Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Objekts nach Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Messverfahren für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung sowie ein Fahrerassistenzsystem aufweisend eine erfindungsgemäße Messvorrichtung.The invention relates to a measuring device for distance determination of an object according to claim 1. Furthermore, the invention relates to a measuring method for a measuring device according to the invention and a driver assistance system comprising a measuring device according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Messvorrichtungen bekannt, die mittels eines optischen Sensors eine Objekterfassung und/oder eine Abstandsbestimmung ermöglichen. Dafür umfasst der optische Sensor eine Lichtquelle, beispielsweise einen Emitter für kohärente Lichtwellen sowie Detektionsmittel, die dafür ausgebildet sind, reflektierte Lichtwellen zu erfassen und auszuwerten. Ein Lichtstrahl, der aus kohärenten Lichtwellen besteht, besitzt eine konstante Phasenbeziehung hinsichtlich seiner räumlichen und zeitlichen Ausbreitung. Auch ist es allgemein bekannt, dass kohärente Lichtwellen, die von wenigstens zwei Emittern abgestrahlt werden, in einem Fernfeld ein Interferenzmuster ausbilden, wobei sich in einer senkrecht zur Lichtwellenausbreitungsrichtung angeordneten Ebene durch konstruktive und destruktive Interferenz helle und dunkle Bereiche ausbilden. Die hellen Bereiche sind um ein Maximum der Helligkeit angeordnet und werden im Folgenden als Maximaflächen bezeichnet. In den Maximaflächen besteht eine hohe Helligkeit, da sich hier die Lichtwellen der wenigstens zwei Emitter konstruktiv überlagern, wobei die Lichtintensität in den Maximaflächen über einem festgelegten Richtwert G liegt. Dagegen heben sich die kohärenten Lichtwellen der wenigstens zwei Emitter zwischen den Maximaflächen auf, weshalb dort dunkle Bereiche entstehen, in denen die Lichtintensität kleiner als der Richtwert G ist. Somit kann man den Maximaflächen eine Maximabreite B zuordnen, wobei zueinander benachbarte Maximaflächen in einem Abstand A zueinander beabstandet sind. Für das Ausbilden eines derartigen Interferenzmusters ist es erforderlich, dass die die Lichtstrahlen abgebenden Emitter in einer bestimmten Mindestentfernung zu dem Ort angeordnet sind, in welchem sich das Interferenzmuster auf einem Schirm oder Objekt ausbilden soll. Üblicherweise wird der Bereich, in dem parallel zueinander ausgerichtete Lichtstrahlen ein Interferenzmuster zeigen, als Fernfeld bezeichnet. Mit anderen Worten ausgedrückt, beginnt das Fernfeld in einer Entfernung, die sehr viel größer ist als d2/ λ, wobei d der Durchmesser des Lichtstrahls und λ die Wellenlänge der Lichtwellen ist. Bei einem Referenzstrahl mit einem Durchmesser von 10µm und einer Wellenlänge von 1µm, ergibt sich eine Entfernung für das Fernfeld von ca. 1cm.Numerous measuring devices are known from the prior art, which enable object detection and / or distance determination by means of an optical sensor. For this purpose, the optical sensor comprises a light source, for example an emitter for coherent light waves, as well as detection means, which are designed to detect and evaluate reflected light waves. A light beam consisting of coherent light waves has a constant phase relationship in terms of its spatial and temporal propagation. It is also generally known that coherent light waves which are emitted by at least two emitters form an interference pattern in a far field, wherein light and dark regions are formed in a plane arranged perpendicularly to the light wave propagation direction by constructive and destructive interference. The bright areas are arranged around a maximum of the brightness and are referred to below as the maximum areas. There is a high brightness in the maximum areas, since here the light waves of the at least two emitters are constructively superimposed, the light intensity in the maximum areas being above a defined guide value G lies. On the other hand, the coherent light waves of the at least two emitters cancel each other out between the maximum surfaces, which is why dark areas arise there in which the light intensity is smaller than the standard value G is. Thus one can give the Maxima surfaces a Maxima width B assign, wherein adjacent to each other Maximaxlächen at a distance A are spaced from each other. For the formation of such an interference pattern, it is necessary that the emitters emitting the light beams are arranged at a certain minimum distance to the location in which the interference pattern is to be formed on a screen or object. Usually, the area in which parallel aligned light beams show an interference pattern is called a far field. In other words, the far field starts at a distance much larger than d 2 / λ, where d is the diameter of the light beam and λ is the wavelength of the light waves. With a reference beam with a diameter of 10μm and a wavelength of 1μm, there is a distance for the far field of about 1cm.
Aus der US 2006/0239312 A1 sind Emitter für parallel in eine Lichtwellenausbreitungsrichtung ausgerichtete Lichtstrahlen bestehend aus kohärenten Lichtwellen bekannt, die im Fernfeld ein Interferenzmuster zeigen. Nachteilig dabei ist, dass sich die Entfernung zur Ausbildung des Interferenzmusters sowie die Maximafläche und der Abstand A von zueinander benachbarten Maximaflächen nur durch die Veränderung der Emitter beeinflussen lassen. So hängt die Ausbildung des Interferenzmusters von der Anzahl der Emitter, dem Abstand A benachbarter Emitter, der Breite der erzeugten Lichtstrahlen sowie der Wellenlänge λ der Lichtwellen ab. Darüber hinaus verändert sich das Interferenzmuster auch mit wachsender Entfernung E von den die Lichtstrahlen abgebenden Emittern, wobei eine längs zur Lichtwellenausbreitungsrichtung erstreckende Zone existiert, in welcher sich der Abstand A sowie die Maximabreite B im Rahmen von festgelegten Parametern verändern (Änderungsrate). Nach der Gittergleichung entstehen die Maximaflächen der n-ten Ordnung durch konstruktive Interferenz in von einer durch die Emitter bestimmte Gitterperiode g abhängigen Winkelbereichen αn, wobei folgender Zusammenhang besteht:
From the US 2006/0239312 A1 emitters for parallel aligned in a light wave propagation direction light rays consisting of coherent light waves are known, which show an interference pattern in the far field. The disadvantage here is that the distance to the formation of the interference pattern and the maximum area and the distance A can be influenced only by the change of the emitter of mutually adjacent Maximaxlächen. Thus, the formation of the interference pattern depends on the number of emitters, the distance A adjacent emitter, the width of the light beams generated and the wavelength λ of the light waves. In addition, the interference pattern also changes with increasing distance e from the emitters emitting the light beams, there exists a zone extending along the direction of the lightwave propagation, in which the distance A as well as the maximum width B change within set parameters (rate of change). According to the lattice equation, the n-th order maximum surfaces are created by constructive interference in angular ranges α n dependent on a grating period g determined by the emitter, the following relationship being found:
Da der Sinus für reelle Argumente nur Werte im Bereich von minus eins bis plus eins annimmt, hängt die Anzahl der sichtbaren Maximaflächen unmittelbar von der Wellenlänge λ und der Gitterperiode g ab.Since the real argument sine only takes on values in the range of minus one to plus one, the number of visible maxima areas depends directly on the wavelength λ and the grating period g.
Damit befinden sich die Maximaflächen in der Entfernung Δz näherungsweise an der transversalen Position (in Querrichtung)
Thus, the maximum surfaces are at the distance Δz approximately at the transverse position (in the transverse direction)
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Interferenzmuster der durch die wenigstens zwei Emitter zur Abgabe von parallel zueinander ausgerichteten Lichtstrahlen bestehend aus kohärenten Lichtwellen beeinflusst werden kann, ohne dass Emitter selbst oder die Lichtwellen verändert werden müssen. Ferner kann durch das erfindungsgemäß vorgesehene optische Element die Entfernung E, ab welcher sich das Interferenzmuster ausbildet, verringert werden. Daneben ist es insbesondere auch möglich, die Tiefenschärfe des Interferenzmusters zu verbessern. Die Tiefenschärfe beschreibt dabei eine Zone um den Brennpunkt, in welchem sich die Flächenänderung der Maximaflächen innerhalb eines definierten Bereichs bewegt.The measuring device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the interference pattern can be influenced by the at least two emitters for emitting parallel aligned light beams consisting of coherent light waves without emitter itself or the light waves must be changed. Furthermore, the distance provided by the optical element provided according to the invention e from which the interference pattern is formed can be reduced. In addition, it is also possible in particular to improve the depth of focus of the interference pattern. The depth of field describes a zone around the focal point, in which the Area change of the maximum areas moved within a defined range.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Objekts weist hierfür wenigstens ein optisches Element auf, welches zwischen den wenigstens zwei Emittern und dem Objekt derart angeordnet ist, dass das optische Element von den Lichtstrahlen durchstrahlt wird. Dies ermöglicht erfindungsgemäß die Ausbildung des Interferenzmusters zu beeinflussen, da die Entfernung E, in welcher sich ein Interferenzmuster ausbildet, variiert werden kann. Somit ist es möglich, das Interferenzmuster auf dem Objekt zu erzeugen, welches ohne das optische Element nicht im Fernfeld angeordnet wäre, was zur Folge hätte, dass sich auf dem Objekt aufgrund der geringen Entfernung E kein Interferenzmuster ausbilden würde. Erfindungsgemäß kann die Quererstreckung des Objekts durch die Anzahl der sich auf dem Objekt senkrecht zur Lichtwellenausbreitungsrichtung (in Querrichtung) ausbildenden Maximaflächen des Interferenzmusters bestimmt werden, wodurch die Auflösung bei der Objekterfassung durch die Messvorrichtung verbessert werden kann. Dafür sind die Detektionsmittel derart ausgebildet, dass diese die von den Maximaflächen auf dem Objekt zurückgeworfenen bzw. reflektierten Lichtwellen erfassen, wodurch erfindungsgemäß ein Rückschluss auf die Quererstreckung des Objekts ermöglicht wird. Dies hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass die Emitter zur Bestimmung der Quererstreckung des Objekts nicht mechanisch quer zur Lichtwellenausbreitungsrichtung, also in Querrichtung, transversal bewegt werden müssen. Insbesondere ist es auch möglich, das Interferenzmuster in Bezug auf die Querrichtung zu verschieben. Eine derartige Ausführungsform, welche keine mechanischen Komponenten aufweist, ist nicht nur wartungsärmer und weniger fehleranfällig, sondern ermöglicht auch den Aufbaue einer kostengünstigen Messvorrichtung.The measuring device according to the invention for determining the distance of an object for this purpose has at least one optical element, which is arranged between the at least two emitters and the object such that the optical element is irradiated by the light beams. This allows the invention to influence the formation of the interference pattern, since the distance e in which an interference pattern is formed, can be varied. Thus, it is possible to generate the interference pattern on the object which would not be located in the far field without the optical element, which would result in the object being located on the object due to the small distance e would not form an interference pattern. According to the invention, the transverse extent of the object can be determined by the number of maximum areas of the interference pattern formed on the object perpendicular to the direction of light wave propagation (in the transverse direction), whereby the resolution in the object detection by the measuring device can be improved. For this purpose, the detection means are designed in such a way that they detect the light waves reflected or reflected by the maximum surfaces on the object, as a result of which a conclusion on the transverse extent of the object is made possible according to the invention. This has the advantage according to the invention that the emitters for determining the transverse extent of the object need not be moved transversely transversely to the light wave propagation direction, ie in the transverse direction, transversely. In particular, it is also possible to shift the interference pattern with respect to the transverse direction. Such an embodiment, which has no mechanical components, is not only less expensive and less error-prone, but also allows the construction of a cost-effective measuring device.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous developments of the measuring device according to the invention are listed in the subclaims.
Eine bevorzugte Optimierung sieht vor, dass die wenigstens zwei Emitter durch ein wenigstens zwei Lichtquellen aufweisendes optisches Phasengitter ausgebildet sind. Ein optisches Phasengitter wird im englischen Raum auch als optisches Phase-Array bezeichnet und ermöglicht eine besonders effiziente und einfache Erzeugung von Lichtstrahlen, die aus kohärenten Lichtwellen bestehen. Zudem ist die Anzahl der Lichtquellen nicht nur auf zwei begrenzt, sondern kann beispielsweise auf 10, 20, 50 oder 100 Lichtquellen erhöht werden, was sich vorteilhaft auf die Ausbildung des Interferenzmusters auf dem Objekt auswirkt. Dies ermöglicht eine zusätzliche Anpassung der Messvorrichtung für einen Anwendungsfall, da die Auflösung, also die Anzahl der Maxima bzw. der Abstand der Maximaflächen zueinander, mit einer Vergrößerung der Anzahl der Lichtquellen verbessert werden kann. Zudem wandern die Maximaflächen näher aneinander (Abstand A wird kleiner), wenn der Abstand A der in einer Reihe angeordneten Lichtquellen zueinander verringert wird. Auch dies bietet eine Optimierungsmöglichkeit, um die Messvorrichtung besser an den Anwendungsfall anzupassen.A preferred optimization provides that the at least two emitters are formed by an optical phase grating having at least two light sources. An optical phase grating is also referred to in English as an optical phase array and allows a particularly efficient and simple generation of light rays, which consist of coherent light waves. In addition, the number of light sources is not limited to only two, but can be increased to, for example, 10, 20, 50 or 100 light sources, which has an advantageous effect on the formation of the interference pattern on the object. This allows an additional adaptation of the measuring device for an application, since the resolution, ie the number of maxima or the distance of the maximum surfaces to each other, can be improved with an increase in the number of light sources. In addition, the Maximaflächen move closer to each other (distance A becomes smaller) when the distance A the arranged in a row light sources is reduced to each other. This also offers an optimization option to better adapt the measuring device to the application.
Weiterbildend ist vorgesehen, dass die Phase der Lichtwellen des optischen Phasengitters mittels programmierbarer, phasenschiebender Elemente einstellbar ist, wodurch ein Phasenversatz zwischen den einzelnen, in einer Reihe angeordneten Lichtquellen des Phasengitters erzeugbar ist. Mit einem derartigen ansteigenden Phasenversatz von beispielsweise λ/4 kann die Lage sämtlicher Maximaflächen in Querrichtung verschoben werden. Auch diese vorteilhafte Maßnahme ermöglicht den Anteil an mechanischen Komponenten der Messvorrichtung zu verringern, da auf etwaige Verschwenkmechanismen oder Verschiebmechanismen für die Umsetzung einer Transversalbewegung der Lichtquellen verzichtet werden kann. Dies führt zu vorteilhaften Kosten- und Materialeinsparungen.Further, it is provided that the phase of the light waves of the optical phase grating is adjustable by means of programmable, phase-shifting elements, whereby a phase shift between the individual, arranged in a row light sources of the phase grating can be generated. With such an increasing phase offset of, for example, λ / 4, the position of all the Maximax surfaces can be shifted in the transverse direction. This advantageous measure also makes it possible to reduce the proportion of mechanical components of the measuring device, since it is possible to dispense with any pivoting mechanisms or displacement mechanisms for implementing a transverse movement of the light sources. This leads to advantageous cost and material savings.
In einer Fortbildung der Erfindung ist das optische Element aus einer, eine Brennweite f aufweisenden Fokussierlinse ausgebildet. Durch die Fokussierlinse kann die Lage sowie die Mindestentfernung des Interferenzmusters von der Lichtquelle beeinflusst werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Fokussierlinse in einer Distanz I von den Emittern angeordnet ist, wobei die Distanz I kleiner als die Brennweite f der verwendeten Fokussierlinse ist. Die Brennweite f einer Fokussierlinse bezeichnet die Distanz des Fokus, also den Abstand zwischen der Fokussierlinse und dem Punkt, in welchem alle achsparallelen Strahlen zusammenlaufen und sich schneiden. Je größer die Brennweite f der Fokussierlinse gewählt wird, desto größer wird auch die Maximabreite B der Maximaflächen des Interferenzmusters. Gleichzeitig besitzt eine Maximafläche mit einer großen Breite B auch eine hohe Tiefenschärfe. Die Tiefenschärfe beschreibt eine Zone um den Brennpunkt, in welcher sich die Flächenänderung der Maximaflächen innerhalb eines vordefinierten Bereichs bewegt. Dies bedeutet, dass sich bei einer Fokussierlinse mit einer großen Brennweite f die Maximaflächen der Interferenzmuster mit wachsender Entfernung E weniger stark ändern (geringere Änderungsrate) als bei Fokussierlinsen mit einer kleinen Brennweiten f. Dadurch ist die Zone um die Brennweite f, in welcher ein Objekt erfassbar ist, bei der Wahl einer großen Brennweite f und damit einer großen Entfernung E des Objekts deutlich größer als bei Objekten in geringer Entfernung E, die mit kleinen Brennweiten f aufgelöst werden. Dabei kann vorteilhaft durch die Größenveränderung der zueinander benachbarten Maximaflächen die Anordnung (Ausrichtung) des Objekts zu der erfindungsgemäßen Messvorrichtung erfasst werden, da sich die Maximaflächen in zunehmender Entfernung E in Abhängigkeit der Brennweite f vergrößern. Dabei gilt der Zusammenhang:
wobei w0 der Durchmesser des Lichtstrahls vor dem als Fokussierlinse ausgebildeten optischen Element, w1 der Durchmesser des Lichtstrahls nach dem als Fokussierlinse ausgebildeten optischen Element, λ die Wellenlänge der kohärenten Lichtwellen und f die Brennweite der Fokussierlinse ist.In one embodiment of the invention, the optical element is one, one focal length f having formed focusing lens. The focusing lens can influence the position as well as the minimum distance of the interference pattern from the light source. It is particularly preferred if the focusing lens at a distance I arranged by the emitters, being the distance I smaller than the focal length f the focusing lens used is. The focal length f A focusing lens refers to the distance of the focus, ie the distance between the focusing lens and the point in which all the paraxial beams converge and intersect. The larger the focal length f the focusing lens is selected, the larger the maximum width becomes B the maximum areas of the interference pattern. At the same time has a Maximafläche with a large width B also a high depth of field. The depth of focus describes a zone around the focal point in which the area change of the maximum areas moves within a predefined range. This means that focusing on a focal length with a large focal length f the maxima areas of the interference patterns with increasing distance e less change (lower rate of change) than focusing lenses with a small focal length f , This makes the zone around the focal length f in which an object is detectable, in the choice of a large focal length f and thus a great distance e of the object is significantly larger than for objects at a short distance e that with small focal lengths f be dissolved. It can be advantageous by the change in size of the mutually adjacent maximum surfaces, the arrangement (orientation) of the object to the measuring device according to the invention are detected, since the maximum surfaces in increasing distance e depending on the focal length f enlarge. The context applies here: where w 0 is the diameter of the light beam in front of the optical element formed as a focusing lens, w 1 is the diameter of the light beam after the optical element formed as a focusing lens, λ is the wavelength of the coherent light waves, and f is the focal length of the focusing lens.
Weiterbildend ist vorgesehen, dass sich die Brennweite f der Fokussierlinse verändern lässt. Eine beispielsweise elektromotorische Einstellung der Brennweite f ermöglicht damit die Erfassung der Entfernung E eines Objekts innerhalb einer großen Zone, die weit entfernt von der Lichtquelle angeordnet ist und eines Objekts innerhalb einer kleinen Zone, welches in unmittelbarer Nähe zur Lichtquelle angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Brennweite f über einen Bereich veränderbar ist, der das Erfassen eines Objekts innerhalb einer Entfernung E von 1m bis 150m ermöglicht.Further education is provided that the focal length f can change the focus lens. An example electromotive adjustment of the focal length f thus allows the detection of the distance e an object within a large zone located far from the light source and an object within a small zone located in close proximity to the light source. It is particularly preferred if the focal length f is changeable over an area that captures an object within a distance e from 1m to 150m.
Auch umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Abstandsbestimmung eines Objekts mittels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, welches sich zumindest aus den folgenden Schritten zusammensetzt: In einem ersten Schritt werden kohärente Lichtwellen mittels wenigstens zwei Emittern in eine Lichtwellenausbreitungsrichtung in Richtung eines Objekts ausgesendet, wobei die Lichtwellen dabei ein optisches Element durchstrahlen. In einem weiteren Schritt erfassen Detektionsmittel zurückgeworfene (reflektierte) Lichtwellen. Schließlich existiert auch ein Schritt, in welchem die mittels der Detektionsmittel erfassten Lichtwellen ausgewertet werden. Die Auswertung der erfassten Lichtwellen kann auf einer Laufzeitanalyse basieren, bei der anhand der Zeitdauer die Entfernung E des Objekts bestimmt wird, auf welchem sich das Interferenzmuster ausbildet und von welchem die Lichtwellen reflektiert werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Detektionsmittel als Kamera ausgebildet sind und eine Analyse des Interferenzmusters durch Algorithmen erfolgt, die einem zweidimensionalen Bild durch die Ausbildung der Maximaflächen (Lage sowie Größe) eine Entfernung E (Tiefe) zuordnen können.The invention also includes a method for determining the distance of an object by means of a measuring device according to the invention, which is composed of at least the following steps: In a first step, coherent light waves are emitted by means of at least two emitters in a light wave propagation direction in the direction of an object, wherein the light waves thereby an optical Radiate element. In a further step, detection means detect reflected (reflected) light waves. Finally, there also exists a step in which the light waves detected by means of the detection means are evaluated. The evaluation of the detected light waves can be based on a transit time analysis, based on the time duration of the distance e of the object on which the interference pattern forms and from which the light waves are reflected. Alternatively, it is also possible that the detection means are designed as a camera and an analysis of the interference pattern is carried out by algorithms that a two-dimensional image by the formation of the Maximaflächen (location and size) a distance e (Depth) can assign.
In einer Fortbildung dieses Messverfahrens erfolgt eine kontinuierliche Anpassung der Brennweite f durch das optische Element, welches bevorzugt durch eine Fokussierlinse ausgebildet ist. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Brennweite f kontinuierlich, jedoch ist auch eine schrittweise Anpassung der Brennweite f möglich, wobei diese so lange verändert wird, bis ein Objekt erfasst wird.In a further development of this measurement method, a continuous adjustment of the focal length takes place f by the optical element, which is preferably formed by a focusing lens. Preferably, the adjustment of the focal length takes place f continuous, however, is also a gradual adjustment of the focal length f possible, whereby this is changed until an object is detected.
Dabei ist weiterbildend vorgesehen, dass nach dem Erfassen des Objekts die Brennweite f des optischen Elements wieder über den gesamten Bereich verändert wird, bis erneut ein Interferenzmuster entweder auf dem gleichen oder einem anderen Objekt erfasst wird. Dies ermöglicht es, ein neues Objekt zu erfassen und eine Entfernungsmessung durchzuführen, das beispielsweise zwischen dem bereits erfassten Objekt und den die Lichtstrahlen abgebenden Emittern auftaucht.It is further provided that after the detection of the object, the focal length f the optical element is again changed over the entire range until an interference pattern is detected again on either the same or another object. This makes it possible to detect a new object and to perform a distance measurement, which for example appears between the object already detected and the emitters emitting the light beams.
In einer Fortbildung der Erfindung erfolgt eine Veränderung der Phase der Lichtstrahlen, die von den Emittern abgegeben werden. Durch diese Maßnahme kann die Lage der Maximaflächen quer zur Lichtwellenausbreitungsrichtung verändert werden. Dies erlaubt eine weitere Optimierung bei der Messung mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, da somit zusätzlich zu den mehreren sich quer zur Lichtwellenausbreitungsrichtung ausbildenden Maximaflächen auch noch deren Lage beeinflusst werden kann. Damit lässt sich ohne das Vorsehen von mechanischen Komponenten die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Breite (Quererstreckung) des Objekts verbessern.In a further development of the invention, there is a change in the phase of the light rays emitted by the emitters. By this measure, the position of the Maximaflächen can be changed transversely to the Lichtwellenausbreitungsrichtung. This allows a further optimization in the measurement by means of the measuring device according to the invention, since in addition to the plurality of surfaces extending transversely to the light wave propagation direction, their position can thus also be influenced. Thus, without the provision of mechanical components, the measurement accuracy in determining the width (transverse extent) of the object can be improved.
Zudem ist der Einsatz einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung im Rahmen eines Fahrerassistenzsystems vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, ein Objekt in Fahrtrichtung zu erfassen.In addition, the use of a measuring device according to the invention is provided in the context of a driver assistance system, which is designed to detect an object in the direction of travel.
Eine weitere Optimierung des Fahrerassistenzsystems umfasst wenigstens zwei Gruppen von jeweils wenigstens zwei Emittern aufweisenden Lichtquellen, wobei sich die Wellenlängen der von den Lichtquellen abgegebenen Lichtstrahlen der Gruppen voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine weitere vorteilhafte Beeinflussung des Interferenzmusters, das sich auf einem erfassten Objekt ausbildet. Dabei kann beispielsweise in Abhängigkeit der Entfernung E des erfassten Objekts durch die Veränderung der Lichtwellenlänge die Auflösung des Interferenzmusters verringert oder vergrößert und somit der Abstand der Maximaflächen sowie die Breite der Maximaflächen verändert werden. Ferner kann durch die Emitter einer weiteren Gruppe, die Lichtwellen mit einer zur ersten Gruppe abweichenden Wellenlänge abgeben, der Bereich, über den die Brennweite f der Fokussierlinse verändert wird, eingeschränkt werden. Auch dies ermöglicht eine Kostenoptimierung.A further optimization of the driver assistance system comprises at least two groups of light sources each having at least two emitters, the wavelengths of the light beams of the groups emitted by the light sources differing from one another. This advantageously enables a further advantageous influencing of the interference pattern, which forms on a detected object. In this case, for example, depending on the distance e the detected object is reduced or increased by the change in the wavelength of the light, the resolution of the interference pattern and thus the distance of the maximum surfaces and the width of the Maximaflächen be changed. Further, through the emitters of another group emitting light waves having a wavelength different from the first group, the range over which the focal length f the focusing lens is changed to be restricted. This also allows cost optimization.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following Description of preferred embodiments and with reference to the drawing.
Diese zeigt in
- 1 ein schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, sowie
- 2 ein Fahrerassistenzsystem, welches eine erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst, wobei in der 2 zwei Betriebsmodi der erfindungsgemäßen Messvorrichtung schematisch dargestellt sind.
This shows in - 1 a schematic representation of a preferred embodiment of a measuring device according to the invention, and
- 2 a driver assistance system, which comprises a measuring device according to the invention, wherein in the 2 two modes of operation of the measuring device according to the invention are shown schematically.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, like elements and elements having the same function are identified by the same reference numerals.
In der 1 ist ein schematischer Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 dargestellt. Zwei Emitter 1 zur Abgabe von kohärenten Lichtwellen 2 sind durch zwei runde Kreise dargestellt und werden in der aufgeführten Ausführungsform durch ein aus mehreren Lichtquellen 14 bestehendes Phasengitter 13 gebildet. Beide Emitter 1 strahlen Lichtwellen 2 in eine Lichtwellenausbreitungsrichtung R ab, wobei die abgestrahlten Lichtwellen 2 die gleiche Wellenlänge λ aufweisen. Die Emitter 1 liegen in einer Lotgeraden 16, die senkrecht zur der Lichtwellenausbreitungsrichtung R angeordnet ist. Die sich in die Lichtwellenausbreitungsrichtung R ausbreitenden Lichtwellen 2 der Emitter 1 durchstrahlen ein erfindungsgemäß vorgesehenes optisches Element 4, welches in der dargestellten Ausführungsform aus einer eine verstellbare Brennweite f aufweisenden Fokussierlinse 5 aufgebaut ist. Die Fokussierlinse 5 ist in einer Distanz I zu den Emittern 1 angeordnet, welche kleiner ist als die Brennweite f der Fokussierlinse 5. Beabstandet von den Emittern 1 in einer Entfernung E ist ein Objekt 6 angeordnet, dessen Entfernung E zu den Emittern 1 durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung 100 bestimmt werden soll. Im Fernfeld, also ab einer bestimmten Entfernung E von den die Lichtwellen 2 abstrahlenden Emittern (1, 12), bilden die von jedem einzelnen Emitter (1, 12) abgestrahlten Lichtwellen 2 eine ebene Wellenfront 18. Zur Bestimmung der Entfernung E sind hinter den Emittern 1 Detektionsmittel 3 angeordnet, die dazu ausgebildet sind, die am Objekt 6 zurückgeworfenen Lichtwellen 17 zu erfassen. Auf der der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 zugewandten Oberfläche des Objekts 6 bildet sich in einer Ebene 15 ein Interferenzmuster 7 aus, welches aus hellen Bereichen 8 und dunklen Bereichen 9 aufgebaut ist. In den hellen Bereichen 8, die sich jeweils um ein Maximum 10 ausbilden, überlagern sich die Lichtwellen 2 konstruktiv, weshalb hier ein heller Bereich 8 entsteht, welcher eine besonders hohe Lichtintensität I aufweist. Der helle Bereich 8 auf dem Objekt 6, welcher eine Lichtintensität I aufweist, die über einem bestimmten Grenzwert G liegt, wird als Maximafläche 11 bezeichnet. Dies ermöglicht es, den Maximaflächen 11 eine bestimmte Maximabreite B zuzuordnen. Da sich die Maximaflächen 11 symmetrisch um die Maxima 10 ausbilden, besitzen sämtliche Maximaflächen 11 die gleiche Maximabreite B. Dies ermöglicht eine exakte Bestimmung der Maximaflächen 11, wobei benachbarte Maximaflächen 11 zueinander in einem Abstand A angeordnet sind.In the 1 is a schematic structure of a preferred embodiment of a measuring device according to the invention 100 shown. Two emitters 1 for the emission of coherent light waves 2 are represented by two round circles and are in the listed embodiment by one of several light sources 14 existing phase grating 13 educated. Both emitters 1 emit light waves 2 in a light wave propagation direction R where the emitted light waves 2 have the same wavelength λ. The emitter 1 lie in a lot straight 16 , which are perpendicular to the light wave propagation direction R is arranged. The in the light wave propagation direction R propagating light waves 2 the emitter 1 pass through an optical element provided according to the invention 4 , which in the illustrated embodiment of an adjustable focal length f having focusing lens 5 is constructed. The focusing lens 5 is at a distance I to the emitters 1 arranged, which is smaller than the focal length f the focusing lens 5 , Distances from the emitters 1 at a distance e is an object 6 arranged, its removal e to the emitters 1 by the measuring device according to the invention 100 should be determined. In the far field, so from a certain distance e from the the light waves 2 radiating emitters ( 1 . 12 ), which form each emitter ( 1 . 12 ) radiated light waves 2 a flat wave front 18 , To determine the distance e are behind the emitters 1 detection means 3 arranged, which are adapted to the object 6 thrown back light waves 17 capture. On the measuring device according to the invention 100 facing surface of the object 6 forms in a plane 15 an interference pattern 7 made of bright areas 8th and dark areas 9 is constructed. In the bright areas 8th , each at a maximum 10 form, superimpose the light waves 2 constructive, so here's a bright area 8th arises, which is a particularly high light intensity I having. The bright area 8th on the object 6 , which is a light intensity I that exceeds a certain threshold G lies, is called Maximafläche 11 designated. This allows for the maximize surfaces 11 a certain maximum width B assigned. Because the maxima areas 11 symmetrical about the maxima 10 train, have all the maxium surfaces 11 the same maximum width B , This allows an exact determination of the maximum areas 11 , where adjacent maxima areas 11 to each other at a distance A are arranged.
Zur Veranschaulichung der Intensitätsverteilung (Helligkeit) auf der Oberfläche des Objekts 6, ist die Lichtintensität I in einem zweiachsigen XY-Diagramm aufgetragen. Die X-Achse des Diagramms entspricht dabei der Position auf der Oberfläche des Objekts 6, während auf der Y-Achse, die senkrecht zur Oberfläche des Objekts 6 angeordnet ist, die Intensität I (Helligkeitsverteilung) aufgetragen ist.To illustrate the intensity distribution (brightness) on the surface of the object 6 , is the light intensity I plotted in a biaxial XY plot. The X-axis of the diagram corresponds to the position on the surface of the object 6 while on the Y-axis, perpendicular to the surface of the object 6 is arranged, the intensity I (Brightness distribution) is plotted.
Im Betrieb werden von den Emittern 1 kohärente Lichtwellen 2 abgegeben, die durch die Fokussierlinse 5 geführt sind. In der Entfernung E befindet sich dann das Objekt 6, auf dessen Oberfläche sich das Interferenzmuster 7 ausbildet. Dies ermöglicht es vorteilhaft sowohl die Quererstreckung des Objekts 6 sowie die Entfernung E des Objekts 6 von der Messvorrichtung 100 zu bestimmen. Ferner ist zur Verbesserung der Messung vorgesehen, dass neben der bisher eingeführten Gruppe von Emittern 1 auch eine zweite Gruppe von Emittern 12 eingesetzt wird, wobei die Emitter 12 der zweiten Gruppe kohärente Lichtwellen 2 mit einer von den Emittern 1 der ersten Gruppe abweichenden Wellenlänge λx abgeben. Dies ermöglicht eine weitere Optimierung bei der Entfernungsmessung, da sich die Position der Maximaflächen 11 durch eine andere Wellenlänge λx beeinflussen lässt. Dies ermöglicht eine verbesserte Auflösung bei der Erfassung der Quererstreckung des Objekts 6.In operation are from the emitters 1 coherent light waves 2 emitted by the focusing lens 5 are guided. In the distance e then is the object 6 on whose surface is the interference pattern 7 formed. This advantageously allows both the transverse extent of the object 6 as well as the distance e of the object 6 from the measuring device 100 to determine. Furthermore, it is intended to improve the measurement that in addition to the previously introduced group of emitters 1 also a second group of emitters 12 is used, wherein the emitter 12 the second group of coherent light waves 2 with one of the emitters 1 of the first group deviate wavelength λ x . This allows further optimization in the range finding, as the position of the maxima areas 11 can be influenced by a different wavelength λ x . This allows for improved resolution in detecting the transverse extent of the object 6 ,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrerassistenzsystems 21. Für eine anschauliche Darstellung der Betriebsweise ist die 2 in zwei Bereiche aufgeteilt, die vertikal zueinander angeordnet sind. In den beiden Teilfiguren ist jeweils ein Fahrzeug 20 abgebildet, in welchem die erfindungsgemäße Messvorrichtung 100 eingesetzt wird, die gerade ein Objekt 6 in Fahrtrichtung erfasst hat. Dazu wurde die Brennweite f der nicht im Detail dargestellten und das optische Element 4 ausbildenden Fokussierlinse 5 auf die Entfernung E eingestellt, weshalb sich auf der Oberfläche des Objekts 6 das aus den zueinander benachbart angeordneten Maximaflächen 11 bestehende Interferenzmuster 7 ausbildet, welches in der 2 nicht im Detail dargestellt ist. Die Lage und die Größe der Maximaflächen 11 kann nun von den im Fahrzeug 20 integrierten Detektionsmitteln 3 der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 erfasst und ausgewertet werden. Vorteilhaft kann dabei durch eine Größenveränderung der zueinander benachbarten Maximaflächen 11 auch die Ausbildung der Oberfläche des Objekts 6 zu der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 erkannt werden, da sich die Größe der Maximaflächen 11 mit wachsender Entfernung E vergrößern, weshalb sich dann mittels der bekannten Brennweite f der Fokussierlinse 5 die exakte Entfernung E jeder Maximafläche 11 von der Messvorrichtung 100 bzw. dem Fahrzeug 20 berechnen lässt. 2 shows a schematic representation of a driver assistance system 21 , For a clear representation of the mode of operation is the 2 divided into two areas, which are arranged vertically to each other. In each of the two subfigures is a vehicle 20 in which the measuring device according to the invention 100 is used, which is currently an object 6 recorded in the direction of travel. This was the focal length f not shown in detail and the optical element 4 forming focusing lens 5 on the distance e adjusted, which is why on the surface of the object 6 that from the mutually adjoining maximaflächen 11 existing interference patterns 7 training, which in the 2 not shown in detail. The location and size of the Maximaflächen 11 can now from the in the vehicle 20 integrated detection means 3 the measuring device according to the invention 100 recorded and evaluated. Advantageous can thereby by a change in size of the mutually adjacent Maximaflächen 11 also the formation of the surface of the object 6 to the measuring device according to the invention 100 be recognized, since the size of the Maximaflächen 11 with increasing distance e enlarge, which is why then by means of the known focal length f the focusing lens 5 the exact distance e every maximum area 11 from the measuring device 100 or the vehicle 20 can be calculated.
In der oberen Teilfigur ist die Entfernung E zwischen dem Objekt 6 und dem Fahrzeug 20 groß im Vergleich zur unteren Teilfigur. Aus diesem Grund ist auch die sich kontinuierlich in einem Bereich ändernde Brennweite f beim Erfassen des Objekts 6 bei der Abstandsmessung (Entfernungsbestimmung) groß. Vorteilhaft dabei ist, dass sich für eine große Brennweite f, also bei der Abstandsmessung von Objekten 6 in großer Entfernung E, auch eine große, sich längs zur Lichtwellenausbreitungsrichtung R erstreckende Zone X ergibt, in welcher sich die Flächenänderung der Maximaflächen 11 bei einer konstanten Brennweite f innerhalb eines definierten Bereichs bewegt. Damit können Objekte 6 innerhalb einer großen Zone X erfasst und deren genaue Entfernung E über die Veränderung der Größe der Maximafläche 11 bei konstanter Brennweite f bestimmt werden. Dies ermöglicht vorteilhaft auch die Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug 20 und dem Objekt 6.In the upper part of the figure is the distance e between the object 6 and the vehicle 20 big compared to the lower part of the figure. For this reason, the focal length is also continuously changing in one area f when capturing the object 6 in the distance measurement (distance determination) large. The advantage here is that opt for a large focal length f , ie when measuring the distance of objects 6 at a great distance e , also a large one, longitudinal to the light wave propagation direction R extending zone X gives, in which the area change of the Maximaflächen 11 at a constant focal length f moved within a defined range. This allows objects 6 within a large zone X recorded and their exact distance e about changing the size of the Maximafläche 11 at constant focal length f be determined. This advantageously also allows the determination of a relative speed between the vehicle 20 and the object 6 ,
Schließlich zeigt die untere Teilfigur die Abstandmessung zu einem Objekt 6, welches in einer im Vergleich zur oberen Teilfigur geringeren Entfernung E zum Fahrzeug 20 angeordnet ist. Bei einer klein eingestellten Brennweite f ergibt sich nun auch nur eine kleine Zone X, in welcher bei konstanter Brennweite f eine Abstandmessung bzw. eine Geschwindigkeitsmessung durch die Änderungsrate der Maximaflächen 11 möglich ist.Finally, the lower part figure shows the distance measurement to an object 6 , which in a smaller distance compared to the upper part figure e to the vehicle 20 is arranged. At a small focal length f there is now only a small zone X , in which at a constant focal length f a distance measurement or a speed measurement by the rate of change of the maximum surfaces 11 is possible.
Ergänzend wird erläutert, dass zusätzlich zu den dargestellten Ausführungsformen die Messvorrichtung 100, das Fahrerassistenzsystem 21 sowie das Messverfahren auch anders ausgebildet sein können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.In addition, it is explained that in addition to the illustrated embodiments, the measuring device 100 , the driver assistance system 21 as well as the measuring method can be designed differently, without departing from the spirit of the invention.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 2006/0239312 A1 [0003]US 2006/0239312 A1 [0003]
