DE102017105058A1

DE102017105058A1 - Bestimmung einer Position und/oder Oszillationsfrequenz eines Mikrospiegels

Info

Publication number: DE102017105058A1
Application number: DE102017105058.2A
Authority: DE
Inventors: Grigory Abuladze
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz eines Mikrospiegels sollen genauer bestimmt werden. Daher wird eine Mikrospiegelvorrichtung für ein Lichtsystem eines Fahrzeugs mit einem Mikrospiegel (2) zum Ablenken eines Lichtstrahls aus einer vorbestimmten Richtung und einer lichtempfindlichen Sensoreinrichtung (8) zum Detektieren eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels (2) und zum Erzeugen eines jeweiligen Sensorsignals bereitgestellt. Die Sensoreinrichtung (8) ist in einem Beleuchtungsbereich der Reflexionsstrahlen (3, 4, 5) befestigt. Eine Recheneinrichtung ist in der Lage, die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) auf der Basis von mindestens zwei Signalwerten des Sensorsignals zu bestimmen. Die erste Sensoreinrichtung (8) ist an der Stützeinrichtung (1) in einem Beleuchtungsbereich befestigt, der durch Reflexionsstrahlen (3, 4, 5) abgedeckt ist, die sich aus dem Ablenken des Lichtstrahls durch den Mikrospiegel (2) in allen möglichen Schwenkpositionen des vorgegebenen Schwenkbereichs ergeben. Die erste Sensoreinrichtung (8) ist lichtempfindlich. Ferner ist die Recheneinrichtung in der Lage, die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrospiegelvorrichtung für ein Lichtsystem eines Fahrzeugs mit einem Mikrospiegel zum Ablenken eines Lichtstrahls aus einer bestimmten Richtung, einer Stützeinrichtung, an der der Mikrospiegel in einem vorgegebenen Schwenkbereich schwenkbar befestigt ist, einer Antriebseinrichtung zum Antreiben des Mikrospiegels in einer oszillierenden Weise, einer Sensoreinrichtung zum Detektieren eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels und zum Erzeugen eines jeweiligen Sensorsignals und einer Recheneinrichtung zum Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels in Abhängigkeit vom Sensorsignal. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz eines Mikrospiegels eines Lichtsystems eines Fahrzeugs mit den Schritten des Ablenkens eines Lichtstrahls aus einer vorbestimmten Richtung durch einen Mikrospiegel, der in einem vorgegebenen Schwenkbereich an einer Stützenrichtung schwenkbar befestigt ist, des Antreibens des Mikrospiegels in einer oszillierenden Weise, des Detektierens eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels durch eine Sensoreinrichtung und des Erzeugens eines jeweiligen Sensorsignals und des Bestimmens der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels in Abhängigkeit vom Sensorsignal.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Lichtsystem oder ein Fahrerassistenzsystem mit einer solchen Mikrospiegelvorrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein jeweiliges Fahrzeug mit einem solchen Lichtsystem oder Fahrerassistenzsystem.
Das am häufigsten verwendete Konzept, um einen MEMS- (mikroelektromechanische Systeme) Mikrospiegel zu betätigen, ist ein gestapelter vertikaler Kammantrieb. Die Basisgeometrie eines solchen MEMS-Mikrospiegels ist in 1 gezeigt. Ein zum Beispiel kreisförmiger Spiegel 21 ist durch eine Torsionsaufhängung 22 schwenkbar aufgehängt. Folglich kann der Spiegel 21 in Bezug auf eine Achse geneigt werden, die durch die Torsionsaufhängung 22 definiert ist. Auf jeder Seite des Spiegels 21, wo die Torsionsaufhängung 22 daran befestigt ist, sind zwei Paare von Kammelektroden angeordnet. Jedes Paar von Kammelektroden besteht aus einer beweglichen Kammelektrode 23, die am Spiegel 21 befestigt ist, und einer statischen Kammelektrode, die an einem Gehäuse (in 1 nicht gezeigt) befestigt ist.
Die beweglichen Elektroden 23 liegen immer auf dem elektrischen Massepotential, wohingegen irgendein Antriebspotential V_d an den oberen Teil der statischen Elektroden 24 angelegt werden kann. Eine elektrostatische Anziehungskraft wird erzeugt, wenn eine Differenz im elektrischen Potential zwischen den beweglichen Elektroden 23 und den statischen Elektroden 24 besteht. Das erzeugte elektrische Drehmoment bewirkt, dass der Spiegel 1 sich neigt.
Normalerweise gibt es zwei Typen von Kämmen im System. Ein Typ wird verwendet, um den MEMS-Spiegel 21 zu betätigen, und der zweite Typ ist passiv. Die momentane Position des MEMS-Spiegels 21 wird durch Messung der momentanen Kapazität des Kondensators, der durch den passiven Kamm gebildet ist, abgeschätzt.
Ein Beispielgraph der Kapazität als Funktion des Neigungswinkels ist in 2 gezeigt. Wie zu sehen ist, wird bei hohen Neigungswinkeln (hier ungefähr 20°) die Kurve flach. Dies bedeutet, dass die Kapazität stoppt, irgendwelche Änderungen des Neigungswinkels widerzuspiegeln. Folglich spiegelt die Kapazität nicht mehr die aktuelle MEMS-Lage wider. Der Grund für ein solches Verhalten bei hohen Neigungswinkeln besteht darin, dass die Kammelektroden nicht mehr überlappen.
Der normale Betriebsmodus eines MEMS-Spiegels ist eine Oszillation mit der Resonanzfrequenz. Die entsprechende Resonanzkurve ist ziemlich schmal und eine genaue Abschätzung der tatsächlichen Oszillationsfrequenz ist sehr kritisch, um die gewünschte Amplitude und Zeitsteuerung der Bewegung zu erreichen.
Die Technik zum Messen der aktuellen Frequenz umfasst die folgenden Schritte: eine Kapazitätsänderung wird innerhalb eines Teils einer Bewegung gemessen, wo der passive Kamm einen Kondensator bildet, d. h. bei kleinen Neigungswinkeln. Dies ermöglicht es, die aktuelle Oszillationsfrequenz abzuschätzen. Ferner wird eine Oszillationsbewegung des MEMS-Spiegels angenommen. Bei hohen Neigungswinkeln wird die momentane Position des Spiegels modelliert.
Eine typische Schaltung zum Messen der Kapazitätsänderung des Kammantriebssystems ist in 3 gezeigt. Der kapazitive Sensor 25 ist durch eine bewegliche Kammelektrode 23 gebildet und eine statische Kammelektrode 4 ist durch eine Ersatzschaltung dargestellt, die eine variable Kapazität C(θ, t) umfasst. Diese variable Kapazität C(θ, t) ist mit einem Widerstand R_p und einer Kapazität C_p parallel geschaltet. Der Sensor 25 ist über einen Tiefpass C_s, R_s mit einem Ladungsmodusverstärker 6 verbunden. Der Ladungsmodusverstärker 26 enthält einen Operationsverstärker OP, der nicht invertierte Eingang davon wird mit einer nominalen Spannung V_b beliefert. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP wird über eine Parallelschaltung eines Widerstandes R_f und einer Kapazität C_f zum invertierten Eingang des Operationsverstärkers OP zurückgeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist als v₀ definiert.
Ein ähnliches Mikrospiegelsystem ist aus dem Dokument DE 10 2013 216 567 A1 bekannt. Die Position eines MEMS-Spiegels wird unter Verwendung einer kapazitiven Messung detektiert. Irgendwelche Abweichungen zwischen der tatsächlichen Spiegelposition und einer nominalen Position des Spiegels sollen verringert werden, um die Genauigkeit des Mikrospiegelsystems zu verbessern.
Probleme entstehen jedoch, wenn die Position des Mikrospiegels kapazitiv gemessen wird. Bei sehr hohen Neigungswinkeln (zum Beispiel etwa 40 °) könnte eine solche indirekte Messung ein unannehmbares Fehlerniveau in der Spiegelpositionsabschätzung bringen. Überdies könnten Messfehler sogar die Fähigkeit des MEMS-Spiegelsteuersystems beeinträchtigen, die nominale Leistung in der Stabilität der Oszillation und insbesondere in der erforderlichen Amplitude zu erreichen.
Folglich besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Mikrospiegelvorrichtung bereitzustellen, die verringerte Fehler zeigt, wenn die Spiegelposition oder Oszillationsfrequenz gemessen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Mikrospiegelvorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, und ein Verfahren, wie in Anspruch 10 definiert, bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Folglich wird eine Mikrospiegelvorrichtung für ein Lichtsystem eines Fahrzeugs mit einem Mikrospiegel zum Ablenken eines Lichtstrahls aus einer bestimmten Richtung und einer Stützeinrichtung, an der der Mikrospiegel in einem vorgegebenen Schwenkbereich schwenkbar befestigt ist, bereitgestellt. Eine solche Mikrospiegelvorrichtung kann für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer verwendet werden. Ein Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, wird auf den Mikrospiegel aus einer vorbestimmten Richtung gelenkt. Der Mikrospiegel soll den Lichtstrahl in einer Vielzahl von Richtungen, die von der vorbestimmten Richtung verschieden sind, ablenken. Für diesen Zweck ist der Mikrospiegel an der Stützeinrichtung schwenkbar montiert und die vorbestimmte Richtung des Lichtstrahls ist vorzugsweise in Bezug auf die Stützeinrichtung fest. Wenn der Mikrospiegel geneigt wird, wird folglich der Lichtstrahl in einem entsprechenden Winkel abgelenkt.
Ferner umfasst die Mikrospiegelvorrichtung eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Mikrospiegels in einer oszillierenden Weise. Eine solche Oszillation kann in verschiedenen Amplituden und Frequenzen durchgeführt werden. Der Ausgangsstrahl des Mikrospiegels führt ähnliche Oszillationsbewegungen durch. Ein solcher oszillierender Lichtstrahl kann zum Abtasten der Umgebungen eines Fahrzeugs verwendet werden.
Außerdem umfasst die Mikrospiegelvorrichtung eine erste Sensoreinrichtung zum Detektieren eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels und zum Erzeugen eines jeweiligen ersten Sensorsignals und eine Recheneinrichtung zum Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels in Abhängigkeit vom ersten Sensorsignal. Dies bedeutet, dass die erste Sensoreinrichtung in der Lage ist, ein optisches Signal zu detektieren, das mit der Neigungs- oder Schwenkposition des Mikrospiegels variiert. Die erste Sensoreinrichtung liefert das erste Sensorsignal entsprechend der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels. Die Recheneinrichtung ist in der Lage, das erste Sensorsignal zu verarbeiten und die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels daraus zu berechnen oder abzuschätzen. Folglich kann die Mikrospiegelvorrichtung die Neigungsposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels detektieren.
Die erste Sensoreinrichtung ist an der Stützeinrichtung in einem Beleuchtungsbereich befestigt, der durch Reflexionsstrahlen abgedeckt ist, die sich aus der Ablenkung des Lichtstrahls durch den Mikrospiegel in allen möglichen Schwenkpositionen des vorgegebenen Schwenkbereichs ergeben. Dies bedeutet, dass die Ausgangslichtstrahlen des Mikrospiegels über die erste Sensoreinrichtung während seiner Oszillationsbewegung abtasten, wenn die Amplitude der Oszillationsbewegung groß genug ist.
Die erste Sensoreinrichtung ist lichtempfindlich. Dies bedeutet, dass die erste Sensoreinrichtung den abgelenkten Lichtstrahl direkt detektieren kann. Die erste Sensoreinrichtung kann ein jeweiliges elektrisches Signal des ersten Sensorsignals liefern, das vom detektierten Lichtstrahl abhängt.
Die Recheneinrichtung ist in der Lage, die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels auf der Basis von mindestens zwei Signalwerten des ersten Sensorsignals von der ersten Sensoreinrichtung und der Annahme einer sinusförmigen Oszillationsbewegung des Mikrospiegels zu bestimmen. Dies bedeutet, dass die Recheneinrichtung die Position und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels durch Betrachten von zwei oder mehr Signalwerten des ersten Sensorsignals, die auf einer vorgegebenen Sinusfunktion liegen sollten, abschätzt. Beispielsweise werden zwei Impulse von der ersten Sensoreinrichtung geliefert. Die Recheneinrichtung schätzt ab, dass die Spitze der Sinusbewegung des Mikrospiegels zwischen diesen Impulsen liegt. Für die Abschätzung können weitere Eingangsdaten verwendet werden, wie eine vorgegebene Frequenz, zum Beispiel Resonanzfrequenz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beziehen sich zwei Signalwerte auf Signalflanken des ersten Sensorsignals. Mit anderen Worten, die Recheneinrichtung kann einen Flankendetektor aufweisen, der die Anfangsflanke oder Endflanke eines vorzugsweise rechteckigen Impulses detektieren kann. Eine solche Flankendetektion kann die Genauigkeit der Bestimmung des Zeitpunkts des Signals verbessern. Dies kann zum Bestimmen der Spiegelposition oder -frequenz mit hoher Auflösung wichtig sein.
Überdies kann die Recheneinrichtung eine Abmessung einer Fleckgröße des Lichtstrahls und eine Abmessung einer Oberfläche der ersten Sensoreinrichtung berücksichtigen, wenn die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels bestimmt werden. Die Abmessungen der Fleckgröße des Lichtstrahls und jene der Oberfläche der ersten Sensoreinrichtung bestimmen die Form des ersten Sensorsignals. Die Formen der ersten Sensorsignale sind vollständig unterschiedlich, wenn die Fleckgröße des Lichtstrahls kleiner oder größer ist als die Detektionsoberfläche der lichtempfindlichen Sensoreinrichtung. Wenn die Abmessungen der Fleckgröße und der Sensoroberfläche berücksichtigt werden, wird folglich die Auflösung der Bestimmung der Schwenkposition oder Frequenz des Mikrospiegels verbessert.
Die erste Sensoreinrichtung kann in einem äußeren Viertel, vorzugsweise in einem äußeren Achtel, des Beleuchtungsbereichs angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Positionierung der ersten Sensoreinrichtung besteht darin, dass die Sensoreinrichtung den reflektierten Lichtstrahl nicht im Hauptbereich verdeckt.
Ferner kann eine zweite Sensoreinrichtung derselben Art wie die erste Sensoreinrichtung diametral entgegengesetzt zur ersten Sensoreinrichtung in Bezug auf den Mikrospiegel angeordnet sein und die Recheneinrichtung kann zur zusätzlichen Verwendung eines zweiten Sensorsignals von der zweiten Sensoreinrichtung zum Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels ausgelegt sein. Eine solche Struktur kann die Genauigkeit der Mikrospiegelvorrichtung weiter verbessern, da die zweite Sensoreinrichtung zur Bereitstellung eines Signals hinsichtlich der Position des Mikrospiegels oder seiner Oszillationsfrequenz beiträgt. Da beide Sensoreinrichtungen diametral zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, können Sensorsignale in jeder halben Periode der Oszillationsbewegung erhalten werden.
Insbesondere kann die Recheneinrichtung dazu ausgelegt sein, einen Versatz der Oszillationsbewegung des Mikrospiegels zum Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels auf der Basis einer ersten Signaldauer des ersten Sensorsignals und einer zweiten Signaldauer des zweiten Sensorsignals zu bestimmen. Insbesondere kann die Differenz beider Signaldauern, zum Beispiel die Differenz der Impulsbreiten, den Winkelversatz des Spiegels in Bezug auf die optische Achse widerspiegeln.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die erste Sensoreinrichtung eine Sensoranordnung und das erste Sensorsignal umfasst eine Vielzahl von individuellen Signalen. Insbesondere kann die erste Sensoreinrichtung eine lineare Sensoranordnung mit einer Vielzahl von individuellen Sensoren umfassen. Eine solche Sensoranordnung kann ermöglichen, dass die Mikrospiegelvorrichtung den reflektierten Lichtstrahl über einen vorbestimmten Abstand verfolgt. Mit einer solchen Anordnung kann es möglich sein, die sinusförmige Bewegung des Mikrospiegels innerhalb eines kleinen Teils der vollständigen Oszillationsbewegung exakt zu verfolgen. Dadurch kann die Recheneinrichtung dazu ausgelegt sein, einen Signalwert jedes individuellen Signals der Signalanordnung zu verwenden, um die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels zu bestimmen.
Die Recheneinrichtung kann dazu ausgelegt sein, ein Maximum, eine Periode und einen Versatz des ersten Sensorsignals zu bestimmen. In Kenntnis dieser Parameter ist eine vollständige Rekonstruktion einer sinusförmigen Bewegung möglich.
Ferner kann eine Detektionsoberfläche der ersten Sensoreinrichtung kleiner sein als die Fleckgröße des Lichtstrahls. In diesem Fall kann die Bewegung des Lichtstrahls mit mehr Genauigkeit im Vergleich zu dem Fall bestimmt werden, in dem die Detektionsoberfläche der ersten Sensoreinrichtung größer ist als die Fleckgröße des Lichtstrahls.
In einer speziellen Anwendung wird ein Lichtsystem für ein Fahrzeug mit der vorstehend beschriebenen Mikrospiegelvorrichtung bereitgestellt. Insbesondere kann ein Scheinwerfer eines Fahrzeugs mit einer solchen Mikrospiegelvorrichtung versehen sein. Überdies kann ein Fahrerassistenzsystem ein solches Lichtsystem umfassen. Dieses System kann den Fahrer durch spezielle Beleuchtungsfunktionen unterstützen.
Daneben kann ein Fahrzeug das vorstehend erwähnte Lichtsystem oder das vorstehend erwähnte Fahrerassistenzsystem umfassen. Mit anderen Worten, das Lichtsystem oder das Fahrerassistenzsystem kann in ein Fahrzeug integriert sein.
Die obige Aufgabe kann auch durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz eines Mikrospiegels eines Lichtsystems eines Fahrzeugs gelöst werden, das umfasst

- Ablenken eines Lichtstrahls aus einer vorbestimmten Richtung durch einen Mikrospiegel, der in einem vorgegebenen Schwenkbereich an einer Stützeinrichtung schwenkbar befestigt ist,
- Antreiben des Mikrospiegels in einer oszillierenden Weise,
- Detektieren eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels durch eine Sensoreinrichtung und Erzeugen eines jeweiligen Sensorsignals und
- Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels in Abhängigkeit vom Sensorsignal, wobei
- die Sensoreinrichtung an der Stützeinrichtung in einem Beleuchtungsbereich befestigt ist, der durch Reflexionsstrahlen abgedeckt ist, die sich aus dem Ablenken des Lichtstrahls durch den Mikrospiegel in allen möglichen Schwenkpositionen des vorgegebenen Schwenkbereichs ergeben,
- die Sensoreinrichtung lichtempfindlich ist, und
- das Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels auf mindestens zwei Signalwerten des Sensorsignals von der Sensoreinrichtung und der Annahme einer sinusförmigen Oszillationsbewegung des Mikrospiegels basiert.

Die obigen Modifikationen und Vorteile, die in Bezug auf die Mikrospiegelvorrichtung erwähnt sind, gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Hier können die Funktionsmerkmale der Mikrospiegelvorrichtung als Verfahrensmerkmale betrachtet werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
Die vorliegende Erfindung wird nun in Verbindung mit den beigefügten Figuren genauer beschrieben, die zeigen in

1 die Struktur einer Mikrospiegelvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Graphen einer Kapazität als Funktion des Neigungswinkels der Mikrospiegelvorrichtung von 1;
3 einen Schaltplan zum Messen von Kapazitätsänderungen der Mikrospiegelvorrichtung von 1;
4 ein Prinzipdiagramm einer Mikrospiegelvorrichtung mit einem optischen Sensor;
5 eine Winkelposition des Mikrospiegels als Funktion der Zeit;
6 ein Sensorsignal des optischen Sensors von 4;
7 eine alternative Struktur der Mikrospiegelvorrichtung mit zwei optischen Sensoren;
8 die Winkelposition des Mikrospiegels als Funktion der Zeit mit Detektionspositionen der zwei Sensoren;
9 die Sensorsignale der zwei optischen Sensoren von 7;
10 eine Mikrospiegelvorrichtung mit einer Sensoranordnung;
11 die Winkelposition des Mikrospiegels mit dem Detektionsbereich der Sensoranordnung; und
12 ein Sensorsignal der Sensoranordnung von 10.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee der Verwendung eines direkten Verfahrens zum Messen einer Mikrospiegel- (zum Beispiel MEMS-Spiegel) Oszillationsfrequenz und/oder -Position vorzugsweise in einer LIDAR- (Lichtdetektion und Entfernungsmessung) Anwendung unter Verwendung mindestens eines lichtempfindlichen Elements. Vorzugsweise ist dieses lichtempfindliche Element in Bezug auf den Mikrospiegel außerhalb angeordnet. Eine Mikrospiegelvorrichtung kann den Mikrospiegel und das lichtempfindliche Element umfassen.
Es bestehen mehrere Vorteile einer solchen Messung der Oszillationsfrequenz und/oder Position des Mikrospiegels mit einem lichtempfindlichen Element. Ein Vorteil ist die direkte Messung eines Ereignisses einer (Laser) Lichtablenkung in den gewünschten Winkel. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messung mit sehr hoher Genauigkeit, d. h. im Bereich von Nanosekunden, falls erforderlich, durchgeführt werden könnte. Daneben hängt die Messgenauigkeit nicht von der Bewegungsamplitude ab, d. h. hohe Neigungswinkel beeinträchtigen nicht die Messergebnisse. Ferner sind die Kosten eines Messsystems auf der Basis der lichtempfindlichen Detektion preiswerter als des in 3 gezeigten kapazitiven Systems. Außerdem ist die Stabilität in Bezug auf die Temperatur, den Druck oder die Alterung des optischen Messsystems besser als die Stabilität des kapazitiven Systems. Überdies deckt die optische Messung eine der Funktionssicherheitsanforderungen, „den korrekten Betrieb des MEMS sicherzustellen“, im Fall eines Kraftfahrzeug-LIDAR ab.
Eine Ausführungsform einer Mikrospiegelvorrichtung ist in 4 dargestellt. Die Ausführungsform kann als LIDAR-System konfiguriert sein. Die Mikrospiegelvorrichtung umfasst eine Stützeinrichtung 1, die ein starrer Körper sein sollte. Ein Mikrospiegel 2 ist an der Stützeinrichtung 1 schwenkbar befestigt. Eine Antriebseinrichtung (in 4 nicht gezeigt) ist in der Lage, den Mikrospiegel 2 in einer oszillierenden Weise anzutreiben.
Ein Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserlichtstrahl, der in 4 nicht gezeigt ist, wird durch den Mikrospiegel 2 abgelenkt, wobei ein abgelenkter Lichtstrahl 3, 4, 5 erzeugt wird. Die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 3, 4, 5 hängt von der Winkelposition, d. h. dem Neigungswinkel oder der Schwenkposition, des Mikrospiegels 2 ab. Der abgelenkte Lichtstrahl 5 kann eine zentrale Richtung des abgelenkten Lichtstrahls darstellen, um den der abgelenkte Lichtstrahl oszilliert. Der abgelenkte Lichtstrahl 3 kann eine äußerste Schwenkposition, d. h. das Maximum oder Minimum einer sinusförmigen Bewegung, darstellen. Der abgelenkte Lichtstrahl 4 kann eine Richtung zwischen dem abgelenkten Lichtstrahl 5 und dem abgelenkten Lichtstrahl 3 darstellen. Der Winkelbereich zwischen dem abgelenkten Lichtstrahl 5 und dem abgelenkten Lichtstrahl 4 stellt den Kondensatormessbereich 6 des Systems des Standes der Technik gemäß 1 bis 3 dar. Der volle Betriebsbereich des abgelenkten Lichtstrahls ist jedoch viel größer. Die Hälfte des vollen Betriebsbereichs 7 ist in 4 zwischen dem abgelenkten Lichtstrahl 3 und dem abgelenkten Lichtstrahl 5 angegeben. Es ist leicht erkennbar, dass nur ein kleiner Teil des vollen Betriebsbereichs des abgelenkten Lichtstrahls durch das kapazitive Messsystem detektiert werden kann.
Die Mikrospiegelvorrichtung von 4 umfasst ferner einen optischen Sensor oder ein lichtempfindliches Element als erste Sensoreinrichtung 8. Er ist an der Stützeinrichtung fest angebracht, so dass der Mikrospiegel 2 und die erste Sensoreinrichtung 8 in einer vorgegebenen geometrischen Beziehung stehen. Eine korrekte Anordnung der ersten Sensoreinrichtung 8 sollte durch den Herstellungsprozess der Stützeinrichtung 1, zum Beispiel ein LIDAR-Gehäuse, sichergestellt werden. Die erste Sensoreinrichtung 8 ist innerhalb des vollen Betriebsbereichs des abgelenkten Lichtstrahls und insbesondere im halben Bereich 7 in 4 angeordnet.
Es wird angenommen, dass der Mikrospiegel 2 eine Winkelbewegung durchführt, wie durch die Sinusfunktion von 5 gezeigt. Die Winkelposition θ ist über die Zeit aufgetragen. Die Winkelposition 9 der ersten Sensoreinrichtung entspricht θ=30°im vorliegenden Beispiel. Dies bedeutet, dass der abgelenkte Lichtstrahl auf die erste Sensoreinrichtung (lichtempfindliches Element) gerichtet wird, wenn der Mikrospiegel 2 um einen Winkel von 30°geneigt ist. Im vorliegende n Fall weist die Sinusfunktion 10 des Mikrospiegels 2 einen Versatz von +5°auf.
6 stellt ein erstes Sensorsignal 12 der ersten Sensoreinrichtung 8 dar. Die Signalform des ersten Sensorsignals 12 ist nur ein schematisches Konzept. Die Signalform kann mit der Fleckgröße des Laserstrahls und der Detektionsoberfläche der ersten Sensoreinrichtung 8 variieren. Die in 6 gezeigte Signalform kann erhalten werden, wenn die Fleckgröße des Lichtstrahls größer ist als die Detektionsoberfläche des Photoelements. Wenn die Fleckgröße des Lichtstrahls und die Detektionsoberfläche des Photoelements ähnliche Abmessungen aufweisen, können andererseits zwei schmale Impulse anstelle eines breiten Impulses erscheinen.
In dem Beispiel von 6 ist der Wert des ersten Sensorsignals niedrig bis zum Zeitpunkt T0. Zwischen dem Zeitpunkt T0 und dem Zeitpunkt T1 ist der Signalwert des ersten Sensorsignals hoch. Danach ist der Signalwert des ersten Sensorsignals wieder niedrig bis zum Zeitpunkt T2. Zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 ist der Signalwert wieder hoch und nach dem Zeitpunkt T3 ist der Signalwert niedrig.
Parameter der Oszillationsbewegung des Mikrospiegels 2 können mit den folgenden Gleichungen berechnet werden. Es kann angenommen werden, dass der Neigungswinkel θ des Mikrospiegels über die Zeit beschrieben werden kann durch $θ = A * sin (ω * t) + A_{offset},$
wobei A die Amplitude der Sinusfunktion 10 und ω die Winkelfrequenz darstellt. A_offset ist der Versatz des Neigungswinkels. Ferner ist die Oszillationsperiode gegeben durch $T_{period} = T 2 - T 0.$
Folglich ist die Winkelfrequenz ω $ω = 2 π f = 2 π / T_{period} .$
Die Impulsbreite des ersten Sensorsignals kann sein $W = T 1 - T 0.$
Die Impulsbreite kann kürzer sein, wenn die Fleckgröße des Lichtstrahls und die Detektionsoberfläche des Photoelements ähnliche Abmessungen aufweisen.
Im Fall des Vernachlässigens des Versatzes (d. h. unter der Annahme A_offset=0), kann man die Amplitude der Spiegeloszillation direkt abschätzen als $A = Y 0 / sin (ω * T 0),$
wobei Y0 der Winkel ist, in dem die erste Sensoreinrichtung (zum Beispiel lichtempfindliches Element) angeordnet ist.
Falls die Amplitude der Oszillation bekannt ist, ist der Versatz der Oszillationsbewegung gegeben durch $A_{offset} = Y 0 + A * sin ((W * 2 * π * f - π) / 2) .$
Mit den obigen Gleichungen können die Schwenkposition des Mikrospiegels sowie die Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels berechnet oder abgeschätzt werden.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung ist in 7 gezeigt. Der Unterschied zwischen der Ausführungsform von 4 und der Ausführungsform von 7 besteht darin, dass in der letzteren eine zweite Sensoreinrichtung implementiert wird. Insbesondere können zwei lichtempfindliche Elemente symmetrisch auf jeder Seite des Betriebsbereichs des Mikrospiegels 2 angeordnet sein, d. h. die zweite Sensoreinrichtung 13 ist an der Stützeinrichtung 1 in einer geometrisch vorbestimmten Beziehung zum Mikrospiegel 2 befestigt. Vorzugsweise ist die zweite Sensoreinrichtung 13 symmetrisch zur ersten Sensoreinrichtung 8 in Bezug auf die Position des Mikrospiegels 2 oder die zentrale Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 5 angeordnet. Die anderen Elemente der Mikrospiegelvorrichtung sind gleich jenen der Ausführungsform von 4. Hinsichtlich dieser Elemente wird auf die Beschreibung von 4 verwiesen.
8 zeigt die Sinusfunktion der Winkelposition θ des Mikrospiegels 2. Die Winkelposition 14 der zweiten Sensoreinrichtung 13 ist -30°. Folglich ist die zweite Sensoreinrichtung 13 symmetrisch zur ersten Sensoreinrichtung 8 in Bezug auf die ideale Achse von 0°angeordnet. Aufgrund des Versatzes 11 ist jedoch die Sinusfunktion 10 des Neigungswinkels θ des Mikrospiegels 2 verschoben.
9 zeigt das entsprechende erste Sensorsignal 12 und das zweite Sensorsignal 15. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass das Sensorsignal eine rechteckige Form aufweist, wenn sich der Spiegel durch seine Spitzen (Maxima und Minima) bewegt. Die Form des ersten Sensorsignals 12 ist gleich jener von 6. Der Signalwert des zweiten Sensorsignals im vorliegenden Beispiel ist niedrig bis zum Zeitpunkt T4. Anschließend ist der Signalwert hoch bis zum Zeitpunkt T5. Zwischen dem Zeitpunkt T5 und dem Zeitpunkt T6 ist der Signalwert wieder niedrig. Danach ist der Signalwert hoch bis zum Zeitpunkt T7 und anschließend ist er wieder niedrig. Die hohen Signalwerte des zweiten Sensorsignals 15 entsprechen jenen Bereichen der Sinusfunktion 10, die unter -30°liegen, d. h. der abgelenkte Lichtstrahl wird auf oder über die zweite Sensoreinrichtung 13 hinaus gerichtet.
Gemäß dem Beispiel von 7 bis 9 werden zwei Orte für lichtempfindliche Elemente ausgewählt, um den Betriebsbereich der (Laser) Lichtablenkung abzudecken. Wie als nächstes gezeigt wird, ist eine direkte Messung des systematischen Versatzes des (MEMS) Mikrospiegels möglich. Eine Oszillationsperiode, die durch die erste Sensoreinrichtung 8 gemessen wird, ist gegeben durch $T_{period} = T 2 - T 0.$
Eine Oszillationsperiode, die durch die zweite Sensoreinrichtung 13 gemessen wird, ist gegeben durch $T_{period} = T6 - T4 .$
Das Mitteln beider Messungen führt zu einem verringerten Abschätzungsfehler.
Die Differenz der Impulsbreite $W 1 = T 1 - T 0$
an der ersten Sensoreinrichtung 8 und der Impulsbreite $W 2 = T 5 - T 4$
an der zweiten Sensoreinrichtung 13 spiegelt den Winkelversatz 11 des Mikrospiegels 2 in Bezug auf die optische (LIDAR) Achse wider.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung ist in 10 gezeigt. Sie basiert auf der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform. Daher wird hinsichtlich der meisten Elemente auf die Beschreibung von 4 verwiesen.
Der Unterschied zwischen der Ausführungsform von 10 und jener von 4 besteht darin, dass in 10 die erste Sensoreinrichtung 8' kein einzelnes Sensorelement, sondern eine Sensoranordnung umfasst. Die Sensoranordnung deckt einen bestimmten Abschnitt des Beleuchtungsbereichs der abgelenkten Lichtstrahlen 3, 4, 5 (auch Reflexionsstrahlen genannt) ab. In einem Beispiel deckt die Sensoranordnung der ersten Sensoreinrichtung 8' den Abschnitt des Beleuchtungsbereichs ab, der dem Winkelbereich zwischen 30°und 50°des Mikrospiegels 2 entsprich t. Eine solche Bedingung ist in 11 symbolisiert, d. h. die Sensoranordnung beginnt die Detektion bei 30°. Dies entspricht der Startposition 9' der Sensoranordnung der ersten Sensoreinrichtung 8'. Die Sinusfunktion 10 der Bewegung des Mikrospiegels 2 entspricht jener von 5 und 8.
12 stellt das Sensorsignal der Sensoranordnung der ersten Sensoreinrichtung 8' dar. Die Funktion des Sensorsignals ist nur symbolisch. Die Erfassung beginnt zum Zeitpunkt T0, wo der Mikrospiegel 2 30°erreicht. Ebenso ende t die Erfassung zum Zeitpunkt T2, wenn der Winkel des Mikrospiegels 2 unter 30°liegt. Zwischen diesen zwei Zeitpunkten detektieren die mehreren Sensorelemente der Sensoranordnung den abgelenkten Lichtstrahl. Das äußerste Sensorelement der Sensoranordnung, das den abgelenkten Lichtstrahl detektiert, liefert die maximale Position des abgelenkten Lichtstrahls und daher auch die maximale Winkelposition oder maximale Schwenkposition des Mikrospiegels 2. In dem Beispiel von 12 wird das Maximum zum Zeitpunkt T1 erreicht. Dasselbe Sensorsignal erscheint eine Periode später zwischen den Zeitpunkten T3, T4 und T5.
Wie aus den folgenden Berechnungen zu sehen ist, ist eine quasi direkte Messung des systematischen Versatzes 11 des Mikrospiegels 2 möglich. Ferner hängt in dieser Ausführungsform die Messgenauigkeit nicht von der Bewegungsamplitude ab, d. h. hohe Neigungswinkel beeinträchtigen nicht die Messergebnisse.
Wiederum wird der Spiegelneigungswinkel über die Zeit beschrieben durch $y = A * sin (ω * t) + A_{offset} .$
Die Oszillationsperiode, die mit der Sensoranordnung der ersten Sensoreinrichtung 8' gemessen wird, ist gegeben durch $T_{period} = T 3 - T 0.$
Um die Genauigkeit der Abschätzung zu verbessern, könnten statistische oder Signalverarbeitungsverfahren angewendet werden, um das Signal an der Photoanordnung zu erfassen.
Eine direkte Messung des maximalen Ablenkungswinkels, d. h. der Amplitude A, ist möglich. Wie in 12 dargestellt, zeigt das Sensorsignal direkt den maximalen Ablenkungswinkel.
Mit bekannter Amplitude A kann der Spiegelversatz 11 von der 0-Achse berechnet werden als $A_{offset} = Y 0 + A * sin ((W * 2 * π * f - π) / 2),$
wobei W=T2-T0 die Breite im Y0-Winkel (30°) in 11 des entsprechenden Anordnungselements signalisiert.
Schlussfolgernd ermöglichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Bestimmung der Oszillationsfrequenz und/oder der Schwenkposition des Mikrospiegels 2 mit einem höheren Grad an Genauigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013216567 A1 [0010]

Claims

Mikrospiegelvorrichtung für ein Lichtsystem eines Fahrzeugs, die umfasst - einen Mikrospiegel (2) zum Ablenken eines Lichtstrahls aus einer vorbestimmten Richtung, - eine Stützeinrichtung (1), an der der Mikrospiegel (2) in einem vorgegebenen Schwenkbereich schwenkbar befestigt ist, - eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Mikrospiegels (2) in einer oszillierenden Weise, - eine erste Sensoreinrichtung (8, 8') zum Detektieren eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels (2) und zum Erzeugen eines jeweiligen ersten Sensorsignals (12) und - eine Recheneinrichtung zum Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) in Abhängigkeit vom ersten Sensorsignal (12), dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Sensoreinrichtung (8, 8') an der Stützeinrichtung (1) in einem Beleuchtungsbereich befestigt ist, der durch Reflexionsstrahlen (3, 4, 5) abgedeckt ist, die sich aus dem Ablenken des Lichtstrahls durch den Mikrospiegel (2) in allen möglichen Schwenkpositionen des vorgegebenen Schwenkbereichs ergeben, - die erste Sensoreinrichtung (8) lichtempfindlich ist und - die Recheneinrichtung in der Lage ist, die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) auf der Basis von mindestens zwei Signalwerten des ersten Sensorsignals (12) von der ersten Sensoreinrichtung (8, 8') und der Annahme einer sinusförmigen Oszillationsbewegung des Mikrospiegels (2) zu bestimmen.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Signalwerte sich auf Signalflanken des ersten Sensorsignals (12) beziehen.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung eine Abmessung einer Fleckgröße des Lichtstrahls und eine Abmessung einer Oberfläche der ersten Sensoreinrichtung (8, 8') berücksichtigt, wenn die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) bestimmt werden.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (8) in einem äußeren Viertel, vorzugsweise in einem äußeren Achtel, des Beleuchtungsbereichs angeordnet ist.
Mikrospiegelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Sensoreinrichtung (13) derselben Art wie die erste Sensoreinrichtung (8, 8') diametral entgegengesetzt zur ersten Sensoreinrichtung (8, 8') in Bezug auf den Mikrospiegel (2) angeordnet ist und die Recheneinrichtung zur zusätzlichen Verwendung eines zweiten Sensorsignals (15) von der zweiten Sensoreinrichtung (13) zum Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) ausgelegt ist.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Versatz (11) der Oszillationsbewegung des Mikrospiegels (2) zum Bestimmen der Schwenkposition des Mikrospiegels (2) auf der Basis einer ersten Signaldauer des ersten Sensorsignals (12) und einer zweiten Signaldauer des zweiten Sensorsignals (15) zu bestimmen.
Mikrospiegelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (8, 8') eine Sensoranordnung umfasst und das erste Sensorsignal eine Vielzahl von individuellen Signalen umfasst.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Signalwert jedes individuellen Signals der Signalanordnung zu verwenden, um die Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) zu bestimmen.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Maximum, eine Periode und einen Versatz (11) des ersten Sensorsignals (12) zu bestimmen.
Mikrospiegelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionsoberfläche der ersten Sensoreinrichtung (8, 8') kleiner ist als eine Fleckgröße des Lichtstrahls.
Lichtsystem für ein Fahrzeug mit einer Mikrospiegelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Fahrerassistenzsystem mit einem Lichtsystem nach Anspruch 10.
Fahrzeug mit einem Lichtsystem nach Anspruch 10 oder einem Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 11.
Verfahren zum Bestimmen einer Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz eines Mikrospiegels (2) eines Lichtsystems eines Fahrzeugs, das umfasst - Ablenken eines Lichtstrahls aus einer vorbestimmten Richtung durch einen Mikrospiegel (2), der in einem vorgegebenen Schwenkbereich an einer Stützeinrichtung (1) schwenkbar befestigt ist, - Antreiben des Mikrospiegels (2) in einer oszillierenden Weise, - Detektieren eines Signals in Abhängigkeit von der Schwenkposition des Mikrospiegels (2) durch eine Sensoreinrichtung (8, 8', 13) und Erzeugen eines jeweiligen Sensorsignals (12, 15) und - Bestimmen der Schwenkposition und/oder Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) in Abhängigkeit vom Sensorsignal (12, 15), dadurch gekennzeichnet, dass - die Sensoreinrichtung (8, 8', 13) an der Stützeinrichtung (1) in einem Beleuchtungsbereich befestigt ist, der durch Reflexionsstrahlen (3, 4, 5) abgedeckt ist, die sich aus dem Ablenken des Lichtstrahls durch den Mikrospiegel (2) in allen möglichen Schwenkpositionen des vorgegebenen Schwenkbereichs ergeben, - die Sensoreinrichtung (8, 8', 13) lichtempfindlich ist und - das Bestimmen der Schwenkposition und/oder der Oszillationsfrequenz des Mikrospiegels (2) auf mindestens zwei Signalwerten des Sensorsignals (12, 15) von der Sensoreinrichtung (8, 8', 13) und der Annahme einer sinusförmigen Oszillationsbewegung des Mikrospiegels (2) basiert.