DE102017220395A1

DE102017220395A1 - Abstandsmesseinheit

Info

Publication number: DE102017220395A1
Application number: DE102017220395.1A
Authority: DE
Inventors: Andre Nauen
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-05-16
Also published as: US20200355804A1; WO2019096585A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmesseinheit (1) zur signallaufzeitbasierten Messung eines Abstands zu einem in einem Erfassungsfeld (4) befindlichen Objekt (3), mit einer Emittereinheit (20) mit einer Mehrzahl jeweils zur Emission von Pulsen in Form elektromagnetischer Strahlung ausgelegten Emittern (21), einer Empfängereinheit (40) zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung nach einer abstandsabhängigen Laufzeit, und einem verkippbar gelagerten Spiegel (23), wobei die Abstandsmesseinheit für einen Betrieb derart eingerichtet ist, dass ein erster (21a) der Emitter (21) sequenziell mehrere Pulse (6) über den Spiegel (23) emittiert, nämlich- in einem ersten Zeitpunkt in einer ersten Winkelstellung des Spiegels (23) in ein erstes Raumwinkelsegment (5a), und- in einem zweiten Zeitpunkt in einer zweiten Winkelstellung des Spiegels (23) in ein zweites Raumwinkelsegment (5b), wobei auch ein zweiter (21b) der Emitter (23) über den Spiegel einen Puls (6) in zumindest eines der Raumwinkelsegmente (5a,b) emittiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmesseinheit zur signallaufzeitbasierten Abstandsmessung.
Stand der Technik
Die in Rede stehende Abstandsmessung beruht auf einer Laufzeitmessung ausgesandter elektromagnetischer Pulse. Treffen diese auf ein Objekt, so wird an dessen Oberfläche der Puls anteilig zurück zu der Abstandsmesseinheit reflektiert und kann als Echopuls mit einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses zu einem Zeitpunkt t₀ und wird das Echopuls zu einem späteren Zeitpunkt t₁ erfasst, kann der Abstand d zu der reflektierenden Oberfläche des Objekts über die Laufzeit Δt_A = t₁ - t₀ nach $d = Δ t_{A} / c / 2$
bestimmt werden. Da es sich um elektromagnetische Pulse handelt, ist c der Wert der Lichtgeschwindigkeit.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Abstandsmesseinheit anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Abstandsmesseinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Gegenstand ist eine Abstandsmesseinheit, die zusätzlich zu Emitter- und Empfängereinheit einen verkippbaren Spiegel aufweist, über welchen von der Emittereinheit abgegebene Pulse in unterschiedlichen Spiegelwinkelstellungen in unterschiedliche Raumwinkelsegmente reflektiert werden. Der verkippbare Spiegel kann bspw. hin- und herschwingen, etwa resonant oder auch nicht resonant (siehe unten), was unterschiedliche Winkelstellungen des Spiegels relativ zu der Emittereinheit ergibt. Konkret wird ein von einem ersten Emitter in einem ersten Zeitpunkt in einer ersten Spiegelwinkelstellung emittierter Puls in ein erstes Raumwinkelsegment geführt, und ein in einem zweiten Zeitpunkt in einer zweiten Spiegelwinkelstellung emittierter Puls in ein zweites Raumwinkelsegment. Die sequenzielle Emission des ersten Emitters in unterschiedlichen Spiegelwinkelstellungen legt also die Raumwinkelsegmente fest. Die Emittereinheit weist ferner einen zweiten Emitter auf, der ebenfalls über den Spiegel in zumindest eines der Raumwinkelsegmente einen Puls emittiert.
Bei der erfindungsgemäßen Abstandsmesseinheit ist somit zunächst das Erfassungsfeld segmentiert, indem die Pulse in den unterschiedlichen Spiegelwinkelstellungen in unterschiedliche Raumrichtungen reflektiert werden. Dies ergibt eine gewisse Auflösung bzw. Pixelierung, jedes Raumwinkelsegment kann als ein „Pixel“ betrachtet werden. Erfindungsgemäß ist nun einem bzw. einigen oder auch allen Pixeln jeweils mehr als ein Emitter zugeordnet. Jedenfalls im Zeitverlauf (bevorzugt ist ein sequenzielles Pulsen, siehe unten) emittiert also in ein jeweiliges Raumwinkelsegment nicht nur ein Emitter, sondern mindestens ein weiterer Emitter. Dementsprechend werden in bzw. aus dem fraglichen Raumwinkelsegment Echopulse empfangen, die auf unterschiedliche Emitter zurückgehen, was das Signal/Rauschverhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR), auch „Störabstand“ genannt, verbessern helfen kann. Dazu können bspw. nacheinander empfangene Echopulse im Zuge einer Signalmittelung zusammengeführt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen der Abstandsmesseinheit und entsprechenden Betriebsverfahren bzw. Verwendungen unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Generell erlaubt der verkippbar gelagerte Spiegel ein Abrastern des Erfassungsfelds, was nun zunächst in einer einfachen Umsetzung zur Orientierung und Veranschaulichung geschildert wird. Ausgegangen wird von einer sequenziellen Emission der Pulse mit einer gewissen Pausendauer dazwischen. Nachdem der erste Emitter einen ersten Puls in das erste Raumwinkelsegment emittiert hat und bevor er einen zweiten, direkt darauffolgenden Puls in das zweite Raumwinkelsegment emittiert, gibt es nämlich eine Pausendauer, in welcher die Empfängereinheit bildlich gesprochen „lauscht“. Es kann dann bspw. auch eine integral messende Empfängereinheit vorgesehen sein, die also für sich betrachtet die einfallende Strahlung ohne Ortsauflösung misst, etwa eine einfache Fotodiode. Dies ist aber nicht zwingend, die Empfängereinheit kann auch raumwinkelauflösend sein (siehe unten im Detail), etwa in einer zur Rasterrichtung senkrechten Richtung.
Das Erfassungsfeld, auch als „Sichtbereich“ (Field of View, FoV) bezeichnet, wird durch die Kombination aus unterschiedlichen Spiegelwinkelstellungen und getakteten Pulsen in die Raumwinkelsegmente untergliedert. Miteinander füllen die Raumwinkelsegment das Sichtfeld aus, zueinander sind sie jedenfalls weitgehend disjunkt; nächstbenachbarte Raumwinkelsegmente können einen Überlapp haben, bevorzugt sind sämtliche Raumwinkelsegmente zueinander disjunkt. Im Falle der bevorzugten Automobilanwendungen kann sich das Erfassungsfeld in horizontaler Richtung beispielweise über einen größeren Winkelbereich als vertikal erstrecken (bspw. über 60° bis 120° horizontal, vertikal dagegen bspw. über rund 30°). Bevorzugt wird mit der Spiegelbewegung, also den Winkelstellungen, der horizontale Öffnungswinkel segmentiert.
In den unterschiedlichen Winkelstellungen ist der Spiegel relativ zur Emittereinheit unterschiedlich orientiert, hat also eine Flächennormale auf der Spiegelfläche (jenem Bereich davon, auf den die Pulse treffen) unterschiedliche Orientierungen relativ zur Emittereinheit (insbesondere zu den „Strahlen“, entlang welchen die Pulse auf den Spiegel fallen, siehe unten im Detail). Dabei kann der Neigungsänderung des Spiegels im Allgemeinen auch eine weitere Bewegungskomponente überlagert sein, kann das Verkippen also bspw. auch durch ein Verschwenken erfolgen. In anderen Worten muss eine Kippachse, um welche der Spiegel verkippt wird, im Allgemeinen relativ zur Emittereinheit nicht ortsfest sein bzw. auch nicht im Spiegel selbst liegen. Bevorzugt ist gleichwohl eine den Spiegel durchsetzende Kippachse, die relativ zur Emittereinheit ruht. Bevorzugt ist der Spiegel um genau eine Achse verkippbar gelagert, die dann besonders (bezogen auf die Orientierung der montierten Abstandsmesseinheit) vertikal liegt. Der Spiegel kann bspw. ein MEMS-Spiegel sein (Micro Electro Mechanical System, MEMS), was hinsichtlich der Stellzeiten und Baugröße von Vorteil sein kann.
Bei einem MEMS-Spiegel kann im Falle der bevorzugten Automobilanwendungen eine bevorzugte Scanfrequenz bspw. bei mindestens 60 Hz und (davon unabhängig) höchstens 250 Hz liegen. Der MEMS-Spiegel kann dabei resonant oder nichtresonant schwingen. Bei einer Frequenz der Emitterpulse von 10 kHz, was eine Pausendauer von 100 µs ergibt, lassen sich dann in eine halbe MEMS-Schwingung bspw. 20 Pulse (insbesondere des ersten Emitters / einer einzelnen Laserquelle) unterbringen, werden also 20 Raumwinkelsegmente aufgespannt (bei 250 Hz beträgt die Periodendauer 4 ms, die halbe Schwingung beträgt dann ca. 2 ms). Dies als Abschätzung, in der Praxis wird der MEMS-Spiegel nämlich in der Regel überschwingen bzw. wird die Winkelgeschwindigkeit nicht konstant sein. Zum Vergleich, bei einer Pulsrate von 100 kHz (was 10 µs entspricht) ergeben sich bereits 200 Segmente. Im Unterscheid dazu können bei einer MEMS-Frequenz von 2 kHz, was 500 µs entspricht (bzw. 250 µs als Hälfte davon), dann bei einer Pulsrate von 10 kHz (100 µs) nur rund 2 bis 3 Raumwinkelsegmente aufgespannt werden. Bei 100 KHz wären es hingegen rund 25 Raumwinkelsegmente. Dies, wie gesagt, zur Illustration.
Generell können bei einem schwingenden MEMS-Spiegel die Hin- und die Rückbewegung, also die beiden Halbschwingungen je Periode, auch unterschiedlich genutzt werden. Bevorzugt werden jedoch auf Hin- und Rückbewegung dieseleben Raumwinkelsegmente aufgespannt bzw. mit Pulsen versorgt. In aufeinanderfolgenden Perioden kann bspw. auch ein Bild höherer Auflösung zusammengesetzt werden, indem das Timing der Pulse in einer folgenden Periode gegenüber einer vorhergehenden Periode verschoben wird. Das Gesamtbild wird dann mit einer sogenannten Interlace-Methode aus zeitlich sequentiell aufgenommenen Teilbildern geringerer Auflösung (eben gegeben durch das Verhältnis von Puls- und Spiegelfrequenz) aufgebaut werden. Anderseits kann das Timing und damit die Segmentierung über den Betrieb hinweg aber selbstverständlich auch konstant gehalten werden.
Jeder der Emitter ist zur gepulsten Emission von elektromagnetischer Strahlung ausgelegt. Bevorzugt ist Strahlung im Infrarotbereich, also Wellenlängen von bspw. mindestens 600 nm, 650 nm, 700 nm, 750 nm, 800 nm bzw. 850 nm (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Besonders bevorzugt können bspw. rund 905 nm sein, wobei insofern vorteilhafte Obergrenzen bei höchstens 1100 nm, 1050 nm, 1000 nm bzw. 950 nm liegen können (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Ein weiterer bevorzugter Wert kann bspw. bei rund 1064 nm liegen, was vorteilhafte Untergrenzen von mindestens 850 nm, 900 nm, 950 nm bzw. 1000 nm ergibt und (davon unabhängige) vorteilhafte Obergrenzen von höchstens 1600 nm, 1500 nm, 1400 nm, 1300 nm, 1200 nm bzw. 1150 nm (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Bevorzugte Werte können auch bei rund 1548 nm bzw. 1550 nm liegen, was vorteilhafte Untergrenzen von mindestens 1350 nm, 1400 nm, 1450 nm bzw. 1500 nm ergibt und (davon unabhängige) vorteilhafte Obergrenzen von höchstens 2000 nm, 1900 nm, 1800 nm, 1700 nm, 1650 nm bzw. 1600 nm (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Im Allgemeinen sind aber bspw. auch Wellenlänge im Fernen IR denkbar, bspw. bei 5600 nm bzw. 8100 nm.
Die in einer Mehrzahl vorgesehenen Emitter können sich bspw. auch in ihren Wellenlängen, also der Wellenlänge der jeweilig emittierten Strahlung, unterscheiden, jedenfalls gruppenweise. Ist dann auch die Empfängereinheit entsprechend wellenlängensensitiv, bspw. mit mehreren jeweils nur im Wellenlängenbereich eines Emitters bzw. einer entsprechenden Emittergruppe sensitiven Sensoren ausgestattet (z. B. durch Befilterung einer Fotodiode), können die Pulse auch ihrer Wellenlänge nach differenziert werden und damit bspw. enger getaktet bzw. sogar auch simultan emittiert werden.
Soweit ein bestimmter Betrieb beschrieben wird, meint dies bezogen auf die Abstandsmesseinheit an sich, dass deren Steuereinheit entsprechend eingerichtet ist. Wenngleich im Allgemeinen auch eine analoge Umsetzung denkbar scheint, wird die Steuereinheit in der Regel eine entsprechend programmierte Digitaleinheit aufweisen. Diese kann dann Treiber zum Betreiben der Strahlungsquellen ansteuern. Die Steuereinheit kann optional auch weitergehend integriert sein, also auch eine Auswerteeinheit umfassen, welche die mit der Sensoreinheit erfassten Echopulse auswertet (dies ist aber nicht zwingend, die Auswertung kann bspw. auch mit einer gesonderten Rechnereinheit erfolgen, etwa dem Bordcomputer im Falle des Kraftfahrzeugs, oder über eine Cloud-Anbindung).
Ein Puls ist eine zeitlich begrenzte Größe, die emittiert wird, um dann im Falle einer Reflexion an dem Objekt von einem Sensor der Abstandsmesseinheit zeitlich versetzt erfasst zu werden. Eine nach der Halbwertsbreite (FWHM) genommene Pulsbreite kann bspw. bei höchstens 1 ms liegen, bevorzugt noch deutlich kleiner sein, nämlich bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 800 ps, 600 ps, 400 µs bzw. 200 µs liegen, oder auch noch kleiner sein, nämlich bei höchstens 1000 ns, 900 ns, 800 ns, 700 ns, 600 ns, 500 ns, 400 ns, 300 ns, 200 ns, 100 ns, 80 ns, 60 ns, 40 ns, 30 ns, 25 ns, 20 ns, 15 ns, 10 ns, 5 ns bzw. 2 ns liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Im Prinzip kann ein möglichst kurzer Puls bevorzugt sein, technisch bedingt können Untergrenzen bspw. bei mindestens 0,001 ns, 0,01 ns bzw. 0,1 ns liegen.
Die Emittereinheit weist eine Mehrzahl Emitter auf, also mindestens zwei, oder aber auch bspw. mindestens 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 bzw. 10 Emitter. Mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 10000, 8000, 6000, 5000, 4000, 3000, 2000, 1000, 500 bzw. 100 Emittern liegen. Die Emitter haben jeweils eine eigene Emissionsfläche zur Strahlungsemission. Sie sind jedenfalls von ihrem Aufbau her prinzipiell unabhängig voneinander betreibbar, in der Emittereinheit können sie aber bspw. auch bereits zu (vordefinierten) Gruppen verschaltet sein.
Die Emitter sind bevorzugt Laserquellen. Sind die Emitter bereits chipseitig integriert, etwa als sogenanntes VCSEL-Array ausgeführt (siehe unten im Detail), können die Emitter bspw. auch bereits durch eine entsprechende Verdrahtung auf dem Chip (gruppenweise) zusammengefasst sein. Bevorzugt ist indes eine Emittereinheit, deren Emitter gänzlich unabhängig voneinander betreibbar sind, wobei ein etwaiges Zusammenfassen im Betrieb über eine entsprechende Ansteuerung erreicht wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform emittieren der erste und der zweite Emitter die Pulse, die sie in dasselbe Raumwinkelsegment emittieren, relativ zueinander sequenziell. Dies betrifft also nicht das sequenzielle Pulsen des ersten Emitters für sich, welches die Raumwinkelsegmente aufspannt, sondern die Taktung des zweiten Emitters relativ dazu. In einfachen Worten sollen die beiden Emitter jedenfalls nicht über den gesamten Betrieb hinweg gleichzeitig emittieren. Es kann also bspw. zunächst der erste Emitter und dann der zweite Emitter in das erste Raumwinkelsegment emittieren, bevor der erste Emitter in das zweite Raumwinkelsegment emittiert und danach der zweite Emitter in das zweite Raumwinkelsegment usw. Es kann aber andererseits auch zunächst der erste Emitter nacheinander in mehrere Raumwinkelsegmente emittieren, bevor der zweite Emitter ebenfalls nacheinander in jeweils dieselben Raumwinkelsegmente emittiert.
Der eingangs genannte Vorteil (verbesserter Störabstand) lässt sich zwar im Allgemeinen auch mit einem simultanen Pulsen mehrerer Emitter (Laserdioden) in dasselbe Raumwinkelsegment erreichen, jedoch ist ein sequenzieller Ansatz bevorzugt. Es kann beim sequenziellen Pulsen z. B. von Vorteil sein, wenn die auf Systemebene auftretende Maximalleistung nur der jeweiligen Maximalleistung des Einzelemitters entspricht. Ferner kann der zeitliche Versatz zwischen der Emission der einzelnen Emitter auch insoweit von Vorteil sein, als (rein statistisch) die Wahrscheinlichkeit abnimmt, dass ein externes Störsignal die Messung beeinträchtigt (die Wahrscheinlichkeit ist geringer, dass ein solches Störsignal über eine entsprechende Zeitdauer hinweg anliegt und die aufeinanderfolgenden Pulse beeinträchtigt).
Soweit generell im Rahmen dieser Offenbarung der Betrieb des ersten und zweiten Emitters beschrieben wird, kann bevorzugt immer auch ein weiterer bzw. können weitere Emitter in analoger Weise betrieben werden. In das bzw. die Raumwinkelsegment(e) kann/können also mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 bzw. 10 Emitter emittieren, insbesondere sequenziell (relativ zueinander). Mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 100, 80, 60, 40, 30 bzw. 20 Emittern je Raumwinkelsegment liegen. Insgesamt werden dann in der Regel auch nicht nur das erste und/oder das zweite Raumwinkelsegment von mehreren Emittern versorgt, sondern bspw. mindestens 20 %, 40 %, 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 % der Raumwinkelsegmente, besonders bevorzugt sämtliche Segmente (100 %). Die Zahl der Raumwinkelsegmente hängt auch vom Öffnungswinkel des Erfassungsfelds ab, Untergrenzen können bspw. bei mindestens 10, 20, 30, 40 bzw. 50 liegen, davon unabhängige Obergrenzen bspw. bei höchstens 2000, 1000, 600, 500, 400 bzw. 300 Raumwinkelsegmenten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform treffen die Pulse der unterschiedlichen Emitter relativ zueinander verkippt auf den Spiegel. Es ist also ein erster Strahl, entlang welchem die Pulse des ersten Emitters auf den Spiegel fallen, relativ zu einem zweiten Strahl verkippt, entlang welchem die Pulse des zweiten Emitters eintreffen. Im Allgemeinen können die Emitter selbst dabei relativ zueinander auch unverkippt sein, kann die Verkippung nämlich optisch erreicht werden (zueinander parallele Strahlen durchsetzen bspw. eine Sammellinse und werden dabei relativ zueinander verkippt).
Bevorzugt sind der erste und der zweite Emitter bzw. die Emitter insgesamt relativ zueinander verkippt, breiten sich also die Pulse von ihren jeweiligen Emissionsflächen weg entlang zueinander verkippter Strahlen aus. Die relativ zueinander verkippten Strahlen liegen bevorzugt miteinander in einer Ebene. Je nach Orientierung (siehe unten im Detail) können die Strahlen bspw. einen Verkippwinkel miteinander einschließen, der sich z. B. als horizontaler Öffnungswinkel des Erfassungsfelds (z. B. 120°), geteilt durch die Zahl der Raumwinkelsegmente ergeben kann (dies betrifft eine Verkippung in einer zur Kippachse parallelen Blickrichtung gesehen, siehe unten im Detail). Die „Strahlen“ sind generell Verbindungslinien von den Emittern (deren jeweiliger Verbindungslinie) zu dem Spiegel (dessen Reflexionsfläche), deren Verlauf sich nach den Prinzipien der geometrischen Strahlenoptik bestimmt (nachstehend wird auf „reflektierte Strahlen“ Bezug genommen, die dann die weitere Ausbreitung vom Spiegel weg beschreiben). Würden die Emitter nicht gepulst, sondern kontinuierlich emittieren, würde entlang den Strahlen kontinuierlich Strahlung einfallen, aufgrund des gepulsten Betriebs breiten sich entlang den Strahlen nacheinander einzelne Pulse aus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform treffen die Strahlen derart zueinander verkippt auf den Spiegel, dass sie in einer zur Kippachse des Spiegels parallelen Blickrichtung betrachtet einen (ersten) Winkel miteinander einschließen. Bevorzugt sind bereits die Emitter entsprechend zueinander verkippt, vgl. auch die Anmerkungen oben. Die Verkippung besteht dann also in Bezug auf eine Ebene bzw. Richtung, in welcher auch die Raumwinkelsegmente aufgespannt sind (durch die unterschiedlichen Winkelstellungen und das sequenzielle Pulsen des ersten Emitters). In anderen Worten treffen die Strahlen derart auf den Spiegel bzw. sind die Emitter zueinander derart verkippt, dass, geht man von derselben Spiegelwinkelstellung aus, die Pulse der unterschiedlichen Emitter in unterschiedliche Raumwinkelsegmente gehen würden. Die Emitter können aber in Betrieb gleichwohl in dasselbe Raumwinkelsegment emittieren, und zwar sequenziell.
In bevorzugter Ausgestaltung entspricht der (erste) Winkel zwischen den Strahlen des ersten und zweiten Emitters dem halben Kippwinkel des Spiegels bzw. einem ganzzahligen Vielfachen des Kippwinkels (bspw. dem 2-fachen, 3-fachen oder 4-fachen etc.). Die unterschiedlichen Quellen können damit sequenziell, in unterschiedlichen Spiegelwinkelstellungen, ihre Pulse in exakt dasselbe Raumwinkelsegment emittieren. Der Kippwinkel ist jener Winkel, um den der Spiegel zwischen der ersten und der zweiten Winkelstellung bewegt wird. Dabei sind die beiden Winkelstellungen zueinander nächstbenachbart, gibt es also keine weitere Winkelstellung dazwischen. In anderen Worten sind Raumwinkelsegmente, die um den Kippwinkel zueinander verkippt sind, zueinander nächstbenachbart.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der (erste) Winkel zwischen den Strahlen des ersten und zweiten Emitters mindestens 0,2°, wobei mindestens 0,22° weiter bevorzugt sind und mindestens 0,24° besonders bevorzugt sind. Geht man bspw. von einer Spiegelschwingung mit einer Frequenz von 2 kHz aus, ergibt sich bei einem Öffnungswinkel (Rasterwinkel) von 60° eine Winkelgeschwindigkeit v_α von 1,2 × 10^-4 °/ns. Nimmt man nun an, dass die Reichweite 300 m betragen soll, was einen Signalweg von 600 m entspricht, ergibt sich eine Messdauer von 2 ps, woraus die Winkeldifferenz von 0,24° resultiert. Um eine entsprechende Winkeldifferenz wird der Spiegel also weiter bewegt, während die Empfängereinheit noch auf den zuvor emittierten Puls „lauscht“ (siehe vorne). Erst dann wird der nächste Puls emittiert, was das genannte Rastermaß ergibt.
Obergrenzen des Winkelabstands zwischen dem ersten und dem zweiten Strahl bzw. dem ersten und dem zweiten Emitter können sich bspw. über eine nach Möglichkeit kompakte Bauweise motivieren. Ebenso kann es von Interesse sein, den Zeitversatz zwischen den sequenziell in dasselbe Raumwinkelsegment abgegebenen Pulsen nicht zu groß werden zu lassen. Quantitativ können Werte bspw. bei höchstens 20°, 15°, 10°, 5° bzw. 1° liegen, wobei sich dies ausdrücklich auf den Winkelabstand zwischen zueinander nächstbenachbarten Emittern bezieht. Sind also bspw. insgesamt eine Vielzahl Emitter vorgesehen, kann der Winkelabstand zwischen Emittern, zwischen denen weitere Emitter angeordnet sind, selbstverständlich auch größer sein (sie sind ja nicht nächstbenachbart).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Emission der Pulse des ersten und zweiten Emitters derart getaktet, dass sich die Pulse dem Spiegel nachgelagert auf reflektierten Strahlen ausbreiten, die räumlich gesehen deckungsgleich sind (aus der zur Kippachse parallelen Blickrichtung betrachtet). Die „reflektierten Strahlen“ beschreiben nach den Prinzipien der geometrischen Strahlenoptik die Strahlungsausbreitung nach der Reflexion (am Spiegel, nicht am Objekt). Diese reflektierten Strahlen liegen räumlich (nicht zeitlich) deckungsgleich, die Pulse breiten sich also von derselben Stelle der Reflexionsfläche weg auf exakt demselben Pfad aus.
Im Einzelnen hängt der Zeitversatz zwischen der Emission des ersten Pulses vom ersten Emitter und der Emission des zweiten Pulses vom zweiten Emitter dann einerseits von der Winkelgeschwindigkeit v_α des Spiegels und andererseits vom (ersten) Winkel zwischen den Emittern ab (und auch von der gewünschten Reichweite, siehe vorne). Liegt der Winkel bspw. bei 2,4° (dem 10-fachen von 0,24°), ergibt sich mit der vorstehend diskutierten Winkelgeschwindigkeit von 1,2 × 10^-4°/ns ein Zeitversatz von 2 µs (für eine Reichweite von 300 m). Dies nur zur Illustration, selbstverständlich sind auch andere Spiegelfrequenzen und damit Winkelgeschwindigkeiten bzw. auch Rasterwinkel möglich.
Auch die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen betreffen eine Relativverkippung der Strahlen bzw. Emitter, die aber anders als die bislang diskutierte Verkippung nicht hinsichtlich einer zur Kippachse des Spiegels senkrechten Ebene besteht, sondern in einer die Kippachse beinhaltenden Ebene bzw. Ebenenschar. Entsprechend liegt die Blickrichtung, aus welcher diese Verkippung sichtbar ist, nicht parallel zur Kippachse, sondern senkrecht dazu. Diese beiden Möglichkeiten der Verkippung können alternativ zueinander realisiert sein, oder auch in Kombination miteinander.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform treffen die Strahlen somit derart zueinander verkippt auf den Spiegel, dass sie aus einer zur Kippachse senkrechten Blickrichtung betrachtet einen (zweiten) Winkel miteinander einschließen. Wie bereits erwähnt, ergibt sich vorliegend die Unterteilung in die Raumwinkelsegmente durch die Spiegelbewegung und das sequenzielle Pulsen (des ersten Emitters). Mit der Verkippung um den zweiten Winkel kann nun jedes der Raumwinkelsegmente seinerseits weiter unterteilt werden (in „Raumwinkelsegmentteile“). Emittieren die entsprechend zueinander verkippten Emitter ihre Pulse gleichzeitig, breiten sich diese zwar in dasselbe Raumwinkelsegment, dabei aber gleichwohl zueinander verkippt in ein jeweils eigenes „Raumwinkelsegmentteil“ aus.
Bezogen auf die Anwendung kann die Spiegelbewegung bspw. den horizontalen Öffnungswinkel (Vollwinkel) des Erfassungsfelds untergliedern, wobei die Relativverkippung der Emitter um den bzw. die zweite(n) Winkel dann nochmals jedes der Raumwinkelsegmente in vertikaler Richtung unterteilt. Bildlich gesprochen können die unterschiedlichen Emitter miteinander bzw. relativ zueinander „aufgefächert“ in ein jeweiliges Raumwinkelsegment emittieren, und zwar im eben genannten Beispiel in vertikaler Richtung aufgefächert.
Betriebsseitig können die einem jeweiligen Raumwinkelsegment zugeordneten Emitter bspw. in einem ersten Betriebszustand gleichzeitig emittieren, was bspw. eine sehr hohe Reichweite ergibt. Wird in dem fraglichen Raumwinkelsegment ein Objekt festgestellt, kann in einem zweiten Betriebszustand sequenziell emittiert werden, um dann auch noch innerhalb des Raumwinkelsegments eine Auflösung zu schaffen, in dem Beispiel von eben in vertikaler Richtung. In diesem Fall könnte dann sogar auch mit einer integral (ohne Ortsauflösung) messenden Empfängereinheit eine Auflösung in zwei Richtungen erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Empfängereinheit in zumindest einer Ebene raumwinkelauflösend. Sie kann also Pulse, die im selben Zeitpunkt aus unterschiedlichen Raumrichtungen eintreffen, diesen Raumrichtungen zuordnen, jedenfalls soweit die Raumrichtung einen Verkippungsanteil in der Ebene hat, in welcher die Empfängereinheit raumwinkelauflösend ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die raumwinkelauflösende Empfängereinheit aus einem Zeilensensor mit einer vorgelagerten Optik aufgebaut. Entlang einer Sensorzeile ist der Zeilensensor ortsauflösend, macht er also an unterschiedlichen Stellen der Sensorzeile einfallende Strahlung unterscheidbar. Mit der vorgelagerten Optik wird diese Ortsverteilung in eine Raumwinkelverteilung umgesetzt, wird also aus unterschiedlichen Raumrichtungen einfallende Strahlung auf unterschiedliche Bereiche der Sensorzeile geführt (abstrakt entspricht dieser Wechsel zwischen Raumwinkel- und Ortsverteilung einer FourierTransformation). Bevorzugt ist eine Anordnung der Optik derart, dass sie die Sensorzeile ins Unendliche abbildet. Eine abbildende Optik ist generell bevorzugt, bspw. mit einer Sammellinse bzw. einem entsprechenden System mehrerer Einzellinsen. Der Sensor kann im Allgemeinen auch in mehreren Zeilen raumwinkelauflösend sein, also nach Zeilen und Spalten aufgebaut einem Flächensensor entsprechen; bevorzugt ist er jedoch entlang genau einer Zeile raumwinkelauflösend, auch zur Vermeidung unnötigen Aufwands.
Ein Zeilensensor kann bspw. auch mit mehreren nebeneinander angeordneten Fotodioden aufgebaut werden. Es ist aber auch ein integriertes Bauteil, etwa nach Art eines CCD- bzw. CMOS-Arrays, möglich. Generell kann als Fotodiode, egal ob für sich integral (nicht raumwinkelauflösend) oder zu mehreren raumwinkelauflösend genutzt, bspw. eine APD- bzw. SPAD-Fotodiode Verwendung finden (Avalanche Photo Diode bzw. Single Photon APD). Ebenso kann aber bspw. eine PIN-Diode oder ein Photomultiplier vorgesehen werden. Generell ist als Sensor geeignet, was die darauffallende Strahlung (insbesondere IR-Strahlung) jedenfalls anteilig in ein elektrisches Signal umsetzt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Empfängereinheit relativ zu dem Spiegel und damit den Raumwinkelsegmenten derart angeordnet, dass die zumindest eine Ebene, in welcher die Empfängereinheit raumwinkelauflösend ist, parallel zur Kippachse des Spiegels liegt. Die Empfängereinheit ist dann also innerhalb eines jeweiligen Raumwinkelsegments raumwinkelselektiv, kann also aus den aufgefächerten Raumwinkelsegmentteilen desselben Raumwinkelsegments eintreffende Echopulse den unterschiedlichen Raumrichtungen zuordnen. Bezogen auf die Orientierung der montierten Abstandsmesseinheit kann sich dann also bspw. in horizontaler Richtung die Auflösung durch das Rastern (die Spiegelbewegung) ergeben, in vertikaler Richtung bzw. in vertikalen Ebenen ist die Empfängereinheit raumwinkelsensitiv.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gibt es unterschiedliche Betriebsmodi, emittieren der erste und der zweite Emitter nämlich in einem ersten Betriebsmodus sequenziell, in einem zweiten Betriebsmodus hingegen zeitgleich. Dies hat je nachdem, ob die Emitter hinsichtlich einer zur Kippachse parallelen Blickrichtung (um den ersten Winkel) oder einer zur Kippachse senkrechten Blickrichtung (um den zweiten Winkel) zueinander verkippt sind, eine unterschiedliche Wirkung. Bei einer Verkippung um den zweiten Winkel erfolgt die zeitgleiche Emission in dasselbe Raumwinkelsegment, wohingegen bei einer Verkippung um den ersten Winkel sequenziell emittierte Pulse in dasselbe Raumwinkelsegment gelangen.
In beiden Fällen kann mit dem Wechsel zwischen den Betriebsmodi aber vorteilhafterweise zwischen bspw. einem Modus „verbesserter Störabstand“, bei dem durch Mehrfachpulsung desselben Raumwinkelsegments ein gutes SNR erreicht wird, und einem Betriebsmodus „hohe Orts-/Zeitauflösung“ gewechselt werden. Werden die Pulse nämlich nicht in dasselbe Raumwinkelsegment abgegeben, können bspw. andere der Raumwinkelsegmente entsprechend dichter getaktet mit Pulsen versorgt werden, was bspw. Änderungen schneller erkennbar macht. Letzteres kann insbesondere mit Blick auf teil- bzw. vollautonom fahrenden Fahrzeuge von besonderem Interesse sein.
Es kann bspw. bei einem sehr weit entfernten bzw. von seinen Oberflächen her ungünstigen Objekt (Reflexionseigenschaften etc.) der Echopuls so klein werden, dass sich auch mittels Signalverarbeitung (Zusammenführen mehrerer aufeinanderfolgender Echopulse) kein geeignetes Signal mehr gewinnen lässt. Dann kann ein Wechsel in einem Betrieb derart, dass die Pulse zeitgleich ins jeweilige Raumwinkelsegment gelangen, von Vorteil sein, auch wenn dies dann bspw. auf Kosten der Auflösung geht (die Raumwinkelsegmentteile nicht mehr differenziert werden können). Bei einem nahen/stark reflektierenden Objekt hingegen kann bspw. ein sequenzieller Betrieb insoweit von Vorteil sein, als sich damit einem Übersteuern der Empfängereinheit vorbeugen lassen kann. Ein Dynamikbereich, der sich danach bestimmt, mit welcher Bandbreite an Leistungen der Echopulse gerechnet werden muss, kann vorteilhafterweise eingegrenzt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft die Taktung mit einem dritten Emitter bzw. auch noch weiteren Emittern. Dabei emittieren in einem dritten Betriebsmodus nur der erste und der zweite Emitter in das zumindest eine, also dasselbe Raumwinkelsegment. In einem vierten Betriebsmodus emittiert dann zusätzlich auch der dritte Emitter in dasselbe Raumwinkelsegment. Wenngleich eine Kombination mit dem ersten/zweiten Betriebsmodus gemäß der vorstehenden Beschreibung bevorzugt sein kann, ist dies nicht zwingend, die Bezugnahme auf den dritten bzw. vierten Betriebsmodus dient vorrangig der begrifflichen Unterscheidbarkeit. Dies lässt sich dann mit (einem) zusätzlichen Emitter(n) beliegt fortsetzen, es kann also bspw. bei vier Emittern in einem Betriebsmodus jeder Emitter in ein eigenes Raumwinkelsegment emittieren, und können in einem anderen Betriebsmodus jeweils zwei Emitter paarweise in dasselbe Raumwinkelsegment emittieren (was einer Aufteilung 2 - 2 entspricht, wobei auch eine Aufteilung 3 - 1 möglich wäre).
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Abstandsmesseinheit derart eingerichtet, dass mindestens einer der Emitter seine Pulse im Zeitverlauf mit einer unterschiedlichen Leistung emittiert, bevorzugt gilt dies für mindestens 30 %, 50 %, 70 % bzw. 90 % der Emitter, besonders bevorzugt für sämtliche Emitter.
Die Leistungsanpassung, bspw. eine Verringerung bei geringerem Objekt-Abstand, kann z. B. die Energieeffizienz bzw. den thermischen Haushalt der Emittereinheit betreffend Vorteile bieten, oder auch ein fotobiologisches Risiko, insbesondere in Bezug auf eine Gefährdung der Augen, reduzieren helfen. Die Begriffe „Abstand“, „Objekt-Abstand“ und „objektbezogener Abstand“ werden hier und im Folgenden gleichbedeutend verwendet. Sich teil- oder vollautonom bewegende Fahrzeuge können eine Vielzahl von Abstandsmesseinheiten verwenden, die an unterschiedlichen Positionen des Fahrzeugs angebracht sind und im Zusammenwirken eine Rundumsicht ermöglichen. Auch können technologisch unterschiedliche Abstandsmesseinheiten zur Anwendung kommen, insbesondere Kamerasysteme im sichtbaren, ultravioletten und infraroten Spektralbereich, akustische Abstandsmesseinheiten auf Ultraschall- oder Infraschallbasis, Radar-basierte Abstandsmesseinheiten sowie LIDARbasierte Abstandsmesseinheiten. Die unterschiedlichen Abstandsmesseinheiten können zur Messung für unterschiedliche Objekt-Abstände ausgelegt sein, angefangen vom Zentimeter- und Meter-Bereich, bis hin zu Entfernungen von mehreren Hundert Metern, oder sogar darüber hinaus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistung in Abhängigkeit von einer Objektklassifizierung angepasst. Zur Illustration, es können also bspw. Fußgänger und Fahrradfahrer einer Klasse zugeordnet sein und können die Pulse bei einer Zuordnung des Objekts zu dieser Klasse mit reduzierter Leistung emittiert werden, bspw. zur Verringerung eines fotobiologischen Risikos bzw. zur Vermeidung von Blendeffekten etc. Weitere Objektklassen können sein: Motorräder, Quads, Verkehrsschilder, PKWs, LKWs, Brücken, Tunnels, Ampelanlagen, Überführungen, Flugobjekte. Die Klassifizierung kann hierbei Teil einer Objekterkennung sein, letztere ist aber im Allgemeinen nicht zwingend (es muss also bspw. ein Lastkraftwagen nicht zwingend als solcher erkannt werden, sondern kann ihm auch bereits aufgrund eines Größenkriteriums eine bestimmte, in der Regel größere Leistung zugeordnet sein).
Im Falle des Kraftfahrzeugs können die mit der Abstandsmesseinheit erfassten Daten bspw. auch um weitere Sensordaten ergänzt werden, etwa um Kameraaufnahmen des Sichtfelds etc. Dies ist bei einer Objektklassifizierung bzw. -erkennung möglich, im Übrigen aber auch bei der vorstehend diskutierten Extrapolation von Abstandsfunktionen mittels Bewegungstrajektorien. Andererseits kann aber auch allein anhand der mittels der Abstandsmesseinheit erfassten Daten eine Klassifizierung bzw. Erkennung möglich sein.
Die Objektklassifizierung/-erkennung kann analog den aus der zweidimensionalen Bildbearbeitung bekannten Verfahren ablaufen; vereinfacht gesprochen definieren die Raumwinkelbereiche ein Raster und kann der jeweilig zugeordnete Abstandswert als Graustufe betrachtet werden. Das gemessene Abstandsbild wird dann in der Regel segmentiert, bspw. über definierte Schwellwerte bzw. durch eine kanten- oder regionenbasierte Segmentierung. Das Bild kann nach bestimmten Kanten- oder Flächenformationen oder vollständigen Vorlagen („wie könnte das infrage kommende Objekt nach einer Segmentierung aussehen?“) durchsucht werden. Das bzw. die Objekte können dann, insbesondere mittels einer Objektdatenbank, in Klassen eingeteilt werden, bevorzugt mündet dies in einer Objekterkennung.
In bevorzugter Ausgestaltung wird in dem bzw. den Raumwinkelbereichen, in denen sich ein als Fußgänger/Radfahrer zugeordnetes Objekt befindet, mit einer verringerten Leistung P₁ emittiert. Dies bezieht sich auf den Vergleich zu einer zweiten Leistung P₂, die im Falle einer Zuordnung des Objekts zu einer zweiten Klasse anliegt. Dies gilt bei gleichem Abstand zu dem Objekt (bspw. im Falle eines sehr weit entfernten Fahrradfahrers/Fußgängers kann die Leistung auch wieder gleich groß oder größer als im Falle eines Kraftfahrzeugs in kleiner Distanz sein). Der zweiten Klasse können neben Kraftfahrzeugen als anderen Verkehrsteilnehmern bspw. auch Autobahnbrücken bzw. Bäume am Fahrbahnrand etc. zugeordnet sein. Wird ein Objekt bspw. als Baum klassifiziert, kann mitunter sogar auch eine erhöhte Leistung P₃ angelegt werden, weil die zergliederte Oberflächenstruktur des Blätter- bzw. Nadelwerks eine verschlechterte Reflexion bzw. erhöhte Streuung zur Seite erwarten lässt.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die Leistung bei einem in geringerem Abstand erfassten Objekt verringert. Geht man von einem ersten Abstand d₁ und einem demgegenüber größeren Abstand d₂ aus, wird eine erste Leistung P₁ im ersten Abstand kleiner als eine zweite Leistung P₂ gewählt, die im zweiten Abstand angelegt wird. Es kann bspw. um jeden der Abstände d₁, d₂ jeweils ein Intervall gelegt sein, und es wird dann die Leistung P₁ oder P₂ angelegt, je nachdem ob der gemessene bzw. zugeordnete Abstandswert im ersten oder zweiten Intervall liegt. Es kann dann auch noch weitere Intervalle geben, bspw. n Intervalle, die aneinandergesetzt n Stufen mit einer jeweils anderen Leistung P_n festlegen.
Es ist aber ebenso eine stufenlose Anpassung möglich, kann also die Leistung P(d) als stetige Funktion des Abstands hinterlegt sein. Hierbei kommt insbesondere eine Polynomfunktion infrage, etwa ein Polynom zweiten Grades, gegebenenfalls mit Korrekturtermen. Im Vergleich zur schrittweisen Anpassung kann die stufenlose Variante eine noch höhere Genauigkeit ermöglichen, andererseits kann die schrittweise Anpassung weniger komplex und zeitaufwendig sein, was im Automobilumfeld von Vorteil sein kann (kurze Reaktionszeiten und einfachere, robuste Komponenten) .
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer vorliegend offenbarten Abstandsmesseinheit, vgl. auch die Anmerkungen eingangs. Der Abstand zu dem Objekt wird signallaufzeitbasiert gemessen, und zwar anhand der von dem bzw. den Emittern emittierten und dann an dem Objekt reflektierten Pulse bzw. Echopulse. Dabei emittieren in zumindest einige der Raumwinkelsegmente jeweils mindestens zwei Emitter.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Abstandsmesseinheit in einem Kraftfahrzeug, bspw. einem Lastkraftwagen bzw. Kraftrad, bevorzugt in einem Personenkraftwagen. Besonders bevorzugt ist die Anwendung in einem teil- bzw. vollautonom fahrenden Fahrzeug. Im Allgemeinen ist aber auch eine Anwendung in einem Luft- bzw. Wasserfahrzeug denkbar, etwa einem Flugzeug, Helikopter oder Schiff.
Ein Fahrzeug kann eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Abstandsmesseinheit aufweisen, wobei bevorzugter Weise das Erfassungsfeld bzw. der Sichtbereich (FOV) einer jeden der Abstandsmesseinheiten räumlich disjunkt zu der bzw. den anderen Abstandsmesseinheiten ist. Damit lässt sich ein größerer Gesamt-Raumwinkelbereich erfassen (vor, seitlich, hinter, oberhalb des Fahrzeugs). Weisen die Abstandsmesseinheiten unterschiedliche IR-Laserwellenlängen auf, können die Sichtbereiche (FOV) auch nicht disjunkt sein, also zumindest teilweise überlappen. Die Abstandsmesseinheiten können bspw. in bestehende Fahrzeug-Scheinwerfersysteme integriert sein.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

1a ein Kraftfahrzeug mit einer Abstandsmesseinheit, sowie deren in Raumwinkelsegmente untergliedertes Erfassungsfeld in einer Aufsicht (bird view);
1b die Anordnung gemäß 1a in einer Seitenansicht, in der die Untergliederung eines Raumwinkelsegments in Raumwinkelsegmentteile ersichtlich ist;
2 in schematischer Darstellung eine erste Möglichkeit zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts;
3 in schematischer Darstellung eine zweite Möglichkeit zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts;
4 eine raumwinkelauflösende Empfängereinheit in schematischer Darstellung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1a,b zeigen eine Abstandsmesseinheit 1, die in ein Kraftfahrzeug 2 eingebaut und in Fahrtrichtung (nach vorne) ausgerichtet ist. Mit der Abstandsmesseinheit 1 kann der Abstand zu Objekten 3a,b, wie bspw. anderen Fahrzeugen oder auch Fußgängern etc., gemessen werden, wenn sich diese Objekte 3a,b im Erfassungsfeld 4 der Abstandsmesseinheit 1 befinden. Das Erfassungsfeld 4 hat einen horizontalen Öffnungswinkel α und einen vertikalen Öffnungswinkel β.
Wie dann anhand von 2 im Einzelnen erläutert, ist das Erfassungsfeld 4 in horizontaler Richtung in eine Vielzahl Raumwinkelsegmente 5a,b untergliedert, die sich infolge einer gepulsten Emission über einen verkippbar gelagerten (und bewegten) Spiegel ergeben. Jedes der Raumwinkelsegmente 5a,b entspricht einer Spiegelwinkelstellung, über den Spiegel wird ein jeweiliger Puls 6 in das jeweilige Raumwinkelsegment 5a,b geführt. Sofern sich im jeweiligen Raumwinkelsegment 5a,b ein Objekt befindet, wird der Puls reflektiert, kommt er also als Echopuls zurück und kann mit einer Empfängereinheit empfangen werden. Erst nach einer Pausendauer, während welcher noch auf den Echopuls 7 zu dem vorherigen Puls 6 „gelauscht“ wird, wird der darauffolgende Puls 6 in das darauffolgende Raumwinkelsegment emittiert. Das Erfassungsfeld 4 wird so in horizontaler Richtung abgerastert.
In vertikaler Richtung gibt es eine weitergehende Unterteilung, exemplarisch gezeigt für das erste Raumwinkelsegment 5a. Dieses gliedert sich in die Raumwinkelsegmentteile 5aa, ab, ac. Wie nachstehend im Einzelnen erläutert, ergibt sich die Unterteilung in vertikaler Richtung nicht aus der Bewegung des Spiegels, sondern der Anordnung der Emitter.
Eine Grundidee besteht vorliegend darin, die Raumwinkelsegmente 5a,b jeweils nicht nur mit einem einzigen, sondern mit mehreren Emittern zu versorgen. Eine erste Möglichkeit der Umsetzung zeigt 2, wobei die Emittereinheit 20 exemplarisch mit einem ersten Emitter 21a und einem zweiten Emitter 21b dargestellt ist, in der Praxis aber noch deutlich mehr Emitter vorgesehen sein können. Emittiert ein jeweiliger Emitter 21a,b einen Puls (die Pulse an sich sind in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt), breitet sich dieser entlang eines jeweiligen Strahls 22a,b zu einem verkippbar gelagerten Spiegel 23 aus. An dessen Reflexionsfläche werden die Pulse dann je nach Winkelstellung in ein jeweiliges Raumwinkelsegment 5a,b reflektiert.
Vorliegend erfolgt der Betrieb derart, dass der erste Emitter 21a in einer ersten Winkelstellung (durchgezogene Linie) des Spiegels 23 einen Puls emittiert, der in das erste Raumwinkelsegment 5a gelangt. Dann emittiert der zweite Emitter 21b einen Puls, der dann, aufgrund der veränderten Winkelstellung, mit dem vorherigen Puls des ersten Emitters 21a deckungsgleich in das erste Raumwinkelsegment 5a gelangt. In das zweite Raumwinkelsegment 5b emittiert dann wiederum zunächst der erste Emitter 21a (in einer zweiten Winkelstellung, nicht dargestellt) und danach der zweite Emitter 21b. In einer praktischen Umsetzung wird der Spiegel 23 in der Regle schwingend betrieben werden (vgl. die Beschreibungseinleitung), sich also in einer Periode hin- und herbewegen. Die Emitter 21a,b können ihre sequenziell in dasselbe Raumwinkelsegment 51,b abgegebenen Pulse dann bspw. auch in aufeinanderfolgenden Perioden emittieren, also bspw. der erste Emitter 21a bei der Hin- und der zweite Emitter 21b bei der Rückbewegung des Spiegels 23.
Der erste 21a und der zweite Emitter 21b sind relativ zueinander derart angeordnet, dass die Strahlen 22a,b in der zur Kippachse 26 parallelen Blickrichtung gemäß 2 gesehen einen ersten Winkel 25 miteinander einschließen. Der erste Winkel entspricht vorliegend dem halben Öffnungswinkel δα eines jeweiligen Raumwinkelsegments 5a,b. Der Öffnungswinkel δα entspricht jenem Winkel, der zwischen der ersten Winkelstellung (durchgezogene Linie) und der zweiten, in 2 nicht dargestellten Winkelstellung liegt, in welcher der erste Emitter 21a in das zweite Raumwinkelsegment 5b emittiert. Dem Spiegel 23 nachgelagert liegen die refektierten Strahlen 27a,b deckungsgleich.
3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts. Die Emittereinheit 20 weist wiederum mehrere Emitter 21a-d auf. Diese sind ebenfalls relativ zueinander verkippt angeordnet, allerdings nicht in Bezug auf eine zur Kippachse 26 parallele Blickrichtung, sondern aus einer zur Kippachse 26 senkrechten Blickrichtung gesehen. Aus dieser Richtung betrachtet sind die Strahlen 22a,b vorliegend um einen zweiten Winkel 30 zueinander verkippt, was eine Auffächerung innerhalb des jeweiligen Raumwinkelsegments 5a,b ergibt. Vorliegend befindet sich der Spiegel 23 in der ersten Winkelstellung, in der die Pulse in das erste Raumwinkelsegment 5a gelangen. Da die Strahlen 22a,b zueinander verkippt sind, gelangen die Pulse innerhalb des ersten Raumwinkelsegments 5a in ein jeweils eigenes Raumwinkelsegmentteil 5aa, 5ab.
Die Emitter 21a-d können nun bspw. derart betrieben werden, dass sie ihren jeweiligen Puls jeweils gleichzeitig in das jeweilige Raumwinkelsegment 5a,b emittieren. Ist dann bspw. eine integral, nicht raumwinkelauflösend messende Empfängereinheit vorgesehen, wird das jeweilige Raumwinkelsegment 5a,b ohne weitergehende Auflösung (Pixelierung) vermessen. Wird in dem jeweiligen Raumwinkelsegment ein Objekt festgestellt, können die Emitter 21a-d ihre Pulse in das jeweilige Raumwinkelsegment dann auch sequenziell emittieren, womit sich die einzelnen Raumwinkelsegmentteile 5aa, ab auflösen lassen. Andererseits kann auch, wie in 4 illustriert, eine raumwinkelauflösende Empfängereinheit 40 vorgesehen sein. Diese weist einen Zeilensensor 41 mit einer vorgelagerten Optik 42 auf. Durch die Optik 42 werden aus unterschiedlichen Raumrichtungen 43, 44 einfallende Echopulse auf unterschiedliche Bereiche einer Sensorzeile 45 geführt. Entlang dieser Sensorzeile 45 ist der Zeilensensor 41 ortsauflösend, er kann bspw. aus nebeneinander gesetzten Fotodioden aufgebaut sein. An unterschiedlichen Stellen der Sensorzeile 45 einfallende Strahlung kann also ortsaufgelöst erfasst werden, was umgekehrt eine Zuordnung zu den unterschiedlichen Raumrichtungen 43, 44 erlaubt.
Vorliegend ist der Zeilensensor 41 in genau einer Zeile ortsauflösend, womit umgekehrt die Raumwinkelauflösung in einer Ebene besteht, nämlich in der Zeichenebene bei der Variante gemäß 4. Mit einer solchen Empfängereinheit 40 kann zusammen mit der Emitteranordnung 20 gemäß 3 auch bei einer simultanen Emission der Emitter 21a-d eine Auflösung der einzelnen Raumwinkelsegmentteile 5aa, 5ab erreicht werden. Dazu wird die Empfängereinheit 40 derart ausgerichtet, dass die Ebene, in welcher sie raumwinkelauflösend ist, parallel zur Kippachse 26 liegt, sodass also die aus den unterschiedlichen Raumwinkelsegmentteilen 5aa, 5ab einfallenden Echopulse auf unterschiedliche Bereiche der Sensorzeile 45 gelangen.
Ferner kann die Emittereinheit 20 gemäß 3 auch dahingehend genutzt werden, dass die einzelnen Emitter 21a-d wahlweise (gruppenweise) simultan oder sequenziell emittieren. Emittieren die Emitter 21a-d bspw. nacheinander mit einem jeweiligen Zeitversatz, gelangen die Pulse in ein jeweilig eigenes Raumwinkelsegment 5a,b. Der horizontale Öffnungswinkel α kann dann mit einer besonders feinen Auflösung vermessen werden. Andererseits können aber bspw. auch der erste 21a und der zweite Emitter 21b gleichzeitig emittieren, danach der dritte Emitter 21c und der vierte Emitter 21d gleichzeitig. Die Auflösung wird damit etwas reduziert, allerdings wird die Leistung je Raumwinkelsegment 5a,b erhöht, was insbesondere bei Objekten in großer Entfernung eine Detektion unterstützen bzw. überhaupt noch ermöglichen kann.
Wie auch in der Beschreibungseinleitung erwähnt, können die Anordnungen gemäß den 2 und 3 auch kombiniert sein. Die Emittereinheit 20 kann also mehrere Emitter 21 aufweisen, die zum Teil einerseits gemäß 2 in einer zur Kippachse 26 parallelen Blickrichtung gesehen verkippt sind, und zwar gruppenweise. Letzeres meint, dass es in 2 hinter bzw. vor jedem der beiden dargestellten Emitter 21a,b weitere Emitter gibt, deren Strahlen dann jeweils mit entweder dem Strahl 22a oder dem Strahl 22b deckungsgleich liegen, und zwar in der Ansicht gemäß 2. In einer Ansicht gemäß 3, also innerhalb einer jeweiligen Gruppe, wären die Strahlen hingegen relativ zueinander verkippt, vgl. 3. Würde man konkret die 2 und 3 miteinander kombinieren, hätte die Emittereinheit 20 genau acht Emitter 21.
Bezugszeichenliste

Abstandsmesseinheit		1
Kraftfahrzeug		2
Objekte		3a,b
Erfassungsfeld		4
Raumwinkelsegmente		5
	Erstes Raumwinkelsegment	5a
	Zweites Raumwinkelsegment	5b
Pulse		6
Echopuls		7
Emittereinheit		20
Emitter		21
	Erster Emitter	21a
	Zweiter Emitter	21b
	Dritter Emitter	21c
	Vierter Emitter	21d
Strahlen		22
	Erster Strahl	22a
	Zweiter Strahl	22b
Spiegel		23
Erster Winkel		25
Kippachse		26
Reflektierte Strahlen		27a,b
Zweiter Winkel		30
Empfängereinheit		40
Zeilensensor		41
Optik		42
Raumrichtungen (unterschiedliche)		43,44
Sensorzeile		45

Claims

Abstandsmesseinheit (1) zur signallaufzeitbasierten Messung eines Abstands zu einem in einem Erfassungsfeld (4) befindlichen Objekt (3a,b), mit einer Emittereinheit (20) mit einer Mehrzahl jeweils zur Emission von Pulsen in Form elektromagnetischer Strahlung ausgelegten Emittern (21), einer Empfängereinheit (40) zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung nach einer abstandsabhängigen Laufzeit, und einem verkippbar gelagerten Spiegel (23), wobei die Abstandsmesseinheit für einen Betrieb derart eingerichtet ist, dass ein erster (21a) der Emitter (21) sequenziell mehrere Pulse (6) über den Spiegel (23) emittiert, nämlich - in einem ersten Zeitpunkt in einer ersten Winkelstellung des Spiegels (23) in ein erstes Raumwinkelsegment (5a), und - in einem zweiten Zeitpunkt in einer zweiten Winkelstellung des Spiegels (23) in ein zweites Raumwinkelsegment (5b), wobei auch ein zweiter (21b) der Emitter (21) über den Spiegel einen Puls (6) in zumindest eines der Raumwinkelsegmente (5a,b) emittiert.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 1, die für einen Betrieb derart eingerichtet ist, dass der erste Emitter (21a) und der zweite Emitter (21b) die Pulse (6), die sie in das zumindest eine, also dasselbe Raumwinkelsegment (5a,b) emittieren, relativ zueinander zumindest zeitweilig sequenziell emittieren.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein erster Strahl (22a), entlang welchem der erste Emitter (21a) seine Pulse (6) auf den Spiegel (23) emittiert, zu einem zweiten Strahl (22b), entlang welchem der zweite Emitter (21b) seine Pulse (6) auf den Spiegel (23) emittiert, verkippt ist, insbesondere der erste Emitter (21a) und der zweite Emitter (21b) relativ zueinander entsprechend verkippt angeordnet sind.
Abstandsmesseinheit (1) nach den Ansprüchen 2 und 3, bei welcher der erste Strahl (22a) und der zweite Strahl (22b) bezogen auf eine Kippachse (26) der verkippbaren Lagerung des Spiegels (23) derart zueinander verkippt sind, dass die Strahlen (22a,b) in einer zu der Kippachse (26) parallelen Blickrichtung gesehen einen ersten Winkel (25) miteinander einschließen.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 4, bei welcher der Spiegel (23) in der zweiten Winkelstellung um einen Kippwinkel δα gegenüber der ersten, nächstbenachbarten Winkelstellung verkippt ist, wobei der erste Winkel (25) dem halben Kippwinkel entspricht oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher der erste Winkel (25) mindestens 0,2° beträgt.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, die für einen Betrieb eingerichtet ist, in welchem die Emission eines ersten Pulses des ersten Emitters (21a) mit der Emission einen zweiten Pulses des zweiten Emitters (21b) derart getaktet ist, dass der sich der erste Puls und der zweite Puls dem Spiegel (23) nachgelagert auf reflektierten Strahlen (27a,b) ausbreiten, die in der zur Kippachse (26) parallelen Blickrichtung gesehen deckungsgleich sind.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei welcher der erste Strahl (22a) und der zweite Strahl (22b) bezogen auf eine Kippachse (26) der verkippbaren Lagerung des Spiegels (23) in einer zu der Kippachse (26) senkrechten Blickrichtung gesehen einen zweiten Winkel (30) miteinander einschließen, insbesondere der erste Emitter (21a) und der zweite Emitter (21b) entsprechend zueinander verkippt sind.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Empfängereinheit (40) in zumindest einer Ebene raumwinkelauflösend ist.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 9, bei welcher die raumwinkelauflösende Empfängereinheit (40) eine Optik (42) und einen Zeilensensor (41) mit einer Sensorzeile (45) zum ortsaufgelösten Empfangen aufweist, wobei über die Optik (42) unterschiedlichen Raumrichtungen (43,44) unterschiedliche Bereiche der Sensorzeile (45) zugeordnet sind.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 9 oder 10, bei welcher die zumindest eine Ebene, in welcher die Empfängereinheit (40) raumwinkelauflösend ist, parallel zu der Kippachse (26) des Spiegels (23) liegt.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die für einen Betrieb derart eingerichtet ist, dass der erste Emitter (21a) und der zweite Emitter (21b) relativ zueinander ihre Pulse (6) in einem ersten Betriebsmodus sequenziell emittieren und ihre Pulse (6) in einem zweiten Betriebsmodus zeitgleich emittieren.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die für einen Betrieb derart eingerichtet ist, dass auch ein weiterer der Emitter (21) über den Spiegel (23) einen Puls (6) in das zumindest eine Raumwinkelsegment (5a,b) emittiert, in das auch der erste (21a) und der zweite Emitter (21b) emittieren, wobei in einem dritten Betriebsmodus im Zeitverlauf nur der erste Emitter und der zweite Emitter in das zumindest eine Raumwinkelsegment (5a,b) emittieren und in einem vierten Betriebsmodus zusätzlich auch der weitere Emitter in das zumindest eine Raumwinkelsegment (5a,b) emittiert.
Verfahren zum Betreiben einer Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Abstand zu einem Objekt (3a,b) signallaufzeitbasiert gemessen wird, wozu die Emitter (21) ihre jeweiligen Pulse (6) emittieren und mit der Empfängereinheit (40) die abstandsabhängige Laufzeit gemessen wird, wobei in zumindest einige der Raumwinkelsegmente (5) jeweils mindestens zwei der Emitter (21) emittieren.
Verwendung einer Abstandsmesseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Kraftfahrzeug (2), insbesondere gemäß einem Verfahren nach Anspruch 14.