DE102017223510A1

DE102017223510A1 - Vorrichtung für Kraftfahrzeuge zur Beurteilung von Umgebungen

Info

Publication number: DE102017223510A1
Application number: DE102017223510.1A
Authority: DE
Inventors: Sighard Schräbler; Sebastian Strunck; Bernd Hartmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischer Sensor zum Beurteilen von Oberflächen, aufweisend:- wenigstens eine Emissionseinheit (6) zum Aussenden eines modulierten optischen Signals (8) auf eine zu beurteilenden Oberfläche (7);- wenigstens eine Detektionseinheit (5, 43, 45, 46, 44) zum Erfassen eines an der Oberfläche (7) reflektierten optischen Signals des modulierten Signals (8) und Bereitstellen eines von dem reflektierten optischen Signal abhängigen elektrischen Ausgangssignals (49, 50); und- eine Steuervorrichtung (51) zum Auswerten des Ausgangssignals (49,50) der wenigstens einen Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) und Ermitteln eines Zustands der zu beurteilenden Oberfläche (7), wobei ein Frequenzspektrum (33b) des von der wenigstens einen Emissionseinheit aussendbaren modulierten optischen Signals (8) gegenüber einem Frequenzspektrum eines Störspektrums (31) im Wesentlichen abgegrenzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, die dazu bestimmt ist, Umgebungen zu beurteilen, gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Gemäß der Druckschrift SE 9904665-8 beleuchten Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensoren, wie beispielsweise das Road Eye, mittels Laserdioden die Straße und detektieren mit einer Fotodiode die von der Straße reflektierte Strahlung.
Die Dissertation von Johan Casselgren: Road Surface Characterization using Near Infrared Spectroscopy, Lulea University of Technology, 2011, ISBN 978-91-7439-273-9 offenbart mehrere Auswerteverfahren, anhand derer die Messwerte eines Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensors für trockene, nasse, Schnee oder Eis bedeckte Straßenoberflächen klassifiziert werden.
Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensoren weisen in Situationen, in denen ihre Umgebung nicht von anderen Beleuchtungsquellen beleuchtet wird, eine höhere Funktionstüchtigkeit auf, als in Situationen, in denen ihre Umgebung von anderen Beleuchtungsquellen beleuchtet wird.
Um eine Störung des Sensors durch sonstige Beleuchtungsquellen zu verringern, wird dieser gemäß dem Stand der Technik üblicherweise unter dem Fahrzeug mit einem optischen Blendschutz in Form eines geschwärzten Rohres realisiert, wodurch ein seitlicher Einfall von Streulicht zumindest vermindert wird.
Problematisch bei diesem Stand der Technik ist, dass sich aufgrund des Blendschutzrohres kein geeigneter Bauraum für den Straßenzustands-Sensor in einem Fahrzeug finden lässt und, dass ein nach unten geöffnetes Rohr am Fahrzeug gegenüber Verschmutzung und kleineren Tieren anfällig ist, sodass komplizierte Reinigungen zu erwarten wären.
Aufgabe der Erfindung ist es einen optischen Sensor zum Beurteilen von Oberflächen, insbesondere einen Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor, bereitzustellen, welcher relativ robust gegenüber beleuchteter Umgebung ist und/oder relativ kostengünstig und/oder relativ präzise erfassend ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft vorzugsweise einen optischen Sensor zum Beurteilen von Oberflächen, aufweisend:

- wenigstens eine Emissionseinheit zum Aussenden eines modulierten optischen Signals auf eine zu beurteilenden Oberfläche; und
- wenigstens eine Detektionseinheit zum Erfassen eines an der Oberfläche reflektierten optischen Signals des modulierten Signals und Bereitstellen eines von dem reflektierten optischen Signal abhängigen Ausgangssignals; und
- eine Steuervorrichtung zum Auswerten des Ausgangssignals der wenigstens einen Detektionseinheit und Ermitteln eines Zustands der zu beurteilenden Oberfläche.

Dabei ist ein Frequenzspektrum des von der wenigstens einen Emissionseinheit ausgesendeten modulierten optischen Signals gegenüber einem Frequenzspektrum eines Störspektrums im Wesentlichen abgegrenzt.
Der Erfindung liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, den Nutzfrequenzbereich deutlich vom Störfrequenzbereich zu trennen.
Es sei bevorzugt verstanden, dass unter einem optischen Sensor zum Beurteilen von Oberflächen, typischerweise ein Straßenzustandssensor verstanden wird, insbesondere ein Laser-reflexoptischer Straßenzustands-Sensor verstanden wird.
Der erfindungsgemäße optische Sensor zur Beurteilung von Oberflächen ermöglicht bevorzugt, dass dieser während der Fahrt ohne abschattendes Streulichtschutzrohr auskommt und damit auf einen akzeptablen Platzverbrauch verkleinert werden kann. Dadurch kann der optische Sensor beispielsweise in der Beleuchtung, im Kühlergrill, in der Stoßstange oder im Unterboden verbaut werden.
Unter einer Emissionseinheit sei insbesondere eine Einheit verstanden, die eine Laserdiode aufweist.
Unter einer Detektionseinheit sei demgegenüber insbesondere eine Einheit verstanden, die eine Fotodiode aufweist.
Vorzugsweise weist der optische Sensor insgesamt drei Laserdioden zum Aussenden von modulierten optischen Signalen unterschiedlicher Wellenlänge, insbesondere unterschiedlicher Infrarot-Wellenlänge, auf die zu beurteilende Oberfläche auf.
Vorzugsweise werden aus dem Verhältnis von jeweils zwei Wellenlängen ungewollte Abhängigkeiten, z.B. eine Abhängigkeit vom Arbeitsabstand, reduziert und gewünschte Eigenschaften, z.B. Absorption einer Wellenlänge auf der Oberfläche, abgeleitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung liegt das Frequenzspektrum des von der wenigstens einen Emissionseinheit ausgesendeten modulierten optischen Signal im Wesentlichen in einem höheren Frequenzbereich als ein Frequenzspektrum eines Störspektrums. Ferner ist die wenigstens eine Detektionseinheit so ausgebildet, dass diese das höhere Frequenzspektrum erfassen und ein davon abhängiges Ausgangssignal bereitstellen kann.
Insbesondere sendet die wenigstens eine Emissionseinheit das modulierte optische Signal mit einer Trägerfrequenz von mehr als 1000 Hz aus, vorzugsweise im Wesentlichen mit einer Trägerfrequenz von 16000 Hz.
Unter einer zu beurteilenden Oberfläche sei insbesondere eine Straße verstanden.
Insbesondere entsteht das Frequenzspektrum des Störspektrums, welches von der Detektionseinheit empfangen wird, durch Sonnenlicht und/oder durch Licht, welches von an Wechselstrom angeschlossenen Beleuchtungsanlagen stammt.
Unter dem zu ermittelnden Zustand sei insbesondere eine Klassifizierung der zu beurteilenden Oberfläche in eine der Klassen trocken, nass, schneebedeckt oder vereist verstanden.
Vorzugsweise trifft das emittierte optische Signal mit einem Winkel von im Wesentlichen 60° auf die zu beurteilende Oberfläche.
In einer Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit vorzugsweise eine Fotodiode und einen Verstärker, insbesondere einen Transimpedanz-Verstärker. Eine Sperrschicht der Fotodiode und parallel geschaltete Zuleitungen bilden eine Kapazität, welche als Eingangskapazität zu verstehen ist. Aufgrund des Miller-Effektes wirkt diese Eingangskapazität vergrößert.
Zweckmäßigerweise ist eine Transitfrequenz für die Detektionseinheit gegeben, welche unter anderem von einem Durchmesser der Fotodiode abhängig ist. Beispielsweise ist diese Transitfrequenz von der sogenannten Miller-Kapazität und einem Verstärkungsfaktor des Verstärkers abhängig.
Unter einer Transitfrequenz ist bevorzugt diejenige Frequenz eines verstärkenden Systems zu verstehen, bei der keine Verstärkung mehr stattfindet, das heißt die Verstärkung 0 dB beträgt.
Die Modulation des emittierten optischen Signals erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen in einem Frequenzbereich, welcher im Wesentlichen um eine Größenordnung, insbesondere einer Zehnerpotenz, unter dieser Transitfrequenz liegt.
Insbesondere ist die Detektionseinheit in der Lage das an der Oberfläche reflektierte optische Signal des modulierten Signals zu erfassen und/oder ein von dem reflektierten optischen Signal abhängiges Ausgangssignal bereitzustellen.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die in der Detektionseinheit wirkende Miller-Kapazität durch eine elektrische Beschaltung der Detektionseinheit reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die elektrische Beschaltung eine negative Vorspannung, die in Sperrrichtung an der Fotodiode anliegt.
Die negative Vorspannung weitet vorzugsweise die Raumladungszone der Fotodiode, wodurch sich die Sperrschichtkapazität der Fotodiode verkleinert, was zu einer geringeren Miller-Kapazität führt. Nachteilig sind erhöhte Rauschströme aufgrund der negativen Vorspannung, die zusätzliche Ladungsträger injiziert. Diese Weiterbildung sei als Vorladen einer Fotodiode oder als Biasing einer Fotodiode verstanden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit eine Fotodiode und einen Verstärker, wobei die Fotodiode zwei Anschlüsse aufweist und durch ein Gehäuse zumindest teilweise umhaust ist. Der Verstärker weist zwei Eingänge sowie einen Ausgang auf. Die elektrische Beschaltung umfasst eine leitfähige Kontaktierung des Ausgangs des Verstärkers mit dem Gehäuse der Fotodiode. Alternativ oder zusätzlich umfasst die elektrische Beschaltung eine Schirmung, insbesondere eine aktive Schirmung, der Zuleitung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode und den Eingängen des Verstärkers. Alternativ oder zusätzlich umfasst die elektrische Beschaltung eine Schirmung, insbesondere eine aktive Schirmung, der elektrischen Kontaktierung des Ausgangs des Verstärkers mit dem Gehäuse der Fotodiode. Diese Weiterbildung sei als Schirmung, als aktive Schirmung, oder auch als einfache Form des Bootstrapping verstanden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit eine Fotodiode und einen Verstärker. Die elektrische Beschaltung umfasst einen Transistor, dessen Ausgang über einen Koppelkondensator mit der Fotodiode elektrisch verbunden ist. Diese Weiterbildung sei als Bootstrapping verstanden.
Unter Bootstrapping sei insbesondere eine elektrische Schaltung verstanden, bei der eine Potentialänderung in einem Teil der Schaltung auch schlagartig in einem anderen Teil der Schaltung wirksam wird. Dabei wird insbesondere der Effekt ausgenutzt, dass Kondensatoren bei geringen Strömen ihre Spannung nur wenig ändern. Sie ziehen vorzugsweise eine Potentialänderung auf der einen Seite mit auf die andere Seite. Das wird beispielsweise bei Verstärkerschaltungen ausgenutzt, bei denen die Ausgangsspannung mithilfe eines Kondensators auf den Eingang rückgekoppelt wird. Diese Rückkopplung verursacht beispielsweise eine drastische Erhöhung des Eingangswiderstandes des Verstärkers.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit als elektrische Beschaltung eine Kaskode-Schaltung, die aus einem ersten Transistor in Source-Schaltung bzw. Emitter-Schaltung und einem zweiten Transistor in Gate-Schaltung bzw. Basisschaltung aufgebaut ist.
Unter einem Transistor sei beispielsweise ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor verstanden.
Die Kaskode-Schaltung ist insbesondere eine elektrische Verstärkerschaltung mit mindestens zwei Elektronenröhren oder Transistoren, die in Serie geschaltet sind. Hauptvorteil ist der verschwindend geringe Miller-Effekt, der eine höhere Bandbreite erlaubt, aber auch einen hohen Eingangs- und Ausgangswiderstand.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit einen Verstärker, wobei ein komplexer Spannungsteiler in der Gegenkopplung des Verstärkers den Verstärker frequenzselektiv beschaltet. Die frequenzselektive Beschaltung des Transimpedanz-Verstärkers verringert die Auswirkungen des Zusatzrauschens durch ein Bandpassverhalten um die Modulationsfrequenz. Gleichzeitig muss auch in der Gegenkopplung ein gewisser DC-Anteil parallel zum Bandpass durchgreifen, da der Verstärker sonst schwingt. Der Verstärker kann insbesondere wie ein unterkritisch betriebener Schwingkreis aufgefasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit einen Bandpassfilter, welches Gleichanteile und Rauschen, dessen Frequenzen außerhalb des Frequenzspektrums des von der wenigstens einen Emissionseinheit ausgesendeten modulierten optischen Signals liegen, ausfiltert.
Insbesondere trennt der Bandpassfilter das Nutzspektrum vom Störspektrum bzw. lässt insbesondere nur Frequenzen in einem Bereich um die Trägerfrequenz der von der Emissionseinheit emittierten optischen Strahlung passieren.
Es ist bevorzugt, dass statt einer synchronen Demodulation, die in den Umschaltmomenten weiteres Rauschen einbringt, ein AM-Demodulations-Schema eingesetzt wird. Ein Bandpass mit Resonanz trennt ungewollt verbliebene DC-Komponenten und Rauschen neben der Modulationsfrequenz ab.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit einen Hüllkurvendemodulator, der insbesondere einen Gleichrichter umfasst, vorzugsweise einen Gleichrichter und einen Tiefpass umfasst.
Die Diode richtet zweckmäßigerweise das eingehende Signal gleich. Der nachfolgende Tiefpass entfernt das hochfrequente Trägersignal. Als Ergebnis entsteht wieder das ursprüngliche Modulationssignal.
Ein Gleichrichter mit Tiefpass demoduliert vorzugsweise die Amplitude. Dadurch sinkt der Verarbeitungsaufwand für den nachfolgenden Analog-Digital-Wandler und den Mikrocontroller erheblich, da nicht mit einem Vielfachen der Modulationsfrequenz, sondern lediglich mit einem Vielfachen der zu erwartenden Hüllkurven-Frequenz abgetastet werden muss.
Vorzugsweise werden dennoch so viele Abtastwerte wie möglich aufgenommen, da durch Mittelwertbildung ein nicht unerhebliches Ausleserauschen gemindert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionseinheit einen ersten Signalverarbeitungskanal und einen zweiten Signalverarbeitungskanal, wobei der erste Signalverarbeitungskanal einen Bandpassfilter und einen Hüllkurvendemodulator aufweist, wobei der zweite Signalverarbeitungskanal einen Hüllkurvendemodulator aufweist.
Das Ausgangssignal 49 des zweiten Verarbeitungskanals wird insbesondere herangezogen während die Laserdiode 6 abgeschaltet ist, also keine optische Strahlung 8 emittiert. Das Ausgangssignal 49 entspricht insbesondere nur noch einem DC-Anteil des Störspektrums. Durch Differenzbildung lässt sich der temperaturabhängig driftende Nullpunkt der Messung in einer dem Fachmann bekannten Weise eliminieren.
Vorzugsweise werden zusätzlich zu den Hell-Signalen bei verschiedenen Wellenlängen auch Dunkel-Signale, also ohne den Einsatz der Emissionseinheit erfasst. Durch Differenzbildung ist die Eliminierung des temperaturabhängig driftenden Nullpunkts der Messung möglich. Hell-Signale inkludieren dementsprechend das Nutzspektrum sowie das Störspektrum. Dunkel-Signale inkludieren lediglich das Störspektrum, also keine Nutzsignale.
Beispielsweise wird das Ausgangssignal des Transimpedanz-Verstärkers separat gleichgerichtet und mit einem Tiefpass demoduliert, um die Aussteuerreserve im Blendungsfall im Blick zu halten. Bei zu großer Wahl der Verstärkung der Eingangsstufe, kann Blendung durch Streulicht die Eingangsstufe aufgrund des notwendigen DC-Anteils übersteuern. Diese Fehlermöglichkeit sollte erkannt werden, weil dies zu eklatanten Fehlmessungen des Straßenzustandes führen kann. Der Eingangsverstärker ist richtig ausgelegt, wenn in über 99% der Fälle genügend Dynamikreserve für eine Auswertung bleibt.
Insbesondere sollte Licht der Laserdiode nicht direkt auf die Fotodiode fallen, auch nicht als Reflex. Dies stelle einen optischen Kurzschluss dar und störe das Messprinzip, da die Modulation die Auswertefrequenz trifft. Beispielsweise verhindern 3D gedruckte Linsenhalter aus schwarzem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) oder Polylactide (PLA) derartige optische Kurzschlüsse und die Lichtwege von Sender und Empfänger werden ohne störende Reflexionen bis zum Gehäuse-Fenster getrennt geführt.
Kunststoffe ohne schwärzendes Graphit sind vorzugsweise im Infraroten teildurchsichtig, auch wenn sie im sichtbaren Licht undurchlässig aussehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Steuervorrichtung einen Mikrocontroller. Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung ferner eine PWM-Einheit, wodurch die Modulationsfrequenz vorteilhaft von der PWM-Einheit ausgegeben werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ermöglicht ein Mikrocontroller mit integrierter PWM-Einheit eine Helligkeitssteuerung, indem von einer 50% Ein-Zeit, 50% Aus-Zeit abgewichen wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Emissionseinheit eine Dithering-Einheit, die einem definierten Intensitätsanteil einen statistischen Intensitätsanteil hinzufügt. Der Erwartungswert des statistischen Anteils beträgt Null. Die Emissionseinheit emittiert das optische Signal mit der in der Modulationseinheit bestimmten Intensität, aufweisend den definierten und statistischen Intensitätsanteil. Gemäß dieser Weiterbildung weist die Detektionseinheit oder die Steuervorrichtung ferner eine Dedithering-Einheit auf. Die Dedithering-Einheit mittelt die Intensität des digital vorliegenden Ausgangssignals, welches von dem erfassten optischen Signal abhängig ist, nach einer bestimmten Rechenvorschrift. Insbesondere mittelt die Dedithering-Einheit arithmetisch. Beispielsweise mittelt die Dedithering-Einheit gemoetrisch, harmonisch, oder quadratisch.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine Mittelwertbildung bei Fahrzeugstillstand bei Anwendung eines Dithering-Verfahrens. Die Schwellen des Analog-Digital-Wandlers liegen zu weit auseinander für die sinnvolle Durchführung einer Mittelwertbildung ohne Anwendung eines Dithering-Verfahrens. Die Rundungsfehler werden durch eine zweite digitale Modulation der Pulsweiten-Modulation (PWM) des Laserdiodenstroms erreicht. Beispielsweise wird eine Dreiecksmodulation über die Dauer von ca. 1024 Abtastwerten durchgeführt. Ein geringer Hub genügt. Ausreichend ist, dass Grenzen der Analog-Digital-Wandler-Kennlinie tatsächlich überschritten werden. Gemittelt über eine Periode wirkt die Dithering-Modulation nicht auf den Messwert an sich, sondern verbessert die Messung im Stillstand. Während der Fahrt übernimmt das Muster der Straße bereits die Funktion des Dithering. Deswegen muss man die Dreiecks-Modulation jedoch nicht abschalten, sie ist nicht nachteilig.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Signalverarbeitung nicht notwendigerweise analog durchgeführt werden muss, sondern ebenso digital in der Steuervorrichtung erfolgen kann. Unter Signalverarbeitung sei an dieser Stelle insbesondere ein Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Bandpassfilter oder ein Hüllkurvendemodulator verstanden.
Einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
In schematischer Darstellung von Ausführungsbeispielen zeigen:

1 Ausführungsbeispiel eines Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor,
2 Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor,
3 Trennung des Nutzfrequenzbereichs und Störfrequenzbereichs,
4 Signalspektrum eines durch eine Straße, die Reflexionsmuster aufweist, reflektierten unmodulierten Laserstrahl bei Fahrzeugbewegung,
5a Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit,
5b Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit mit Biasing-Beschaltung,
6a Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit mit Schirmungs-Beschaltung,
6b Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit mit Bootstrapping-Schaltung und Biasing-Beschaltung,
7 Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit mit Bootstrapping-Schaltung, Biasing-Beschaltung und Kaskode-Schaltung,
8a Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit mit frequenzselektiver Beschaltung,
8b Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Detektionsschaltung mit frequenzselektiver Beschaltung,
9 Funktionsprinzip des Dithering-Verfahrens,
10 Optik-Auslegung des Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor.

1 zeigt einen Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor 1 zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Funktionsweise. Der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 weist eine Datenschnittstelle 2 zum Datenaustausch mit beispielsweise weiteren Sensoren oder einem übergeordneten Datenverarbeitungssystem auf. Über eine Versorgungsschnittstelle 3 wird der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 durch beispielsweise ein Fahrzeugbordnetz mit Energie versorgt. Eine Laserdiode 6 emittiert ein optisches Signal 8 einer bestimmten Wellenlänge. Das emittierte optische Signal 8 trifft in einem bestimmten Winkel 11 auf einen Straßenabschnitt 7 und wird reflektiert. Die Intensität des reflektierten optischen Signals 9 ist abhängig von der Straßenbeschaffenheit an der das einfallende emittierte optische Signal 8 auf den Straßenabschnitt 7 trifft. Das reflektierte optische Signal 9 fällt in eine Fotodiode 5 des Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensors 1 ein. Anhand der Intensität des einfallenden, reflektierten optischen Signals 9 kann in einer Auswerteeinheit darauf geschlossen werden, welche Beschaffenheit der Straßenabschnitt aufweist. Der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor weist drei fokussierte Laserdioden 6 auf, die optische Signale 8 unterschiedlicher Infrarot-Wellenlängen emittieren. Die Auswertung der von dem Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor emittierten bzw. einfallenden optischen Signale kann von Streusignalen 10 gestört bzw. verfälscht werden. Streusignale 10 sind beispielsweise Sonnenlicht, von der Straße reflektiertes Sonnenlicht, oder von Straßenbeleuchtungsanlagen abgestrahlte Strahlen. Optional wird eine Störung des Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensors 1 durch Streusignale 10 durch einen optischen Blendschutz 12, oder auch Streulichtschutz-Rohr genannt, in Form eines geschwärzten Rohres realisiert, durch das der Sensor die Straße sieht. Es verhindert den zusätzlichen, seitlichen Einfall von Streulicht, also eine Blendung.
2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer optischen Sensors zur Beurteilung von Straßenzuständen. Der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 umfasst eine Laserdiode 6, die so ausgebildet ist, dass sie eine optische Strahlung 8 in Richtung des zu beurteilenden Straßenabschnitts 7 emittiert. Die emittierte Strahlung wird unter anderem in Abhängigkeit des Einfallswinkels und in Abhängigkeit des Straßenzustandes von der Straße 7 reflektiert. Der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 umfasst eine Fotodiode 5, die eine in die Fotodiode 7 einfallende optische Strahlung 9 eines bestimmten Wellenlängenbereichs in einer dem Fachmann bekannten Weise aufgrund eines inneren Fotoeffekts in einen elektrischen Strom 41 umwandelt bzw. variiert die Leitfähigkeit der Raumladungszone der Fotodiode 7 in Abhängigkeit der einfallenden optischen Strahlung. Die Laserdiode 6 und die Fotodiode 5 sind so zu zueinander ausgerichtet, dass zumindest ein Teil der von der Laserdiode 6 emittierten optischen Strahlung von dem zu beurteilenden Straßenabschnitt 7 reflektiert wird und in die Fotodiode 5 einfällt. Der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 umfasst außerdem einen Transimpedanz-Verstärker 43, welcher den von der Fotodiode 5 erzeugten Eingangsstrom 41 des Transimpedanz-Verstärkers 43 in eine dazu proportionale Ausgangsspannung umwandelt. Ferner umfasst der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor einen ersten Verarbeitungskanal ch1 und einen zweiten Verarbeitungskanal ch2. Die Ausgangsspannung des Transimpedanz-Verstärkers 43 wird den beiden Verarbeitungskanälen ch1, ch2 zugeführt. Der erste Verarbeitungskanal ch1 umfasst einen Bandpassfilter 45, welcher das Nutzspektrum 33b vom Störspektrum 31 trennt bzw. insbesondere nur Frequenzen in einem Bereich um die Trägerfrequenz 32b der von der Laserdiode 6 emittierten optischen Strahlung 8 passieren lässt. Der erste Verarbeitungskanal ch1 umfasst im Weiteren eine Hüllkurvendemodulationseinheit 46, welche beispielsgemäß eine Diode und einen Tiefpass aufweist. Die Diode richtet das eingehende Signal gleich. Der nachfolgende Tiefpass entfernt das hochfrequente Trägersignal. Als Ergebnis entsteht wieder das ursprüngliche Modulationssignal 50. Der zweite Verarbeitungskanal umfasst eine Hüllkurvendemodulationseinheit 44, beispielsgemäß aufweisend eine Diode und einen Tiefpass. Das Ausgangssignal 49 des zweiten Verarbeitungskanals wird insbesondere herangezogen während die Laserdiode 6 abgeschaltet ist, also keine optische Strahlung 8 emittiert. Das Ausgangssignal 49 entspricht insbesondere nur noch einem DC-Anteil des Störspektrums. Durch Differenzbildung lässt sich der temperaturabhängig driftende Nullpunkt der Messung in einer dem Fachmann bekannten Weise eliminieren. Ferner umfasst der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 einen Analog-Digital-Wandler 47, der die beiden analogen Ausgangssignale 49, 50 der beiden Verarbeitungskanäle in eine dem Fachmann bekannten Weise in digitale Signale wandelt. Der Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor 1 weist einen Mikrocontroller 51 auf, der die digitalen Eingangssignale in einer dem Fachmann bekannten Weise auswertet. Der Mikrocontroller 51 weist eine Datenschnittstelle 48 zur Kommunikation mit weiteren Sensoren oder einer übergeordneten Steuerungsvorrichtung auf. Ferner gibt der Mikrocontroller 51 ein Puls-Weiten-Moduliertes Spannungssignal aus, welches ein Spannungs-zu-Strom-Wandler 52 in ein Stromsignal 42 wandelt. In Abhängigkeit des Stromsignals 42 emittiert die Laserdiode 6 die optische Strahlung.
3 zeigt eine Trennung eines Nutzfrequenzbereichs 33b von einem Störfrequenzbereich 31. Auf der Ordinatenachse ist eine normierte Amplitude logarithmisch dargestellt. Die Abszissenachse stellt eine normierte Frequenz dar. Für das von der Sonne abgestrahlte Sonnenlicht kann angenommen werden, dass dieses nur einen Gleichanteil aufweist. Mit der vorliegenden Erfindung wird erkannt, dass aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit der Straße und der Fortbewegung des Fahrzeugs Modulationen des Sonnenlichts von bis zu mehreren 100 Hz auftreten. Die Frequenz ist abhängig von der Größe des Messflecks auf der Straße, den Strukturen auf der Straße sowie der Fahrgeschwindigkeit. Ferner weisen an Wechselstrom angeschlossene Straßenbeleuchtungseinrichtungen Eigenfrequenzen von 50Hz - 120 Hz auf, die erheblich stören, wenn das Licht dieser Straßenbeleuchtungseinrichtungen auf den Messfleck fällt und von diesem in Richtung des Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor reflektiert werden. Somit entsteht beispielsweise aufgrund des Sonnenlichts und beispielsweise aufgrund von Straßenbeleuchtungsanlagen ein Störspektrum 31 mit einem Gleichanteil, welches Frequenzen in einem Frequenzband von bis zu mehreren 100 Hz aufweist.
Der erfindungsgemäße Laser-reflexoptische Straßenzustands-Sensor weist eine Trägerfrequenz 32b auf, welche ausreichend hoch ist. Insbesondere weist die Trägerfrequenz 32b eine Frequenz von mehreren 1000 Hz auf. Vorzugsweise weist die Trägerfrequenz 32b eine Frequenz von im Wesentlichen 16000 Hz auf. Das modulierte Nutzsignal 33b weist im Wesentlichen keine Überlappung mit dem Störspektrum 31 auf. Unter dem Begriff im Wesentlichen ist zu verstehen, dass ein zeitlich begrenztes Signal aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten ein unendliches Frequenzspektrum aufweist. Daher ist die Amplitude von überlappenden Frequenzen des Störspektrums 31 im Verhältnis zur Amplitude des Nutzspektrums 33b bei dem erfindungsgemäßen Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor vernachlässigbar klein. Ein Bandpassfilter 36b ist in der Lage das Nutzspektrum 33b vom Störspektrum 31 zu trennen.
4 zeigt auf der linken Seite einen Straßenausschnitt 20, aufweisend ein Reflexionsmuster, welches sich anhand der Strukturen der Straße ergibt, da Straßen beispielsweise keine glatte Oberfläche aufweisen. Das von einem Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor emittierte optische Signal fällt auf einen Messbereich 21 ein, der das optische Signal reflektiert. Der Messbereich 21, auf den das emittierte optische Signal einfällt, bewegt sich entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit 22. Das einfallende emittierte optische Signal ist hier ein zeitlich nicht modulierter Laserstrahl. Auf der rechten Seite ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Frequenzspektrums, wobei auf der Ordinatenachse eine normierte Amplitude des reflektierten Signals im logarithmischen Maßstab und auf der Abszissenachse ist eine normierte Frequenz dargestellt. Aufgrund der Fahrzeugbewegung und der Strukturen sowie der Größe des Messbereichs 21 findet bei der Reflexion des zeitlich nichtmodulierten Laserstrahls eine zeitliche Modulation statt. Dabei treten zeitliche Modulationen bis zu mehreren 100 Hz auf, weshalb das dargestellte Frequenzspektrum des reflektierten Laserstrahls 23 zeitlich moduliert ist.
5 zeigt eine elektrische Schaltung die eine Fotodiode 5 sowie einen Transimpedanz-Wandler 43 umfasst. Die Fotodiode 5 wandelt die einfallende optische Strahlung in einen dazu proportionalen Stromfluss I um. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 55 liegt auf Masse, in den invertierenden Eingang wird das Stromsignal I geschickt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 55 ist mit einem RC-Glied R||C mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55 rückgekoppelt. Der Operationsverstärker 55 sorgt mit seiner hohen Verstärkung und der Gegenkopplung durch das RC-Glied dafür, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Operationsverstärkereingängen nur Bruchteile eines Millivolts beträgt. Dadurch wird der Knoten zwischen der Fotodiode 5, dem RC-Glied und dem invertierenden Operationsverstärkereingang eine sogenannte virtuelle Masse, die für Ströme wie ein Kurzschluss nach Masse wirkt. Durch den Stromfluss I durch das RC-Glied resultiert in einer dem Fachmann bekannten Weise eine Ausgangsspannung U_a am Ausgang des Transimpedanz-Wandlers 43. Der sogenannte Miller-Effekt bewirkt, dass sich die zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Transimpedanz-Wandlers befindende Kapazität auf den Eingang des Transimpedanz-Verstärkers auswirkt. Hierdurch entsteht eine sogenannte Miller-Kapazität C_M , aufgrund derer eine Transitfrequenz gegeben ist. Die Transitfrequenz bezeichnet diejenige Frequenz eines verstärkenden Systems, bei der keine Verstärkung mehr stattfindet, das heißt 0db beträgt, und bildet damit die theoretische Obergrenze für einen sinnvollen Einsatz. Typische Transitfrequenzen für einige Quadratmillimeter durchmessende Fotodioden liegen aufgrund der Miller-Kapazität C_M bei etwa 300 Hz bei einer Verstärkung von eins. Um ein Laser-reflexoptischen Straßenzustands-Sensor sinnvoll auszulegen, sollte die Modulationsfrequenz, mit der die Laserdiode das optische Signal moduliert, eine Größenordnung unter dieser Transitfrequenz bleiben.
5b zeigt das Anlegen einer negativen Vorspannung (V_Bias ) über den Widerstand R_B in Sperrrichtung an die Fotodiode, was die Raumladungszone der Fotodiode 5 weitet. Dadurch wird die Kapazität verringert, was zu einer erhöhten Transitfrequenz führt. Dieser Vorgang ist unter dem Begriff Biasing bzw. Biasing-Beschaltung bekannt. Allerdings werden durch das Biasing zusätzliche Ladungsträger injiziert, die ungewünschtes Zusatzrauschen erzeugen, was kontraproduktiv ist. Die Kathode der Fotodiode 5 wird für Wechselstrom über den Koppelkondensator C_k mit einer Masse kurzgeschlossen.
6a zeigt eine elektrische Schaltung, die eine Fotodiode 5, einen Operationsverstärker 55, ein RC-Glied R||C sowie eine wirkende Kapazität Ceff umfasst. Die Fotodiode 5 wird von einem Gehäuse umhaust, welches einen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung aufweist. Der Anschluss zur elektrischen Kontaktierung ist elektrisch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 55 bzw. des Transimpedanz-Wandlers 43 verbunden. Demnach weist das Gehäuse der Fotodiode 5 im Wesentlichen dasselbe Spannungspotential wie die Ausgangsspannung U_a des Operationsverstärkers 55 auf. Ferner wird beispielsweise die Zuleitung, welche den Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Fotodioden-Gehäuses mit dem Ausgang des Transimpedanz-Wandlers elektrisch verbindet, geschirmt. Die Schirmung schützt die Zuleitung vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern. Des Weiteren werden beispielsweise die Zuleitungen von der Kathode bzw. Anode der Fotodiode 5 zu dem invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55 geschirmt. Die Schirmung schützt die Zuleitung vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern. Durch die beschriebenen Maßnahmen werden sowohl die Zuleitungskapazitäten wie auch die Sperrschichtkapazität verringert. Dieses Prinzip wird Active Shielding bzw. Aktive Schirmung genannt, was insbesondere eine einfache Form des Bootstrapping darstellt.
6b zeigt eine elektronische Schaltung, aufweisend eine Kombination der beiden Prinzipien Bootstrapping und Biasing. Die negative Spannungsquelle VBIAS ist an den Widerstand R₁ angeschlossen, dessen anderes Ende an einem ersten Knoten 60 angeschlossen ist. An dem ersten Knoten 60 ist die Fotodiode 5 parallel zu einem Kondensator C₁ geschaltet, wobei die Anode der Fotodiode an den ersten Knoten 60 angeschlossen ist. Die Kathode der Fotodiode ist an einen zweiten Knoten 61 angeschlossen, an welchem ferner ein Gate eines Feldeffekttransistors, der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 55 sowie die RC-Schaltung R||C angeschlossen sind. Ein Source des Feldeffekttransistors ist an einem dritten Knoten 62 angeschlossen, an welchem der Kondensator C₁ und ein Widerstand R₂ angeschlossen sind, wobei der andere Anschluss des Widerstands R₂ auf einem definierten Spannungspotential von -5V liegt. Der Drain des Feldeffekttransistors liegt auf einem definierten Spannungspotential von +5 Volt.
Bootstrapping und Active Shielding reduzieren beide die effektive Eingangskapazität des Verstärkers.
7 zeigt eine elektronische Schaltung aufweisend eine Kombination der drei Beschaltungsarten Biasing, Bootstrapping und Kaskode. Die negative Vorspannung -V_BIAS ist an den Widerstand R_BIAS angeschlossen, dessen anderes Ende an einem ersten Knoten 60 angeschlossen ist. An dem ersten Knoten 60 ist die Fotodiode 5 parallel zu einem Kondensator C₁ geschaltet, wobei die Anode der Fotodiode an den ersten Knoten 60 angeschlossen ist. Die Kathode der Fotodiode ist an einen zweiten Knoten 61 angeschlossen, an welchem ferner ein Gate eines Feldeffekttransistors Q₂ , der Widerstand R_E sowie der Emitter E eines Bipolartransistors Q₁ angeschlossen sind. Ein Source des Feldeffekttransistors Q₂ ist an einem dritten Knoten 62 angeschlossen, an welchem der Kondensator C₁ und ein Widerstand R₂ angeschlossen sind, wobei der andere Anschluss des Widerstands R₂ auf einem definierten Spannungspotential -V_SS liegt. Der Drain des Feldeffekttransistors Q₂ liegt auf einem definierten Spannungspotential +V_C . Das Ausgangssignal der vorgespannten Fotodiode 5 stützt sich wechselspannungsmäßig über den Kondensator C₁ am Drain des Feldeffekttransistors Q₂ ab. Dadurch bildet sich der Fotostrom als Strom durch den Widerstand R_E ab, weil die Fotodiode zugleich mit dem Gate des Feldeffekttransistors Q₂ verbunden ist. Der andere Anschluss des Widerstands R_E liegt auf dem Spannungspotential -V_SS . Die Kaskoden-Schaltung weist als Eingangstransistor den Bipolartransistor Q₁ auf, welcher in einer Emitterschaltung arbeitet. Ferner weist die Kaskoden-Schaltung als Ausgangstransistor einen Bipolartransistor Q₃ auf, welcher in einer Basisschaltung arbeitet. Der Transistor Q₃ hat am Emitteranschluss einen niedrigen Eingangswiderstand, wodurch eine geringe negative Spannungsverstärkung des Transistors Q₂ resultiert und der Miller-Effekt stark reduziert wird. Dabei wird die Rückwirkung des Ausgangs auf den Eingang besonders im Hochfrequenz-Bereich stark verringert. Der Stromtreiber, auch bekannt als Kaskoden-Basisgrundschaltung von Q1 setzt den Strom fast 1:1 auf die Kollektorseite um, wobei sich die Eingangskapazität effektiv auf C_BC verringert. Der Stromspiegel des Bipolartransistors Q₃ dient als Widerstandsersatz, rauscht jedoch weniger. Im Nachgang folgt der normale Transimpedanz-Verstärker.
8a zeigt eine frequenzselektive Beschaltung eines Transimpedanz-Verstärkers, wobei an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55, das von der Fotodiode 5 stammende Stromsignal I_PD anliegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 55 liegt an einem ersten Knoten 80 an, welcher über einen Kondensator C_K mit Masse gekoppelt ist sowie über eine Impedanz Re {Z_th } an Masse angeschlossen ist. Ferner ist der erste Knoten 80 an die Kathode der Fotodiode 5 elektrisch angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 55 ist über eine komplexe T-Schaltung von Impedanzen Z₁ , Z₂ , Z₃ mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55 rückgekoppelt.
8b zeigt eine Ersatzschaltung nach dem Thevenin-Theorem, nach welchem jede mögliche Kombination von Spannungsquellen, Stromquellen und Widerständen bezüglicher zweier Klemmen elektrisch äquivalent zu einer Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand ist. Durch eine Dimensionierung der T-Schaltung in einer dem Fachmann bekannten Weise ist ein Bandpassfilter um die Modulationsfrequenz einstellbar. Das Bandpassfilter verringert die Auswirkungen des Zusatzrauschens. Gleichzeitig muss auch in der Gegenkopplung ein gewisser DC-Anteil parallel zum Bandpass durchgreifen, weil der Verstärker sonst schwingt. Der Verstärker kann wie ein unterkritisch betriebener Schwingkreis aufgefasst werden.
9 veranschaulicht die Methode Dithering. Zu dem eigentlich von der Laserdiode zu emittierenden optischen Signal mit der Intensität 90, wird eine Zufallsgröße addiert. Insbesondere beträgt der Erwartungswert der addierten Zufallsgröße Null. Vorzugsweise wird dem Eingangssignal der Laserdiode weißes Rauschen addiert. Dadurch resultiert, dass die Intensität des zu emittierenden optischen Signals statistisch verteilt 91 ist. Die Addition der Zufallsgröße erfolgt insbesondere in einem Digital-Analog-Wandler nach dem Mikrokontroller, während der Puls-Weiten-Modulation, im Spannung-zu-Strom-Wandler oder in der Laserdiode selbst. Beispielgemäß wird zu der eigentlichen Intensität 90 ein Dreieckssignal addiert. Die Laserdiode emittiert optische Strahlung gemäß der ermittelten statistischen Verteilung 91. Die Fotodiode empfängt die reflektierte optische Strahlung und führt das Empfangssignal einem Analog-Digital-Wandler zu. Die Kennlinie 92 stellt eine ideale Konvertierung einer Analog-zu-Digital-Kurve dar. In der Realität entstehen während der Wandlung Quantisierungsfehler. Eine solche diskrete Analog-zu-Digital-Kurve zeigt die Kennlinie 93. Das empfangene digitalisierte Signal 94 ohne Dithering, sprich ohne statistischen Anteil, enthält einen Quantisierungsfehler aufgrund der AD-Wandlung. Es wird stets eine optische Strahlung mit exakt derselben Intensität abgestrahlt. Daher wandelt der Analog-Digital-Wandler das Empfangssignal stets zu demselben Digitalwert 94. Durch die Addition einer Zufallsvariable empfängt die Fotodiode optische Strahlung unterschiedlicher Intensität. Daher wandelt der Analog-Digital-Wandler die Empfangssignale in unterschiedliche Digitalwerte 95. Durch Mittelwertbildung der erhaltenen digitalen Signale 96 wird der Quantisierungsfehler reduziert.
10 zeigt eine Optik-Auslegung. Der Laser soll im Messfleck Gegenstandsweite G einen Teilbereich beleuchten. Dabei soll der Laserpunkt mit Sicherheit das Target komplett treffen. Je nach Auslegung der Linse und des Sensordurchmessers Bildgröße B und den Daten der Linse mit Durchmesser d und Brennweite f folgt in einer dem Fachmann bekannten Weise in fünf Rechenschritten ein Winkel alpha, mit dessen Genauigkeit nicht nur ein Laser, sondern alle verwendeten Laser zugleich ausgerichtet sein müssen, damit der Sensor sicher funktionieren kann. Wählt man den Empfangsdioden-Durchmesser sehr klein, dann wird die Ausrichtung des Lasers schwieriger, da alpha kleiner wird. Eine von der Fläche her kleinere Fotodiode hätte eine geringere Kapazität, könnte also bei höheren Modulationsfrequenzen betrieben werden, jedoch muss die Diode rein geometrisch eine Mindestgröße besitzen, damit der Sensor über Abstandsbereich und Einbautoleranz hinweg ohne Justage funktionieren kann. Zugleich gibt es eine praktische Beschränkung, dass das Öffnungsverhältnis=Durchmesser zu Brennweite der Linse nicht größer als etwa d/f=1 werden kann. Dies wäre bereits eine extrem lichtstarke Optik, was jedoch akzeptabel ist, da für nur einen Bildpunkt keine große Abbildungsqualität benötigt wird. Die Linse darf jedoch an ihren Grenzflächen nicht den Grenzwinkel der Totalreflexion übersteigen, sie muss also zumindest prinzipiell funktionieren.
Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.

Claims

Optischer Sensor zum Beurteilen von Oberflächen, aufweisend: - wenigstens eine Emissionseinheit (6) zum Aussenden eines modulierten optischen Signals (8) auf eine zu beurteilenden Oberfläche (7); - wenigstens eine Detektionseinheit (5, 43, 45, 46, 44) zum Erfassen eines an der Oberfläche (7) reflektierten optischen Signals des modulierten Signals (8) und Bereitstellen eines von dem reflektierten optischen Signal abhängigen elektrischen Ausgangssignals (49, 50); und - eine Steuervorrichtung (51) zum Auswerten des Ausgangssignals (49,50) der wenigstens einen Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) und Ermitteln eines Zustands der zu beurteilenden Oberfläche (7), dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum (33b) des von der wenigstens einen Emissionseinheit aussendbaren modulierten optischen Signals (8) gegenüber einem Frequenzspektrum eines Störspektrums (31) im Wesentlichen abgegrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) eine Miller-Kapazität (C_M) aufweist, wobei eine elektrische Beschaltung der Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) die Miller-Kapazität (C_M) reduziert.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) ein Bandpassfilter (45, 36b) umfasst, welches Gleichanteile und Rauschen, dessen Frequenzen außerhalb des Frequenzspektrums (33b) des von der wenigstens einen Emissionseinheit ausgesendeten modulierten optischen Signals liegen, ausfiltert.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) einen Hüllkurvendemodulator (46, 44) aufweist, der insbesondere einen Gleichrichter umfasst, vorzugsweise einen Gleichrichter und einen Tiefpass umfasst.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit einen ersten Signalverarbeitungskanal (ch1) und einen zweiten Signalverarbeitungskanal (ch2) umfasst, wobei der erste Signalverarbeitungskanal (ch1) einen Bandpassfilter (45) und einen Hüllkurvendemodulator (46) aufweist, wobei der zweite Signalverarbeitungskanal einen Hüllkurvendemodulator (44) aufweist.
Vorrichtung wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum (33b) des von der wenigstens einen Emissionseinheit (6) ausgesendeten modulierten optischen Signals (8) im Wesentlichen in einem höheren Frequenzbereich als das Frequenzspektrum des Störspektrums (31) liegt und die wenigstens eine Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) so ausgebildet ist, dass diese das höhere Frequenzspektrum (33b) erfassen und ein davon abhängiges Ausgangssignal (49, 50) bereitstellen kann.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Emissionseinheit (6) das modulierte optische Signal (8) mit einer Trägerfrequenz (32b) aussenden kann, die höher ist als die höchste im Frequenzspektrum des Störspektrums (31) vorkommende Frequenz.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beurteilende Oberfläche (7) eine Straße ist, wobei der zu ermittelnde Zustand beispielsweise trocken, nass, schneebedeckt oder vereist sein kann.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) eine Fotodiode (5) umfasst, wobei die elektrische Beschaltung eine negative Vorspannung (V_Bias) umfasst, die in Sperrrichtung an der Fotodiode (5) anliegt, wobei die negative Vorspannung (V_Bias) eine Raumladungszone der Fotodiode (5) weitet.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) eine Fotodiode (5) und einen Verstärker (55) umfasst, wobei die Fotodiode (5) zwei Anschlüsse aufweist und durch ein Gehäuse zumindest teilweise umhaust ist und der Verstärker (55) zwei Eingänge sowie einen Ausgang umfasst, wobei die elektrische Beschaltung eine leitfähige Kontaktierung des Ausgangs des Verstärkers (55) mit dem Gehäuse der Fotodiode (5) umfasst und/oder eine Schirmung, insbesondere eine aktive Schirmung, der Zuleitung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode (5) und den Eingängen des Verstärkers (55) und/oder der elektrischen Kontaktierung des Ausgangs des Verstärkers (55) mit dem Gehäuse der Fotodiode (5) umfasst.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) eine Fotodiode (5) und einen Verstärker (55) umfasst, wobei die elektrische Beschaltung einen Transistor (Q₂) umfasst, dessen Ausgang über einen Koppelkondensator (C₁) mit der Fotodiode (5) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Beschaltung eine Kaskode-Schaltung aufweist, die aus einem ersten Transistor (Q₁) in Source-Schaltung bzw. Emitter-Schaltung und einem zweiten Transistor (Q₃) in Gate-Schaltung bzw. Basisschaltung aufgebaut ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) einen Verstärker (55) umfasst, wobei ein komplexer Spannungsteiler (Z₁, Z₂, Z₃) in der Gegenkopplung des Verstärkers (55) den Verstärker (55) frequenzselektiv beschaltet.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Emissionseinheit (5) oder die Steuervorrichtung (51) eine Dithering-Einheit umfasst, die ausgebildet ist, einem definierten Intensitätsanteil (90) einen statistischen Intensitätsanteil hinzuzufügen, wobei der Erwartungswert des statistischen Anteils Null beträgt, und die Emissionseinheit (5) ausgebildet ist, das optische Signal mit der in der Modulationseinheit bestimmten Intensität (91), aufweisend den definierten und statistischen Intensitätsanteil, zu emittieren; und - die Detektionseinheit (5, 43, 45, 46) oder die Steuervorrichtung (51) eine Dedithering-Einheit aufweist, wobei die Dedithering-Einheit ausgebildet ist, um die Intensität des digital vorliegenden Ausgangssignal (95), welches von dem erfassten optischen Signal abhängig ist, nach einer bestimmten Rechenvorschrift zu mitteln (96), insbesondere arithmetisch zu mitteln.