle beispielsweise auch als Laserdiode oder auch als Leuchtdiode ausgebildet sein.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die Streueinrichtung eine Schicht, insbesondere eine teiltransparente Feststoffschicht, aufweist, die ein photolumineszierendes Material, insbesondere Phosphor und/oder eine oder mehrere Phosphorverbindungen aufweist. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, eine Feststoffschicht unter Verwendung anderer Elemente oder auch eine gasförmige Schicht zwischen zwei transparenten Scheiben sowie eine Flüssigkeits- oder Gelschicht zwischen transparenten Scheiben als Streueinrichtung zu verwenden.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Vorrichtung der erläuterten Art auch auf ein Verfahren zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich durch Aussenden eines elektromagnetischen Abtaststrahls mittels einer Strahlungseinrichtung in wenigstens einen Teil des Erfassungsbereichs und durch Detektion von reflektierter Strahlung aus wenigstens einem Teil des Erfassungsbereichs mittels einer Detektionseinrichtung und durch Modulierung des Abtaststrahls sowie durch Auswertung des Zeitverhaltens der detektierten reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Modulierung des Abtaststrahls, wobei durch die eine Strahlungsquelle der Strahlungseinrichtung eine Streueinrichtung bestrahlt und die Strahlung wenigstens teilweise in den Erfassungsbereich gestreut wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass durch eine Steuerung des Abtaststrahls nacheinander gezielt Teilbereiche des Erfassungsbereichs bestrahlt werden und dass gleichzeitig die Reflexion von Strahlung durch die Detektionseinrichtung detektiert wird.
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Es kann jedoch alternativ oder zusätzlich hierzu auch vorgesehen sein, dass durch den Abtaststrahl der Erfassungsbereich bestrahlt wird und dass gleichzeitig die Reflexion von Strahlung aus dem Erfassungsbereich durch die Detektionseinrichtung mittels einer Steuerung des Detektionsfokus richtungsselektiv detektiert wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
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1 schematisch eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich mit einer Strahlungseinrichtung und einer Detektionseinrichtung,
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2 eine Vorrichtung, bei der die Strahlungseinrichtung einen Scanner zur Steuerung der Abtaststrahlrichtung aufweist, sowie
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3 eine Vorrichtung, bei der die Detektionseinrichtung einen Scanner zur Steuerung des Detektionsfokus aufweist.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten 1, beispielsweise von Personen oder Gegenständen, die beispielsweise in einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs eingebaut sein kann oder parallel zu einem Scheinwerfer betrieben werden kann. Die Vorrichtung weist eine Strahlungseinrichtung 3 auf, die sehr ähnlich einem Laserscheinwerfer aufgebaut sein kann, mit einer Laserlichtquelle 3a, einem Kollimator 11 sowie einer Streuscheibe 8, die aus einem transparenten Material besteht und Phosphorverbindungen enthält. Durch die Streuscheibe 8 wird das Laserlicht aus der Laserlichtquelle 3a gestreut und in eine Mischung von Licht verschiedener Wellenlängen umgewandelt. Das Licht erscheint dadurch bei geeigneter Mischung weiß oder gelblich-weiß und wird vorwiegend in Vorwärtsrichtung des Abtaststrahls 4 gestreut. Durch die Streuung verliert das Licht weitgehend seine Kohärenz und andere Laserlichteigenschaften, so dass hinter der Streuscheibe 8 weitestgehend Augensicherheit für Lebewesen gewährleistet ist, d. h. beispielsweise das menschliche Auge, das mit dem Strahl in Berührung kommt, keiner besonderen Gefahr ausgesetzt ist.
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Durch die Auswahl der Strahlungsquelle mit einer Lasereinrichtung 3a und einer Streuscheibe 8 können große Leuchtstärken infolge der Verwendung des Lasers eingesetzt werden, die große Reichweiten des Abtaststrahls 4 ermöglichen. Das Licht kann durch eine Linse 12 weiter gebeugt oder gebrochen werden, um entweder einen weitgehend parallelen, unfokussierten Strahl oder einen auf eine bestimmte Entfernung fokussierten Strahl zu erreichen.
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Die Laserlichtquelle 3a wird durch eine Steuereinrichtung 5 angesteuert, die die Laserlichtquelle gleichzeitig modulieren kann. Dabei kann eine Modulation durch eine zeitlich periodische Funktion, beispielsweise eine Sinusfunktion, angestrebt werden, oder auch eine Rechtfunktion, die die Einhüllende der eigentlichen Laserpulse bilden kann.
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Ein Objekt 1, das beispielsweise einem Menschen oder ein Verkehrshindernis auf einer Straße sein kann, reflektiert, wenn es durch den Abtaststrahl 4 getroffen/beleuchtet wird, das Licht in alle Richtungen, wobei ein Teil des rückgestreuten und reflektierten Lichts 7 zu einem Detektor 6a gelangt. Vorher fällt das Licht durch eine Sammellinse 13, die es auf eine Detektorfläche fokussieren kann.
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Da das reflektierte Licht von dem Objekt aus in verschiedene Richtungen abgestrahlt wird, ist die Lichtstärke sehr gering, so dass der Detektor, wenn die Beleuchtungslichtstärke nicht ausreichend ist, groß gestaltet werden muss, um einen möglichst großen Raumwinkel von dem Objekt 1 aus auszufüllen. Wird wie dem vorliegenden Fall eine Laserlichtquelle 3a zur Beleuchtung gewählt, so reicht ein relativ kleiner Detektor 6a aus, der beispielsweise ebenso wie die Laserlichtquelle 3a im Gehäuse eines Scheinwerfers, beispielsweise eines Kfz-Scheinwerfers, untergebracht werden kann.
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Die Modulierung des Abtastlichtstrahls 4 findet sich auch in dem zurückreflektierten Lichtstrahl 7 wieder und wird in einer Verarbeitungseinrichtung 6 analysiert. Sie wird mit der Modulierung des Abtaststrahls 4 auf einer gemeinsamen Zeitbasis verglichen, so dass Phasenverschiebungen zwischen dem ausgesandten Lichtstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl ermittelt und in eine Laufzeitinformation des Lichtstrahls umgerechnet werden können. Aus der Laufzeit kann bei der bekannten Geschwindigkeit des Lichts die Entfernung des Objekts 1 von der Vorrichtung mit der Laserlichtquelle 3a und der Detektionseinrichtung 6a berechnet werden.
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Grundsätzlich ist ein System zur Modulation eines Abtastlichtstrahls und zur Analyse eines reflektierten Lichtstrahls bezüglich der Modulation und Phasenverschiebung bereits in Form von sogenannten Lidar-Systemen bekannt.
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Solche Systeme arbeiten jedoch üblicherweise mit Laserstrahlen, so dass Gefahren für die Augensicherheit von Personen bestehen. Werden die Laserlichtstärken derart reduziert, dass diese Gesundheitsgefahren unbedenklich werden, so ist ein derartiges bekanntes System nicht mehr zur Abstandsmessung über große Entfernungen, insbesondere im Straßenverkehr, zu verwenden.
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Es ist noch zu bemerken, dass die Streueinrichtung 8 anstelle einer festen Phosphor enthaltenden Scheibe auch eine Gas- oder Flüssigkeitsschicht enthalten kann, die zwischen zwei transparenten Scheiben angeordnet ist und Phosphor oder eine Phosphorverbindung enthält.
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Die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 5, 6 weist außer der Modulationseinrichtung und der Verarbeitungseinrichtung 6 zur Ermittlung der Phasenverschiebung eine Kodiereinrichtung 14 auf, die die Laserlichtquelle 3a derart ansteuert, dass der Abtaststrahl 4 eine aufkodierte Information trägt. Diese kann beispielsweise vom Objekt 1 aus, das den Abtaststrahl 4 auffängt, analysiert und dekodiert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise der Vorrichtung eine Identität in Form einer Identitätsnummer zugeordnet werden, so dass an dem Objekt 1, beispielsweise einem Verkehrsteilnehmer / Auto / Kraftfahrzeug die Identität eines entgegenkommenden Fahrzeugs ermittelt werden kann. Die Kodierung kann auch andere Informationen übermitteln, wie beispielsweise die Größe oder Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, mit dem die Vorrichtung verbunden ist, so dass entgegenkommende Fahrzeuge über den Abtastlichtstrahl 4 die Information erhalten, mit welcher Geschwindigkeit ein Fahrzeug mit der Vorrichtung sich bewegt.
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Außer der Information darüber, dass ein Objekt 1 sich im Erfassungsbereich 2 befindet und den Abtaststrahl 4 wenigstens teilweise reflektiert, ist üblicherweise eine genauere Ortsinformation über ein Objekt 1 wünschenswert. Mit dem oben beschriebenen einfachen System kann die Entfernung eines derartigen Objekts 1 von der Vorrichtung ermittelt werden. Oft ist jedoch auch gewünscht, eine Information über den Raumwinkelbereich zu erhalten, in dem sich das Objekt 1 befindet.
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2 zeigt eine Vorrichtung, bei der die Strahlungsquelle 3 einen Scanner 9 aufweist, der eindimensional oder zweidimensional eine Ausrichtung des Abtaststrahls 4 und damit eine selektive Beleuchtung von Raumwinkelbereichen des Erfassungsbereichs 2 erlaubt.
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Die Scanbewegung des Abtaststrahls 4 ist durch die Pfeile 15, 16 angedeutet. Der Scanner 9, der beispielsweise durch einen oder mehrere Mikrospiegel gebildet sein kann, die mit einer MEMS-Einrichtung gesteuert werden, wird durch die Steuereinrichtung 5 angesteuert. Die Steuereinrichtung 5 hat damit für jeden Zeitpunkt die Information, welcher Raumwinkelbereich des Erfassungsbereichs 2 gerade beleuchtet wird. Kommt ein reflektierter Lichtstrahl 7 zur Detektionseinrichtung 6a zurück, so entspricht dies der Information, dass der gerade beleuchtete Raumwinkelbereich ein nachgewiesenes Objekt 1 enthält, das den Abtastlichtstrahl 4 reflektiert. Auf diese Weise kann im Laufe der Zeit der gesamte Erfassungsbereich 2 durch den Scanner 9 abgetastet werden, und allen Raumwinkelsegmenten kann eine Information darüber zugeordnet werden, ob in ihnen jeweils ein Objekt 1 vorhanden ist und wenn ja, in welcher Entfernung von der Vorrichtung.
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Die Detektionseinrichtung 6a braucht dabei nicht bewegt zu werden, bzw. sie kann derart eingestellt werden, dass sie zu jeder Zeit aus dem gesamten Erfassungsbereich 2 das reflektierte Licht detektiert.
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Hat die Vorrichtung einmal in einem Raumwinkelsegment ein Objekt 1 lokalisiert, so kann sie bei weiteren Scans diesen Raumwinkelbereich auslassen, um beispielsweise, wenn sich dort eine Person befindet, diese nicht weiter zu blenden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Abtaststrahl 4 außer der Abtastung auch der Beleuchtung der Umgebung, beispielsweise eines Fahrzeugs, dient.
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Ein Beleuchtungsstrahl eines Kraftfahrzeugscheinwerfers kann jedoch auch unabhängig von der beschriebenen Vorrichtung betrieben werden, wobei die Strahlungseinrichtung 3a, 8 mit dem Scheinwerfer unmittelbar verbunden sein kann. Es können zwei unabhängige Strahlen, von denen ein erster ein Abtaststrahl 4 und ein zweiter ein Beleuchtungsstrahl ist, durch die Streueinrichtung 8 gestreut werden und unabhängig voneinander den Abtastbereich scannen. Beide Strahlen können durch eine gemeinsame Laserlichtquelle 3a oder auch durch zwei parallele Laserlichtquellen erzeugt werden.
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Ist ein Objekt 1 im Erfassungsbereich registriert worden, so kann das Raumwinkelsegment, in dem es sich befindet, sowohl vom Abtaststrahl als auch vom Beleuchtungsstrahl beim Scannen ausgelassen werden.
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In 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, durch die mittels einer Strahlungseinrichtung 3a ein Erfassungsbereich 2 beleuchtet wird. Beispielsweise kann der Abtaststrahl 4 derart aufgeweitet sein, dass er im Abtastbereich einen größeren Raumwinkelbereich gleichzeitig beleuchtet. Befindet sich ein Objekt 1 im Erfassungsbereich 2, so wird das von diesem reflektierte Licht in Form des reflektierten Strahls 7 in dem Moment an die Detektionseinrichtung 6 zurückreflektiert und detektiert, wenn der variable Fokussierungsbereich der Detektionseinrichtung mittels der Scaneinrichtung 10 über den Ort des Objekts 1 streicht. Voraussetzung für die Erfassung des Objekts 1 ist somit, dass dieses gleichzeitig beleuchtet wird und im Fokussierungsbereich des Detektors 6a liegt. Der Detektor 6a ist Teil einer Detektionseinrichtung, die auch einen ein- oder zweidimensionalen Scanner 10 in Form eines oder mehrerer durch ein MEMS angetriebener Mikrospiegel aufweist. Durch den Scanner wird der Erfassungsbereich 2 derart abgescannt, dass der Detektor 6a nacheinander das Licht von verschiedenen Orten im Erfassungsbereich 2 registriert.
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Der Abtaststrahl 4 der Strahlungsquelle 3a kann anstelle einer Aufweitung über den Erfassungsbereich auch derart gesteuert werden, dass er in hohem Tempo den Erfassungsbereich abscannt. Diese Scangeschwindigkeit kann beispielsweise sehr viel höher sein als die Scangeschwindigkeit, mit der der Fokussierungsbereich der Detektionseinrichtung 6 verändert wird, so dass in jedem Fall gewährleistet ist, dass ein Objekt im Erfassungsbereich 2 in dem Zeitraum, während dessen der Fokussierungsbereich der Detektionseinrichtung auf ihm ruht, wenigstens einmal durch den Abtaststrahl 4 beleuchtet wird.
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Wird reflektiertes Licht durch den Detektor 6a nachgewiesen, so kann durch die gleichzeitig eingenommene Stellung des Scanners 10 das Raumwinkelsegment bestimmt werden, in dem sich das Objekt 1 befindet.
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Gleichzeitig kann über den Phasenvergleich des reflektierten Lichtstrahls 7 und des ausgesandten Abtaststrahls 4 die Entfernung des Objekts 1 von der Vorrichtung bestimmt und damit eine dreidimensionale Ortsbestimmung des Objekts 1 geliefert werden. Die entsprechenden Verarbeitungen finden in der Verarbeitungseinrichtung 5, 6 statt. Die Scaneinrichtung 10 ist zu diesem Zweck mit der Verarbeitungseinrichtung 5 verbunden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des beschriebenen Verfahrens ist somit eine dreidimensionale Ortsbestimmung eines Objekts auch in großer Entfernung, beispielsweise im Straßenverkehr, auf einige hundert Meter Entfernung von einem Fahrzeug aus möglich, ohne dass ein freier, intensiver Laserstrahl verwendet werden muss. In ähnlicher Weise kann die Vorrichtung mit einem Scheinwerfer verbunden werden, der bei der Gebäudeüberwachung verwendet wird, oder mit einem Suchscheinwerfer oder mit Scheinwerfern, die im Luftfahrtverkehr und Wasserverkehr eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8072581 B1 [0006]
- US 5006721 A [0006]
- US 3811774 [0007]
- US 2013/0250273 A1 [0008]
- EP 2124069 A1 [0009]
- US 3360793 [0010]
