DE102018010211A1

DE102018010211A1 - Objektdetektionsvorrichtung und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102018010211A1
Application number: DE102018010211.5A
Authority: DE
Inventors: Zhihui Duan
Original assignee: Dolphin Co Ltd
Current assignee: Dolphin Co Ltd
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-01-09
Also published as: JP2020008334A; DE102018133249A1; CN110673161B; CN109991619A; JP6519033B1; US20200011974A1; US10620314B2; US10324184B1; US20200200902A1; CN110673161A; US11275157B2

Abstract

Es wird eine Objektdetektionsvorrichtung (10) bereitgestellt mit: einer Laserdiode (21), die einen Laserstrahl (L1, L2) projiziert; einer Torsionsfeder (302), die mit einem Trägerelement (314) gekoppelt ist; einem Spiegel (301), der an eine erste Seite der Torsionsfeder (302) gekoppelt ist und den Laserstrahl (L2) reflektiert; einem Permanentmagneten (321), der an eine zweite Seite der Torsionsfeder (302) über eine Drehachse (304) der Torsionsfeder (302) gekoppelt ist; einer Antriebsspule (316); und einer Magnetsubstanzanordnung (312, 314), die die Antriebsspule (316) umgibt. Der Spiegel (301) bewegt sich entsprechend einem Ansteuerungssignal (353), das an die Antriebsspule (316) angelegt wird, hin und her. Der Objektdetektionsapparat (10) ist ferner mit einer Geschwindigkeitsdetektionsschaltung (351, 354 bis 357), die dazu konfiguriert ist, eine Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels (301) zu detektieren; und einer Pulssteuerung (351, 358), die dazu konfiguriert ist, ein Pulsintervall des Laserstrahls (L1, L2), der durch die Laserdiode (21) projiziert wird, auf Basis der Bewegungsgeschwindigkeit zu steuern, die durch die Geschwindigkeitsdetektionsschaltung (351, 354 bis 357) detektiert wird, bereitgestellt.

Description

{Technisches Gebiet}
Die Erfindung betrifft eine Objektdetektionsvorrichtung, die einen Laserstrahl nutzt und ein Objekt entlang eines Strahlengangs des Laserstrahls detektiert, und ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Objektdetektionsvorrichtung.
{Hintergrund}
Es ist eine Objektdetektionsvorrichtung bekannt, die einen Puls eines Laserstrahls nach außen projiziert und dann den zurückkehrenden Laserstrahl detektiert, der durch ein Objekt reflektiert wird, wodurch die Distanz und das Objekt detektiert werden, das sich entlang des Strahlengangs des Laserstrahls befindet. Ein solcher Objektdetektionsapparat wird als LiDAR (Light Detection and Ranging) bezeichnet.
Seit kurzem wird begonnen, LiDAR in einem Gebiet zu verwenden, das als autonomes Fahren bezeichnet wird. Häufig gleicht es Nachteile aus, wie zum Beispiel einen Kamerasensor, der für eine Außenbeleuchtungsumgebung empfindlich ist, und einen Milliwellen Radar, der eine geringe Auflösung hat. Ein solcher LiDAR ist manchmal mit einem Kamerasensor oder einem Milliwellenradar kombiniert, um ein relativ kleines Hindernis in einer Fahrumgebung exakt zu detektieren.
Ein Beispiel einer LiDAR-Struktur, die beim autonomen Fahren verwendet wird, ist in der Patentliteratur 1 (PTL1) offenbart. Im LiDAR, das in PTL1 offenbart ist, bilden ein Nah-Infrarotlaser als die Lichtquelle und ein Lichtdetektionselement als der Empfänger ein Paar, das sich auf einer Leiterplatte befindet, um die Messrichtung abzustimmen. Zum Erhalten von Distanzinformationen hoher Auflösung im Sichtfeld, werden zweiunddreißig oder vierundsechzig Paare verwendet. Daher sind die Kosten des Apparats sehr hoch.
Ein weiteres Beispiel von LiDAR ist in Nicht-Patentliteratur 1 (NPL1) offenbart. LiDAR, das in NPL1 offenbart ist, hat einen drehenden Polygonspiegel mit drei Oberflächen, wobei jede Oberfläche einen anderen Neigungswinkel hat. Der Polygonspiegel lenkt einen Laserstrahl ab und projiziert dann den Laserstrahl innerhalb eines vertikalen Gesamtwinkels mit 4,5 Grad. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird wieder zu derselben Oberfläche des Polygonspiegels zurückgeleitet und beim Lichtdetektionselement zur Objektdetektion gesammelt.
Der Vorteil des in NPL1 offenbarten LiDAR ist, dass das reflektierte Licht aus verschiedenen vertikalen Positionen durch nur ein einziges Lichtdetektionselement detektiert werden kann. Da jedoch die reflektierende Oberfläche des Polygonspiegels die verschiedenen geneigten Winkel hat, wird der Entwurf des Schwerpunkts des drehenden Polygonspiegels ziemlich schwierig und bring ein zusätzliches Problem erhöhter Kosten mit sich. Wenn der Polygonspiegel über lange Zeit bei hoher Drehzahl läuft, bringen die Wärmeerzeugung und Reibung des Lagers Wartungsprobleme bei langfristiger Nutzung mit sich.
LiDAR, das den drehenden Spiegel verwendet, ist auch in Nicht-Patentliteratur 2 (NPL2) offenbart, aber in NPL2 findet sich keine ausführliche Beschreibung der Konfiguration.
{Liste der Zitate }
{Patentliteratur}
{PTL1} US Patent Nr. 8,767,190
{Nicht-Patentliteratur}

{NPL1} Cristiano Niclass, et al., „A 100-m Range 10-Frame/s 340 × 96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18-µm CMOS", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Institute of Electrical and Electronics Engineers, FEBRUAR 2013, Band 48, Nr. 2, S. 559-572
{NPL2} Shimizu, Naoshige „Redundant system and LiDAR to realize level 3, Audi becomes pioneer of autonomous driving" Nikkei Automotive, Nikkei Business Publications, September, 2017, S. 22-23

{Kurzdarstellung}
Unter Berücksichtigung der obigen Umstände, ist es ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Abtastfunktion durch periodisches Wechseln der der Projektionsrichtung des Laserstrahls in einer kompakten und haltbaren Konfiguration zu realisieren.
Zum Erreichen des obengenannten Zwecks wird ein Objektdetektionsapparat gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt mit einer optischen Baugruppe, die konfiguriert ist, einen Laserstrahl nach außen zu projizieren, einem Lichtempfangselement, wobei die optische Baugruppe ferner konfiguriert ist, einfallendes Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, und einer Objektdetektionsbaugruppe, die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt, das entlang des Strahlengangs des projizierten Laserstrahls liegt, auf Basis eines Projektionszeitpunkts des Laserstrahls und eines Zeitpunkts eines Lichtdetektionssignals, das vom Lichtempfangselement ausgegeben wird, zu detektieren, wobei die optische Baugruppe eine Sammellinse, die konfiguriert ist, ein Bild des einfallenden Lichts auf einer Brennebene zu bilden, und eine Apertur, die auf der Brennebene der Sammellinse liegt, umfasst.
Die optische Baugruppe ist vorzugsweise mit einer Laserlichtquelle bereitgestellt, umfassend mehrere darauf angeordnete Lichtausstrahlungspunkte, und einer Linsenbaugruppe, die konfiguriert ist das durch die mehreren Lichtausstrahlungspunkte ausgestrahlte Laserlicht zu einem Laserstrahl mit einem Divergenzwinkel in einer Anordnungsrichtung der mehreren Lichtausstrahlungspunkte umzuwandeln. Das Lichtempfangselement ist vorzugsweise ein Silizium-Photovervielfacher (Phtomultiplier SiPM). Die optische Baugruppe projiziert vorzugsweise den Laserstrahl entlang einer optischen Achse nach außen und leitet ein einfallendes Licht entlang derselben optischen Achse zum Lichtempfangselement.
Es ist auch bevorzugt, dass der Objektdetektionsapparat ferner eine Abtastbaugruppe enthält, die konfiguriert ist, periodisch eine Projektionsrichtung des Laserstrahls zu ändern, und die Objektdetektionsbaugruppe konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt, das entlang eines Strahlengangs des projizierten Laserstrahls liegt, und eine Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis der Projektionszeit und der Projektionsrichtung des Laserstrahls und dem Zeitpunkt der Ausgabe des Lichtdetektionssignals vom Lichtempfangselement zu detektieren.
Die optische Baugruppe enthält vorzugsweise ein optisches Element, das konfiguriert ist, das einfallende Licht aus einem Strahlengang des zu projizierenden Laserstrahls zu trennen, und eine Sammellinse, die konfiguriert ist, ein Bild des einfallenden Lichts, das durch das optische Element getrennt ist, auf einer Brennebene zu bilden, und eine Apertur, die auf der Brennebene der Sammellinse liegt, wobei α ≤ β erfüllt ist, wobei α der Divergenzwinkel ist, und D eine Größe eines Lichtdurchgangsbereichs der Apertur entsprechend dem Divergenzwinkel entlang der Anordnungsrichtung ist, und d eine Distanz zwischen der Sammellinse und der Apertur ist, und β = arctan (D/d).
Ferner stellt die Erfindung eine andere Ausführungsform bereit, in der 1 ≤ β/α ≤ 3 erfüllt ist.
Die Erfindung stellt auch eine Ausführungsform bereit, dass das einfallende Licht, das durch die Sammellinse geht, auf eine gesamte Lichtempfangsfläche des Silizium-Photovervielfachers fällt.
Zusätzlich stellt die Erfindung eine Ausführungsform bereit, dass der Objektdetektionsapparat ferner einen Lichtzerstreuer zwischen der Apertur und dem Lichtempfangselement enthält.
Ferner stellt die Erfindung eine Ausführungsform einer Objektdetektionsvorrichtung bereit, um eine Abtastfunktion durch periodisches Ändern der Projektionsrichtung eines Laserstrahls in einer kompakten und äußerst dauerhaften Konfiguration zu erzielen.
Diese Objektdetektionsvorrichtung ist mit einer Konfiguration offenbart, die eine optische Baugruppe aufweist, die konfiguriert ist, einen Laserstrahl nach außen zu projizieren, eine Abtastbaugruppe, die konfiguriert ist, periodisch die Projektionsrichtung des Laserstrahls abzulenken, ein Lichtempfangselement, wobei die optische Baugruppe ferner konfiguriert ist, ein einfallendes Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, und eine Objektdetektionsbaugruppe, die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt, das entlang des Strahlengangs des projizierten Laserstrahls liegt, und eine Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis einer Projektionszeit und der Projektionsrichtung des Laserstrahls und einer Zeit einer Ausgabe eines Lichtdetektionssignals vom Lichtempfangselement zu detektieren. Die Abtastbaugruppe darin weist ferner eine Torsionsfeder auf, die mit einem Trägerelement gekoppelt ist, einen Spiegel, der mit einer ersten Seite der Torsionsfeder gekoppelt und konfiguriert ist, den Laserstrahl zu reflektieren, einen Permanentmagneten, der an eine zweite Seite der Torsionsfeder gekoppelt ist, wo der Permanentmagnet mit seinem N-Pol und S-Pol über eine Drehachse der Torsionsfeder hinweg angeordnet ist, eine Antriebsspule, die zum Permanentmagnet weist und auf der ersten Seite der Torsionsfeder über den Permanentmagneten hinaus liegt, eine Magnetsubstanzbaugruppe, die die Antriebsspule umgibt, eine Ansteuerungsschaltung, die konfiguriert ist, ein Ansteuerungssignal anzulegen, das periodisch Spannung oder Strom zur Antriebsspule variiert, eine Geschwindigkeitsdetektionsschaltung, die konfiguriert ist, eine Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels zu detektieren, und eine Pulssteuerung, die konfiguriert ist, ein Pulsintervall des Laserstrahls, der durch die optische Baugruppe detektiert wird, auf Basis der Bewegungsgeschwindigkeit zu steuern, die durch die Geschwindigkeitsdetektionsschaltung detektiert wird, wobei sich der Spiegel entsprechend dem Ansteuerungssignal, das durch die Ansteuerungsschaltung angelegt wird, hin- und herbewegt.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Objektdetektionsvorrichtung ist bevorzugt, dass die Abtastbaugruppe ferner eine Erfassungsspule mit einem gemeinsamen Kernelement der Antriebsspule umfasst, die Geschwindigkeitsdetektionsschaltung konfiguriert ist, die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels auf Basis einer Spannung oder eines Stroms zu detektieren, der in der Erfassungsspule erzeugt wird, und die Pulssteuerung konfiguriert ist, das Pulsintervall des Laserstrahls, der durch die optische Baugruppe projiziert wird auf Basis des Spannungspegels oder des Strompegels zu steuern, der durch die Geschwindigkeitsdetektionsschaltung detektiert wird.
Ferner ist bevorzugt, dass die Pulssteuerung konfiguriert ist, ein kürzeres Pulsintervall zu verwenden, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem ersten Pegel ist, was anzeigt, dass sich der Spiegel nahe einem Mittelpunktabschnitt entlang eines Pfades der Hin- und Herbewegung befindet, und konfiguriert ist, ein längeres Pulsintervall zu verwenden, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem zweiten Pegel ist, was anzeigt, dass sich der Spiegel nahe einem Endabschnitt des Pfades der Hin- und Herbewegung befindet.
Alternativ ist auch bevorzugt, dass Endabschnitte der Magnetsubstanzbaugruppe zum N-Pol bzw. zum S-Pol des Permanentmagnets zeigen und sich an einer Position befinden, die weiter als eine Mittellinie des Permanentmagneten entlang des N-Pols und des S-Pols liegt.
Ferner ist bevorzugt, dass die Magnetsubstanzbaugruppe ferner Hebeabschnitte umfasst, die entlang einer verlängerten Richtung zu einem beweglichen Element hin liegen, wobei das bewegliche Element die Torsionsfeder, den Spiegel und den Permanentmagneten umfasst, und Endabschnitte der Hebeabschnitte, die zum N-Pol bzw. zum S-Pol des Permanentmagneten zeigen, an Positionen liegen, die weiter als die Mittellinie des Permanentmagneten entlang des N-Pols und des S-Pols liegen.
Alternativ ist auch bevorzugt, dass die Torsionsfeder eine gefaltete Form mit einer geraden gefalteten Spitze hat und der Permanentmagnet mit einer gegenüberliegenden Seite der gefalteten Spitze gekoppelt ist, mit seinem N-Pol und S-Pol über die gefaltete Spitze hinweg.
Ferner ist bevorzugt, dass die gefaltete Spitze einen V-förmigen Querschnitt aufweist.
Ferner ist bevorzugt, dass ein Ende einer Achse der Antriebsspule zu einem Mittelpunkt des N-Pols und des S-Pols des Permanentmagneten zeigt.
Zusätzlich ist ein Steuerverfahren in der Erfindung für die Objektdetektionsvorrichtung offenbart, die eine optische Baugruppe, die konfiguriert ist, einen Laserstrahl nach außen zu projizieren, eine Abtastbaugruppe, die konfiguriert ist, periodisch die Projektionsrichtung des Laserstrahls abzulenken, ein Lichtempfangselement, eine optische Lichtempfangsbaugruppe, die konfiguriert ist, ein einfallendes Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, und eine Objektdetektionsbaugruppe, die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt das entlang des Strahlengangs des projizierten Laserstrahls liegt, und eine Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis einer Projektionszeit und der Projektionsrichtung des Laserstrahls und einer Zeit einer Ausgabe eines Lichtdetektionssignals durch das Lichtempfangselement, zu detektieren, aufweist. Die Abtastbaugruppe darin weist eine Torsionsfeder auf, die mit einem Trägerelement gekoppelt ist, einen Spiegel, der an eine erste Seite der Torsionsfeder gekoppelt und konfiguriert ist, den Laserstrahl zu reflektieren, einen Permanentmagneten, der an eine zweite Seite der Torsionsfeder gekoppelt ist, wobei der Permanentmagnet mit seinem N-Pol und S-Pol über eine Drehachse der Torsionsfeder hinwg angeordnet ist, eine Antriebsspule, die zum Permanentmagneten zeigt und an der ersten Seite der Torsionsfeder, über den Permanentmagneten hinaus liegt, eine Magnetsubstanzbaugruppe, die die Antriebsspule umgibt, und eine Ansteuerungsschaltung, die konfiguriert ist, ein Ansteuerungssignal anzulegen, das periodisch Spannung oder Strom zur Antriebsspule variiert, wobei sich der Spiegel entsprechend dem Ansteuerungssignal, das durch den Ansteuerungsschaltkreis angelegt wird, hin- und herbewegt. Das Steuerverfahren umfasst ferner ein Verfahren zum Detektieren der Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels und Steuern eines Pulsintervalls des Laserstrahls, der durch die optische Baugruppe projiziert wird, auf Basis der detektierten Bewegungsgeschwindigkeit.
In einem solchen Verfahren ist bevorzugt, dass die Abtastbaugruppe ferner eine Erfassungsspule mit einem gemeinsamen Kernelement der Antriebsspule und ein Steuermittel zum Steuern des Pulsintervalls des Laserstrahls auf Basis eines Spannungs- oder Strompegels, der in der Erfassungsspule erzeugt wird, aufweist.
Es ist auch bevorzugt, dass das Steuerungsmittel das Pulsintervall steuert, kürzer zu sein, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem ersten Pegel ist, was anzeigt, dass der Spiegel nahe einem Mittelpunktabschnitt entlang eines Pfades der Hin- und Herbewegung liegt, und das Pulsintervall steuert, länger zu sein, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem zweiten Pegel ist, wo der Spiegel nahe einem Endabschnitt des Pfades der Hin- und Herbewegung liegt.
Die Erfindung betrifft auch ein Speichermedium, das ein nicht flüchtiges maschinenlesbares Speichermedium ist, das Programmanweisungen enthält, die durch einen Rechner ausführbar sind, und wenn sie ausgeführt werden, einen Rechner oder mehrere Rechner in Zusammenarbeit veranlassen, erforderliche Hardware zu steuern und eines der oben angeführten Verfahren auszuführen.
Das in dieser Erfindung offenbarte Speichermedium betrifft ferner ein Programm, das ein Rechnerprogramm zur Ausführung durch einen Rechner oder mehrere Rechner in Zusammenarbeit ist, um erforderlich Hardware zu steuern und eines der oben angeführten Verfahren auszuführen.
Nicht beschränkt auf den Apparat, das Verfahren, das Programm oder dergleichen, wie oben in einem Absatz beschrieben, kann die Erfindung auch in einer beliebigen Form ausgeführt werden, wie eine Vorrichtung, ein System, ein Verfahren, ein Rechnerprogramm, ein nicht flüchtiges maschinenlesbares Speichermedium, das ein Programm enthält, oder dergleichen.
Dank der oben beschriebenen Konfiguration wird es leichter, einen Abtastvorgang durch periodisches Wechseln der Richtung eines Laserstrahls in einer kompakten und haltbaren Konfiguration durchzuführen.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine prinzipielle Konfiguration zeigt, die sich auf eine Ausführungsform eines Objektdetektionsapparats 10 gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht, mit Schwerpunkt auf dessen Funktionen.
2 ist die Darstellung zur Erklärung des Prinzips einer Objektdetektion im Objektdetektionsapparat 10.
3 ist eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht zur Darstellung einer beispielhaften Struktur, die eine solche prinzipielle Konfiguration hat, im Objektdetektionsapparat 10.
4 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines äußeren Erscheinungsbildes des Objektdetektionsapparats 10.
5 ist eine vergrößerte Ansicht von 3 zur Darstellung eines Überblicks des äußeren Erscheinungsbildes und der Anordnung von Stellgliedern 300, 380.
6 ist eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung der Elementstrukturen in der Anordnung von Stellglied 300 und eines Überblicks des Montageprozesses.
7 ist eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht zur Darstellung der Struktur eines beweglichen Elements 320 des Stellglieds 300.
8A ist eine Querschnittsansicht aus einer M-Richtung, die durch den Pfeil in 6(d) angegeben ist.
8B ist eine Querschnittsansicht entsprechend 8A, die eine Konfiguration eines modifizierten Beispiels des Stellglieds 300 zeigt.
9 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen einem Abtastwinkel des Spiegels 301 und einem Absolutwert einer Winkelgeschwindigkeit der Abtastung zeigt.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Ansteuersignals zum Ansteuern eines Laserdiodenmoduls 21 zeigt.
11 ist eine Darstellung der Punktverteilung auf einer Abtastlinie, die durch das projizierte Licht L2 gebildet wird, wenn das in 10 gezeigte Ansteuersignal angelegt wird.
12 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Konfiguration gemeinsam mit dem gekoppelten peripheren Schaltkreis einer Pulssteuerung zum Steuern des Pulsintervalls des Ansteuersignals zum Laserdiodenmodul 21.
13 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des Ansteuersignals, das im Schaltkreis von 12 erzeugt wird.
14 ist eine Darstellung der Punktverteilung auf einer Abtastlinie, die durch das projizierte Licht L2 gebildet wird, wenn das in 13 gezeigte Ansteuersignal angelegt wird.
15 zeigt einen Überblick zur Darstellung des Strahlengangs des Laserstrahls, der von einer Lichtprojektionseinheit 20 projiziert wird.
16 ist eine Darstellung des Strahlengangs des zurückkehrenden Lichts L4, das durch eine Sammellinse 42 geht, falls keine Apertur 44 vorhanden ist.
17 ist eine Darstellung des Strahlengangs des zurückkehrenden Lichts L4, das durch eine Sammellinse 42 geht, falls eine Apertur 44 vorhanden ist.
18 ist eine Darstellung, die die Anordnung eines Lichtdurchgangsbereichs der Apertur 44 zeigt.
19 ist eine Darstellung zur Erklärung des Vorteils der Apertur 44.
20 ist eine andere Darstellung zur Erklärung des Vorteils der Apertur 44.
21 ist eine Darstellung des Strahlengangs des zurückkehrenden Lichts L4, das durch eine Sammellinse 42 geht, wobei ein Lichtstreuungselement 46 bei der in 17 gezeigten Anordnung angewendet wird.

{Beschreibung von Ausführungsformen}
Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
[Gesamte Konfiguration eines Objektdetektionsapparats (von Figur 1 bis Figur 4)]
Zuerst wird die gesamte Konfiguration des Objektdetektionsapparats, der als eine Ausführungsform der Erfindung offenbart ist, in 1 und 2 beschrieben, wobei sich die Erklärung auf die prinzipielle Konfiguration und ihre Funktionen konzentriert. 1 ist ein Blockdiagramm, das die prinzipielle Konfiguration des Objektdetektionsapparats mit Schwerpunkt auf dessen Funktionen zeigt. 2 ist eine Darstellung zur Erklärung des Prinzips der Objektdetektion im Objektdetektionsapparat.
Als eine Ausführungsform des Objektdetektionsapparats 10 projiziert dieser einen Laserstrahl nach außen und detektiert den Laserstrahl, der von einem externen Objekt reflektiert wird und danach zum Apparat 10 zurückkehrt, wodurch eine Distanz zum Objekt, das entlang des Strahlengangs des Laserstrahls liegt, und eine Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis des Zeitunterschieds zwischen Lichtprojektionszeitpunkt und Detektionszeitpunkt des reflektierten Lichts detektiert wird. Wie in 1 dargestellt, umfasst der Objektdetektionsapparat 10 eine Lichtprojektionseinheit 20, eine Abtastbaugruppe 30, eine Lichtempfangseinheit 40, einen Frontend-Schaltkreis 51, einen Zeit/Digital-Wandler-, (TDC-), Schaltkreis 52, einen Prozessorschaltkreis 53 und eine Eingabe/Ausgabe-Einheit 54.
Die Lichtprojektionseinheit 20 dient zum Projizieren des Laserstrahls nach außen und umfasst ein Laserdiodenmodul (LD-Modul) 21, einen Laseransteuerungsschaltkreis 22 und eine kollimierende Linsenbaugruppe 23.
Das LD-Modul 21 ist eine Lichtausstrahlungseinheit, die Laserlicht auf Basis eines Ansteuersignals erzeugt, das an den Laseransteuerungsschaltkreis 22 angelegt wird. Das LD-Modul 21 umfasst eine Vielzahl von Lichtausstrahlungspunkten zur Erhöhung der optischen Stärke des Ausgangs. Sicher kann ein solches LD-Modul einen einzelnen Lichtausstrahlungspunkt haben. Es gibt keine speziellen Einschränkungen in Bezug auf die Wellenlänge des Laserlichts. Zum Beispiel ist das Nah-Infrarotlicht auch in der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Der Laseransteuerungsschaltkreis 22 erzeugt das Ansteuersignal auf Basis von Parametern, die durch den Prozessorschaltkreis 53 bereitgestellt werden, und legt ein solches Ansteuersignal an das LD-Modul 21 zum Aufleuchten von Lichtausstrahlungspunkten zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Das Aufleuchten des LD-Moduls 21 wird in einem schrittweisen Betrieb durch eine Pulssignalwellenform moduliert.
Die kollimierende Linsenbaugruppe 23 wandelt das vom LD-Modul 21 ausgegebene Laserlicht in einen allgemeinen kollimierten Lichtstrahl um. Zum Beispiel ist sie eine Kollimatorlinse mit konvexer Form, deren Brennpunkt mit der Mittelposition der Vielzahl von Lichtausstrahlungspunkten ausgerichtet ist.
Überdies geht ein Laserstrahl L1, der durch die kollimierende Linsenbaugruppe 23 gebildet wird, durch eine Lichtdurchlassfläche 41a eines Spiegels 41, der in der Lichtempfangseinheit 40 enthalten ist, und wird durch eine Spiegelbaugruppe 31 der Abtastbaugruppe 30 reflektiert, und wird nach außen als das projizierte Licht L2 durchgelassen.
Die Abtastbaugruppe 30 umfasst eine Stellgliedbaugruppe 32 mit der reflektierenden Spiegelbaugruppe 31 und lenkt den Laserstrahl, der aus der Lichtprojektionseinheit 20 austritt ab und führt ihn innerhalb des vorbestimmten Sichtfeldes (FOV) 70 hin und her. Die Stellgliedbaugruppe 32 ändert die Orientierung der Spiegelbaugruppe 31 periodisch, die entlang des Strahlengangs des Laserstrahls liegt, um dadurch periodisch die Lichtprojektionsrichtung des Laserstrahls zu ändern.
Obwohl in 1 ein einzelnes Stellglied dargestellt ist, kann die Stellgliedbaugruppe 32 zwei Stellglieder 300 und 380 umfassen, die jeweils die Spiegel um die verschiedenen Achsen in Schwingung versetzen, die als die Ausführungsform in 3 und 5 beschrieben sind. Das Stellglied 300 tastet entlang der primären Abtastrichtung ab und bildet daher eine primäre Abtastlinie (Horizontale) 71a. Eine zweite Richtung (Vertikale) einer Abtastlinie 71b wird durch Einfügen eines zweiten Spiegels, der mit dem Stellglied 380 gekoppelt ist, am Ende der primären Abtastlinie und Ändern seiner Orientierung gebildet, wodurch eine Abtastposition in der zweiten Abtastrichtung eingestellt wird.
Es ist zu beachten, dass das Aufleuchten des LD-Moduls 21 in einem schrittweisen Betrieb moduliert wird, die tatsächliche Abtastlinie 71 keine kontinuierliche Linie ist, sondern als eine Reihe einzelnen Strahlpunkte erscheint.
Die Lichtempfangseinheit 40 könnte ein Modul sein, dass das einfallende Licht von außerhalb des Objektdetektionsapparats 10 detektiert. Sie könnte den oben beschriebenen Spiegel 41, eine Sammellinse 42, ein Lichtempfangselement 43 und eine Apertur 44 umfassen. Das Licht, das durch die Lichtempfangseinheit 40 detektiert werden soll, wird nur als jenes reflektierte Licht des Laserstrahls angenommen, das vom Objektdetektionsapparat 10 projiziert wird und somit zum Objektdetektionsapparat 10 zurückkehrt. Das zurückkehrende Licht L3 ist der gestreute Anteil durch eine Objektoberfläche, umgekehrt zum Strahlengang des projizierten Laserstrahls. Das zurückkehrende Licht L3 kehrt danach entlang der retroreflektierenden Richtung zurück, die im Wesentlichen derselbe aber umgekehrte Gang zum projizierten Licht L2 ist, und erreicht den Spiegel 41 als das zurückkehrende Licht L4.
Der Spiegel 41 ist ein fixierter Spiegel mit einer ersten Lichtdurchlassfläche 41a, die den Laserstrahl, der aus der Lichtprojektionseinheit 20 austritt, hindurchgehen lässt, und einer zweiten Lichtreflexionsfläche, die das zurückkehrende Licht L4 zum Lichtempfangselement 43 reflektiert. An der Position des Spiegels 41 nimmt das zurückkehrende Licht L4 eine viel breitere Fläche als der Laserstrahl L1 ein, daher fällt der Anteil des zurückkehrenden Lichts L4 aus der ersten Lichtdurchlassfläche 41a auf die zweite Lichtreflexionsfläche und wird danach zum Lichtempfangselement 43 reflektiert.
Die Sammellinse 42 sammelt das zurückkehrende Licht L4, das durch den Spiegel 41 reflektiert wird, und bildet ein Bild eines solchen einfallenden Lichts auf ihrer speziellen Brennebene.
Das Lichtempfangselement 43 ist ein Lichtdetektionselement, das ein Detektionssignal entsprechend der Stärke von Licht ausgibt, das auf seine Lichtempfangsfläche fällt. In dieser Ausführungsform wird ein Silizium-Photovervielfacher (SiPM) als das Lichtempfangselement verwendet, das in den folgenden Absätzen näher beschrieben wird.
Die Apertur 44 ist auf der Brennebene der Sammellinse 42 angeordnet und blockiert Licht, das auf die Fläche aus ihrer Öffnungsfläche fällt. Die genaue Konfiguration und der Zweck der Apertur 44 werden ebenso in den folgenden Absätzen beschrieben.
Der Spiegel 41, die Sammellinse 42 und die Apertur 44 in der oben beschriebenen Lichtempfangseinheit 40 bilden eine optische Lichtempfangsbaugruppe.
Der Frontend-Schaltkreis 51, der mit der Lichtempfangseinheit 40 gekoppelt ist, verarbeitet das Detektionssignal vom Lichtempfangselement 43 zu einer Wellenform, die für die Zeitpunktsdetektion beim TDC-Schaltkreis 52 bevorzugt ist.
Der TDC-Schaltkreis 52 erzeugt einen digitalen Ausgang, der für eine Zeitverzögerung zwischen Zeitpunkt t0 eines Beleuchtungspulses des Laserstrahls L1 und Zeitpunkt t1 eines Ausgangspulses des entsprechenden zurückkehrenden Lichts L4 repräsentativ ist, auf Basis des Ansteuerungssignals, das an den Laseransteuerungsschaltkreis 22 angelegt wird, und des Detektionssignals nach Verarbeitung durch die Fronend-Schaltung 51.
Zwischen einem Puls des projizierten Lichts und einem Puls des zurückkehrenden Lichts tritt die Zeitverzögerung auf, wenn das projizierte Licht das Objekt entlang des Strahlengangs erreicht und zum Objektdetektionsapparat 10 zurückkehrt. Somit kann auf Basis der Zeitverzögerung Δt eine Distanz s, wie in 2 dargestellt, vom Apparat 10 zum Objekt als $s = c \cdot (Δ t) / 2$
berechnet werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Genauer gesagt, s ist die Länge des Strahlengangs vom Objekt zum Lichtempfangselement 43.
Der Prozessorschaltkreis 53 steuert den Betrieb der in 1 dargestellten Konfigurationen. Der Prozessorschaltkreis 53 kann durch einen Allzweckrechner, der CPU, ROM, RAM und so weiter umfasst und Software ausführt, oder durch eine spezielle Hardware-Konfiguration oder durch die Kombination dieser konstruiert sein. Der Prozessorschaltkreis 53 führt zum Beispiel die Berechnung der Distanz zum Objekt auf Basis des Ausgangssignals vom TDC-Schaltkreis 52 und die Berechnung der Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis des Zeitpunkts einer Abtastung der Abtastbaugruppe 30 (der Richtung des projizierten Lichts L2) zu einem Zeitpunkt, wenn das zurückkehrende Licht detektiert wird, aus. Wie die ausführliche Beschreibung in den folgenden Absätzen zeigt, führt der Prozessorschaltkreis 53 auch die Steuerung des Pulsintervalls zur Beleuchtung des LD-Moduls 21 auf Basis der Orientierung der Spiegelbaugruppe 31 in der Abtastbaugruppe 30 (Stellglied 300 und/oder 380) aus.
Die Eingabe/Ausgabe-Einheit 54 gibt Informationen in periphere Geräte ein bzw. von diesen aus. Die Eingabe/Ausgabe der hier erwähnten Informationen enthält Operationen einer verdrahteten oder drahtlosen Kommunikation mit peripheren Apparaten, Empfang von Benutzerbedienungen mit Tasten, Berührungsfeldern oder dergleichen und Angabe für Benutzer mit Anzeigen, Lampen, Summern, Vibratoren oder dergleichen. Die Informationen, die von der Einheit 54 ausgegeben werden, können die Informationen sein, die sich auf das detektierte Objekt beziehen (zum Beispiel Rohdaten der Distanz und/oder Richtung oder ferner die Informationen, die die spezielle Größe, die Position, die Bewegungsgeschwindigkeit oder dergleichen basierend darauf angeben), oder jene Informationen, die sich auf den Betriebsstatus oder Einstellungsstatus des Objektdetektionsapparats 10 beziehen. Die Informationen, die durch die Einheit 54 eingegeben werden, könnten zum Beispiel die Informationen sein, die sich auf die Betriebseinstellungen des Objektdetektionsapparats 10 beziehen.
Der Kommunikationspartner der Eingabe/AusgabeEinheit 54 könnte zum Beispiel ein Fahrzeug mit autonomer Fahrfunktion sein. Mit den zugeleiteten Informationen des Objekts, das durch den Objektdetektionsapparat 10 detektiert wird, könnte ein autonomes Fahrsystem einen Plan einer Fahrroute erstellen, um so Kollisionen mit dem detektierten Objekt auf Basis solcher Informationen zu vermeiden.
Es ist auch bevorzugt, den Objektdetektionsapparat 10 als ein System zu implementieren, das mit seinem Kommunikationspartner, wie einem Fahrzeug, einer Drone, einem Flugzeug oder dergleichen gekoppelt ist.
Die Überblickszeichnung der Struktur des Objektdetektionsapparats 10 ist in 3 und 4 dargestellt. 3 ist eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht, die die Strukturen mit den prinzipiellen Konfigurationen des Objektdetektionsapparats 10 zeigt, und 4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein äußeres Erscheinungsbild des Objektdetektionsapparats 10 zeigt. Der Objektdetektionsapparat 10 hat eine äußere Kopplung mit einer oberen Abdeckung 61 und einer hinteren Abdeckung 62 durch zwei Abdeckungsklemmen 63, 63 wie in 3 und 4 dargestellt. Die obere Abdeckung 61 hat ein Austrittsfenster 64, das das projizierte Licht L2 hindurchgehen lässt. Das Austrittsfenster 64 ist für die Wellenlänge des projizierten Lichts L2 transparent und ist mit einem Schutzmaterial versehen, das ein Eindringen von Staub in den Objektdetektionsapparat 10 verhindert.
In dem Gehäuse des Objektdetektionsapparats 10 sind die in 1 dargestellten Elemente implementiert. Die Stellgliedbaugruppe 32, die in 1 dargestellt ist, umfasst die zwei unabhängigen Stellglieder. Das Stellglied 300 führt eine Abtastung entlang der primären Abtastrichtung durch und das Stellglied 380 führt eine Abtastung entlang einer zweiten Abtastrichtung durch. Ein Spiegel 301 ist mit dem Stellglied 300 gekoppelt.
Obwohl in 1 nicht dargestellt, liegt ein gefalteter Spiegel 48 zwischen dem Spiegel 41 und der Sammellinse 42, um die Orientierung des zurückkehrenden Lichts L4 zu ändern. Eine gebrochene Linie 65 gibt ein Sichtfeld (den abgetasteten Bereich auf dem Austrittsfenster 64, der durch das projizierte Licht L2 gebildet wird) des Objektdetektionsapparats 10 an, das dem in 1 gezeigten Sichtfeld 70 entspricht. Andere Konfigurationen, wie der Laseransteuerungsschaltkreis 22, der Prozessorschaltkreis 53 und die elektrischen Verbindungen zwischen genannter Baugruppe/Einheiten im Apparat 10 fehlen in 3, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Dies ist die gesamte Erklärung der prinzipiellen Konfiguration des Apparats 10. Eine individuelle Konfiguration wird in der Folge erklärt.
[Ein Schwingungsstellglied, das eine Torsionsfeder verwendet (von Figur 5 bis Figur 8B)]
Es wurde bereits erwähnt, dass die Abtastbaugruppe 30 die Stellglieder 300, 380 umfasst. Da das Stellglied 300 eine charakteristische Konfiguration ist, wird es im folgenden Absatz erklärt.
5 ist die vergrößerte Ansicht eines Überblicks über das Erscheinungsbild und die Anordnung der Stellglieder 300, 380, die in 3 dargestellt ist.
Wie in 5 dargestellt, sind das Stellglied 300 und das Stellglied 380 in ihrer Konfiguration deutlich unterschiedlich.
Das Stellglied 380 wird zur Ablenkung entlang der zweiten Abtastrichtung des projizierten Lichts L2 verwendet, ohne eine Hochgeschwindigkeitsabtastung zu erfordern. Es könnte mit einer Welle konstruiert sein, die mit einem Spiegel gekoppelt ist, der um diese dreht. Das Stellglied 380 ist so konfiguriert, dass ein Spiegel 381 an eine Welle 382 gekoppelt ist und die Welle 382 ferner mit einer Halterung 383 verbunden ist, um eine drehbare Struktur zu bilden. Durch magnetische Interaktion eines Permanentmagneten, der an der Rückseite des Spiegels 381 befestigt ist, und einer statischen Spule (nicht dargestellt) dreht der Spiegel 381 um die Achse 384 der Welle 382 und führt eine hin- und hergehende Abtastung innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs entsprechend der Spannung aus, die an die Spule angelegt wird. Der Spiegel kann auch bei einer speziellen Winkelposition innerhalb des Abtastbereichs durch Anlegen einer vorbestimmten Spannungsform stoppen.
Das obengenannte Stellglied 380 kann als ein Galvanometerspiegel klassifiziert werden. Im Allgemeinen ist eine typische Konfiguration eines Galvanometerspiegels, den Spiegel an einem Ende der Welle zu installieren und die Magnetkraft an das andere Ende der Welle anzulegen, um so den Spiegel zu drehen. In anderen Konfigurationen, zum Beispiel der Konfiguration des Stellglieds 380 in der vorliegenden Ausführungsform, kann das Stellglied auch auf Basis desselben Mechanismus angetrieben werden, selbst wenn die magnetische interagierende Kraft von demselben Längsabschnitt der Welle angelegt wird, wo sich der Spiegel befindet.
Andererseits dient das Stellglied 300 zum Ablenken des projizierten Lichts L2 bei hoher Geschwindigkeit entlang der primären Abtastrichtung und somit ist die Dauerhaftigkeit einer kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsabtastung für lange Zeit erforderlich. Daher ist das Stellglied 300 für diese neuen Zwecke charakteristisch.
Die ausführliche Konfiguration des Stellglieds 300 wird durch 6 bis 8A erklärt. Als eine überblicksartige Erklärung besteht das Stellglied 300 aus einer Kopplung des Spiegels 301 an einer ersten Seite der Torsionsfeder 302 mit einer geraden gefalteten Spitze, wo der Spiegel 301 über die gefaltete Spitze implementiert ist. Das Ende der Torsionsfeder 302 ist an ein statisches oberes Joch 314 als ein Trägerelement gekoppelt. Ein Permanentmagnet ist an eine zweite Seite der Torsionsfeder 302 gekoppelt. Durch magnetische Interaktion zwischen dem Permanentmagneten und einer statischen Spule drehen die Torsionsfeder 302 und der Spiegel 301 um eine Achse 304, die ungefähr in der Mitte der gefalteten Spitze der Torsionsfeder 302 liegt, und tasten hin- und hergehend innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs entsprechend der Spannung, die an die Spule angelegt wird, ab.
Die Abtastbaugruppe 30 reflektiert und lenkt den Laserstrahl L1 durch die Spiegel 301, 381 ab, die durch die Stellglieder 300, 380 angetrieben werden, und projiziert dadurch das nach außen projizierte Licht L2 entlang der Abtastlinie 71, dargestellt in 1.
Es sollte festgehalten werden, dass das Stellglied zum Abtasten entlang der zweiten Richtung auch dieselbe Konfiguration wie jene des Stellglieds 300 verwenden kann, ohne seinen Abtastzweck zu beeinflussen.
Die genaue Konfiguration und das Betriebsprinzip des Stellglieds 300 wird durch 6 bis 8A beschrieben. 6 ist eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht, die kurz die Struktur des Stellglieds 300 zeigt und einen Überblick über die Gesamtheit einer solchen Struktur zeigt und auch eine perspektivische Ansicht des Stellglieds 300 enthält, das als fertige Einheit fertiggestellt ist. 7 ist eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht, die die Struktur eines beweglichen Elements 320 im Stellglied 300 zeigt. 8A ist eine Querschnittsansicht aus der M Richtung durch eine Pfeilangabe, wobei der Querschnitt mit strichgepunkteter Linie angegeben ist, dargestellt in 6(d). Der Einfachheit wegen fehlt die ausführliche Zeichnung der Spulenbaugruppe 313, zeigt aber stattdessen einen Überblick der Wicklung der Spule.
Wie in 6(a) dargestellt, umfasst das Stellglied 300 ein Kernjoch 311, ein Rahmenjoch 312, eine Spulenbaugruppe 313, das obere Joch 314 und das bewegliche Element 320.
Das Rahmenjoch 312 und das obere Joch 314 bestehen aus magnetischer Substanz und bilden eine Wandstruktur, die die Spule umgibt. Das Rahmenjoch 312 und das obere Joch 314 stützen die Spulenbaugruppe 313 darin mit vier Schrauben 315 durch vier Paare von Schraubenlöchern 312b und 314b.
Die Spulenbaugruppe 313 wird durch Wickeln von zwei Spulen, einer Antriebsspule 316 und einer Erfassungsspule 317, wie in 8A dargestellt, um einen nicht magnetischen Spulenkörper 313 konstruiert. Die Spulenbaugruppe 313 könnte mit einer Schutzabdeckung 313c bedeckt sein. Im Mittelabschnitt des Spulenkörpers 313a, befindet sich ein Durchgangsloch 313b, durch das der Kernabschnitt 311a des Kernjochs 311 hindurchgehen kann. Ferner umfasst die Schutzabdeckung 313c die Anschlüsse zum Anlegen eines Ansteuersignals an die Antriebsspule 316 und die Anschlüsse zum Ausgeben eines Signals, das in der Erfassungsspule 317 erzeugt wird, an solchen Positionen, wo die Anschlüsse nicht mit der magnetischen Wand in Berührung sind.
Das Kernjoch 311 umfasst den Kernabschnitt 311a, der aus einem ferromagnetischen Material besteht, und bildet den Kern der Antriebsspule 316 und der Erfassungsspule 317.
Wie in 6(b) dargestellt, wird zuerst der Kernabschnitt 311a durch das entsprechende Loch 312a des Rahmenjochs 312 eingesetzt, dann wird der Kernabschnitt 311a in das Durchgangsloch 313b der Spulenbaugruppe 313 eingesetzt, wie in 6(c) dargestellt, um die Positionsausrichtung der Spulenbaugruppe 313 vorzunehmen, und schließlich werden das obere Joch 314 und das Rahmenjoch 312 durch die Schrauben 315 zusammengefügt, wie in 6(d) dargestellt, um alle obengenannten Elemente als eine integrierte Einheit zu integrieren.
In dem Montageprozess (a) bis (b) wird der Kernabschnitt 311a an das Rahmenjoch 312 gekoppelt. Im Prozess (b) bis (c) wird die Spulenbaugruppe 313 an den Kernabschnitt 311a (und das Rahmenjoch 312) gekoppelt. Es ist auch bevorzugt, diesen Montageprozess mit anderen Schraubenarten, die nicht oben erwähnt sind, oder durch einen Schweiß- oder Bindungsprozess oder durch einen Presspassungsprozess, wo ein eingesetztes Element etwas größer ist als ein Raum auf einer Aufnahmeseite, oder durch eine Kombination dieser Herstellungsprozesse durchzuführen.
In 6(b) und 6(c) fehlt das bewegliche Element 320, um den Zeichnungsraum zu sparen.
Das bewegliche Element 320 umfasst ferner, wie in 7 dargestellt, einen Permanentmagneten 321 und eine Halterung 323, die am Spiegel 301 und der Torsionsfeder 302 befestigt ist. Die Torsionsfeder 302 ist eine Feder, die durch Falten einer Metallplatte durch Pressen oder Biegen oder dergleichen hergestellt wird. Sie weist eine gefaltete Form mit einer geraden gefalteten Spitze 302c auf und hat einen V-förmigen Querschnitt. Nahe dem Mittelabschnitt der sich in Längsrichtung erstreckenden Schulter der Torsionsfeder 302 erstreckt sich jeder ebene Arm 302b von der Schulter weg und liegt jeweils über die gefaltete Spitze. Am Längsendabschnitt der Schulter erstrecken sich andere ebene Arme 302a ebenso von der Schulter weg und liegen auch über die gefaltete Spitze. Die gefaltete Spitze 302c und die ebenen Arme 302a, 302b sind als eine Einheit gebildet. Da die Torsionsfeder 302 aus einer einzigen Metallplatte durch Biegen zur Bildung dieser Elemente hergestellt wird, wird daher erwartet, dass die Torsionsfeder 302 eine ausreichende Stärke bei geringen Kosten hat.
Im natürlichen Zustand der Torsionsfeder 302 liegen alle ebenen Arme 302a und die ebenen Arme 302b in derselben Ebene, durch Ausüben einer Kraft auf die ebenen Arme 302b drehen diese, während die ebenen Arme 302a noch immer auf der voreingestellten Ebene montiert sind. Unter diesen Umständen wird die V-förmige gefaltete Spitze 302c verdreht und die ebenen Arme 302b drehen um die gefaltete Spitze 302c. Wenn die ausgeübte Kraft gelöst wird, wird der verdrehte Zustand der Torsionsfeder 302 aufgrund der Interaktion der Wiederherstellungskraft der Feder eliminiert und danach kehren die ebenen Arme 302b in dieselbe voreingestellte Ebene wie die darauf liegenden ebenen Arme 302a zurück.
Der Permanentmagnet 321 liegt auf der gegenüberliegenden Seite zur gefalteten Spitze 302c. Mit anderen Worten, der Permanentmagnet 321 ist an die erste Seite der Torsionsfeder 302 gekoppelt und ist an den ebenen Armen 302b befestigt, wo sein N-Pol 321n und S-Pol 321s an den getrennten Seiten über die gefaltete Spitze 302c liegen. Natürlich ist die relative Position des N-Pols 321n und des S-Pols 321s auch in 7 austauschbar.
Wie in 8A dargestellt, kann die Fixierung des Permanentmagneten 321 an den ebenen Armen 302b durch Einlegen der ebenen Arme 302b zwischen den Permanentmagneten 321 und die Fixierungshalterung 323 implementiert werden. Dann werden die Fixierungshalterung 323, der Permanentmagnet 321 und die ebenen Arme 302b durch Klebebindung oder dergleichen miteinander verbunden. Es ist auch bevorzugt, eine elastische Fixierungshalterung 323 zu verwenden und ihre elastische Kraft für die Fixierung zu nutzen. Eine Kombination der Fixierungsverfahren kann ebenso verwendet werden. Zusätzlich ist auch bevorzugt, direkt eine Harzhalterung 323 auf der Metalltorsionsfeder 302 als eine Einheit durch Umspritzung herzustellen.
8A ist eine Querschnittsansicht durch eine Ebene über den ungefähren Längsmittelabschnitt der ebenen Arme 302b.
Der Spiegel 301 ist an die Fixierungshalterung 323 gekoppelt und liegt an der gegenüberliegenden Seite zu den ebenen Armen 302b. Mit anderen Worten, der Spiegel 301 ist an die zweite Seite der Torsionsfeder 302 gekoppelt. Falls nicht ausdrücklich erwähnt, erfolgt die Fixierung des Spiegels 301 bevorzugt durch Klebebindung. Es ist zu beachten, dass, selbst falls ein Klebstoff verwendet werden könnte, ein Klebematerial mit weniger Schrumpfung während des Härtens wünschenswert ist.
Nach der Montage in dem in 7 dargestellten Prozess wird das oben erwähnte bewegliche Element 320 ferner an einem Trägerteil 314a für das bewegliche Element auf dem oberen Joch 314 auf Basis der Schritte montiert, die in 6(c) und 6 (d) dargestellt sind. Diese Fixierung kann mit jedem Verfahren wie Schrauben (die Schrauben sind nicht dargestellt) der ebenen Arme 302a an das Trägerteil 314a für das bewegliche Element oder durch Klebebindung/Schweißen der ebenen Arme 302a und des Trägerteils 314a für das bewegliche Element oder durch Einsetzen der ebenen Arme 302a in einen Schlitz des Trägerteils 314a für das bewegliche Element oder dergleichen durchgeführt werden.
In dem Zustand, wo das bewegliche Element 320 am oberen Joch 314 montiert wurde, liegen die ebenen Arme 302b der Torsionsfeder 302 und des Permanentmagneten 321 der Spulenbaugruppe 313 durch die Öffnung 314c des oberen Jochs 314 gegenüber. Als eine genauere Darstellung in 8A, zeigt ein Ende der Achse der Antriebsspule 316 in der Spulenbaugruppe 313 zu einem Mittelpunkt von dem N-Pol 321n und dem S-Pol 321s des Permanentmagneten 321. Wie vom Permanentmagneten 321 aus gesehen, ist die Antriebsspule 316 an der gegenüberliegenden Seite zur Torsionsfeder 302 angeordnet. Mit anderen Worten, die oben beschriebene Antriebsspule 316 liegt auf der gegenüberliegenden Seite der Torsionsfeder 302 über den Permanentmagneten 321 hinaus.
Wenn unter diesen Umständen der Strom an die Antriebsspule 316 angelegt wird, um zum Beispiel den Endabschnitt der Spulenbaugruppe 313 zu induzieren, der zum Permanentmagnet 321 zeigt, sodass er der N-Pol ist, wird der S-Pol 321s des Permanentmagneten 321 nahe zur Antriebsspule 316 gezogen und der N-Pol 321n wird von der Antriebsspule 316 abgestoßen. Daher wirkt die Kraft, die mit dem Permanentmagneten 321 interagiert, im Uhrzeigersinn, wie in der Querschnittsansicht von 8A erkennbar ist. Diese Kraft wird gleichzeitig auch auf die ebenen Arme 302b der Torsionsfeder 302 ausgeübt. Infolgedessen wird die Torsionsfeder 302 im Uhrzeigersinn um eine virtuelle Drehachse 304 verdreht, die nahe dem V-förmigen geometrischen Mittelpunkt der gefalteten Torsionsfeder 302 liegt, falls in der Querschnittsansicht betrachtet. Währenddessen dreht der Spiegel 301, der an die ebenen Arme 302b gekoppelt ist, auch im Uhrzeigersinn um die Drehachse 304.
Überdies stoppt die Torsionsfeder 302 an einer speziellen Position, wo die magnetische Kraft zwischen der Antriebsspule 316 und dem Permanentmagneten 321 mit der Wiederherstellungskraft der Torsionsfeder 302 ausgeglichen ist. Natürlich kann auch die Drehgeschwindigkeit und Stoppposition der Torsionsfeder 302 durch Abstimmen der Stärke des Stroms, der an die Antriebsspule 316 angelegt wird, eingestellt werden.
Falls in dem Zustand, wo der Permanentmagnet 321 und der Spiegel 301 im Uhrzeigersinn zu einer bevorzugten Position drehen, die Stromrichtung umgekehrt wird, wird der N-Pol 321n des Permanentmagneten 321 zur Antriebsspule 316 gezogen und der S-Pol 321s wird von der Antriebsspule 316 abgestoßen, da der Endabschnitt der Spulenbaugruppe 313, der zum Permanentmagneten 321 zeigt, der S-Pol wird. Unter diesen Umständen wird auch die Kraft, die mit dem Permanentmagneten 321 interagiert, in die Richtung gegen den Uhrzeigersinn geändert, bei Betrachtung in der Querschnittsansicht von 8A. Diese Kraft wird auch auf die ebenen Arme 302b der Torsionsfeder 302 ausgeübt, wie im Zustand einer Drehung im Uhrzeigersinn, daher wird die Torsionsfeder 302 gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse 304 verdreht, umgekehrt zu dem oben angeführten Zustand. Währenddessen dreht auch der Spiegel 301, der an die ebenen Arme 302b gekoppelt ist, gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse 304.
Durch wechselseitiges Ändern der Richtung der angelegten Spannung oder des angelegten Stroms an die Antriebsspule 316 führt der Spiegel 301 die Drehung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs um die Drehachse 304 aus, wie durch Pfeile V angezeigt. Mit anderen Worten, der Spiegel 301 schwingt entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads. Überdies wird die periodische Ablenkung des Laserstrahls L1 erreicht, die zum Abtasten entlang der primären Abtastrichtung erforderlich ist, wie in 1 beschrieben.
Eine symmetrische wechselseitige Drehung der Torsionsfeder 302 in die natürliche Position könnte bevorzugt sein, falls deren Lebensdauer berücksichtigt wird, ist aber keine Einschränkung in der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel ist es durch periodisches Ein- oder Ausschalten der Spannung, die an die Antriebsspule 316 angelegt wird, auch möglich, die Schwingung innerhalb der Bereichstendenz zur natürlichen Position durchzuführen. Natürlich kann durch periodisches Ändern der Spannung oder des Stroms, die bzw. der an die Antriebsspule 316 angelegt wird, in einem passenden Bereich der Spiegel 301 innerhalb eines voreingestellten Bereichs schwingen, solange es sich um den zulässigen Bereich durch die Torsionsfeder 302 handelt.
Obwohl im Stellglied 300 die Endabschnitte des beweglichen Elements 320 am oberen Joch 314 montiert sind, entsteht keine Reibung zwischen den Bewegungskomponenten während der Schwingung, da der tatsächliche Bewegungsabschnitt in der Luft hängt. Infolgedessen ist das Stellglied 300 selbst bei einer langen Betriebszeit frei von Wärme und den Reibungsproblemen. Daher ist es möglich, die hohe Haltbarkeit durch die vorliegende Ausführungsform zu erreichen.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform dargestellt, da das obere Joch 314 und das Rahmenjoch 312, die aus der Magnetsubstanzbaugruppe bestehen, die Spulenbaugruppe 313 umgeben, ist es möglich, ein Lecken des Magnetflusses zu verhindern, der in der Antriebsspule 316 erzeugt wird, wodurch die hohe Antriebseffizienz erreicht wird. Die umgebende Magnetsubstanzbaugruppe ist jedoch nicht wesentlich. Es ist auch möglich, das obere Joch 314 und das Rahmenjoch 312 als eine Magnetsubstanzeinheit zu bilden.
Wie in 6 und 8A dargestellt, könnte das Trägerteil 314a für das bewegliche Element des oberen Jochs 314 vorzugsweise dünner sein als die anderen Abschnitte des oberen Jochs 314. Dies erlaubt, dass der Permanentmagnet 321 innerhalb der Magnetsubstanzwand liegt, die durch das obere Joch 314 und das Rahmenjoch 312 gebildet ist, wodurch sich der Magnetfluss, der durch die Antriebsspule 316 erzeugt wird, zum Permanentmagnet 321 ohne Lecken ausbreitet.
Zum Vermeiden eines Leckens des durch die Antriebsspule 316 erzeugten Magnetflusses könnte das Paar der Endabschnitte, die sich vom oberen Joch 314 erstrecken und zum N-Pol 321n bzw. S-Pol 321s des Permanentmagneten 321 zeigen, vorzugsweise an den Positionen liegen, die über eine Mittellinie (mit Bezugszeichen 321x in 8A angegeben) des Permanentmagneten 321 entlang des N-Pols 321n und des S-Pols 321s hinausgehen, bei Betrachtung von einem Ende der Achse der Antriebsspule 316, das zum Permanentmagnet 321 in der Richtung (der vertikalen Richtung in 8A) entlang der Achse zeigt.
In der ausführlichen Ausführungsform erstrecken sich die Hebeabschnitte 314d von den Rändern der Öffnung 314c zum beweglichen Element 320, deren Endabschnitt sich von der Antriebsspule 316 weg erstreckt (Aufwärtsrichtung in 8A). Mit dieser Konfiguration kann das Lecken des Magnetflusses begrenzt werden. Überdies kann ein größeres Drehmoment von der Antriebsspule 316 erzeugt und an das bewegliche Element 320 angelegt werden, um die Schwingungsgeschwindigkeit des Spiegels 301 zu erhöhen und/oder auch den Stromverbrauch zu senken.
Falls das Trägerteil 314a für das bewegliche Element dünner wird, wie in 8A dargestellt, wird der freie Raum für die Drehung zwischen dem Spiegel 301 und dem oberen Joch 314 kleiner und daher könnte es ein Anliegen sein, dass der Bewegungsbereich des Spiegels 301 aufgrund der mechanischen Berührung zwischen dem Spiegel 301 und dem oberen Joch 314 eingeschränkt ist.
Zur Behandlung dieses Punkts, wie in 8B dargestellt, ist es auch bevorzugt, das Trägerteil 314a für das bewegliche Element dicker als die anderen Abschnitte zu machen, um den Spiegel 301 vom oberen Joch 314 zu entfernen. Mit dieser Konfiguration könnte der Permanentmagnet 321 außerhalb des oberen Jochs 314 freiliegen, mit dem Problem eines Leckens des Magnetflusses. Solange sich jedoch die Hebeabschnitte 314d über die Mittellinie 321x hinaus erstrecken, wie in 8B dargestellt, kann das Lecken des Magnetflusses verhindert werden und weiterhin die Schwingungsgeschwindigkeit erhöht und/oder der Stromverbrauch verringert werden.
Das Material der Torsionsfeder 302 ist bevorzugt zum Beispiel Edelstahl oder Phosphorbronze und jedes andere Material, das eine elastische Feder bilden kann. Der Grund, warum der Querschnitt der gefalteten Spitze 302c eine V-Form ist, ist, dass die Erfinder durch Simulation festgestellt haben, dass sowohl eine große Federkonstante als auch die höhere Resonanzfrequenz der Torsionsfeder 302 durch die V-Form erzielt werden können. Eine hohe Resonanzfrequenz ist wünschenswert, da sie einen großen Abtastwinkel bei niedrigerem Antriebsstrom erzielen kann.
Es sollte festgehalten werden, dass die Form des Querschnitts in der vorliegenden Erfindung nicht auf die V-Form beschränkt ist. Es sind auch andere Formen, wie n-Form, U-Form oder M-Form, W-Form oder eine hohle Struktur mit einer dünnen Wand ohne Öffnungsgrenze bevorzugt, solange die spezielle Form der Torsionsfeder erlaubt zu funktionieren.
Die Struktur der Torsionsfeder mit einer geraden gefalteten Spitze 302c kann die Steifigkeit in der Richtung senkrecht zur Drehachse im Vergleich zu einer ebenen Torsionsfederstruktur erhöhen. In einer Anwendung mit kontinuierlicher Vibration wie der Implementierung an einem Fahrzeug, ist die hohe Steifigkeit sehr nützlich, um eine robuste Abtastung durchzuführen und die Haltbarkeit einer schwingenden Komponente zu garantieren.
Die Torsionsfeder 302 mit der gefalteten Spitze 302c ist eine dreidimensionale Formeinheit mit großer Dicke. Es ist relativ leicht, die Torsionsfeder 302 durch Biegen einer Platte oder eines Membranmaterials zu bilden. Andererseits wäre es ziemlich schwierig, diese im Wesentlichen stark gefaltete Spitze 302c durch einen Waferprozess mit einer MEMS (Micro-Electrical Mechanical Systems) Technik zu bilden.
In der vorliegenden Ausführungsform, die in 8A dargestellt ist, ist die Antriebsspule 316 im natürlichen Zustand der Torsionsfeder 302 vertikal zu den ebenen Arme 302b angeordnet. Es sollte aber festgehalten werden, dass die Orientierung nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt ist, solange das Ende der Achse der Antriebsspule 316 zum Mittelpunkt des N-Pols 321n und des S-Pols 321s des Permanentmagneten 321 in einer anderen Ausführungsform zeigt. Falls zum Beispiel die Achse der Antriebsspule 316 parallel zur gefalteten Spitze 302c angeordnet ist, ist es auch möglich, die Schwingung des Spiegels 301 ähnlich wie in der vorliegenden Konfiguration in 8A anzuordnen.
Zusätzlich ist es nicht wesentlich, die Antriebsspule 316 als ein eingebautes Element in der Spulenbaugruppe 313 zu implementieren und die Antriebsspule 316 um den Spulenkörper zu wickeln. Es ist auch bevorzugt, die Antriebsspule 316 direkt um den Kernabschnitt 311a des Kernjochs 311 zu wickeln.
Die Erfassungsspule 317 führt die Einstellung des Beleuchtungszeitpunkts des Laserstrahls L1 durch, wie von 9 bis 12 beschrieben. Falls die Einstellung nicht durchgeführt wird, ist die Erfassungsspule 317 nicht notwendig.
In der in 8A und 8B dargestellten Ausführungsform zeigt die vordere Oberfläche der gefalteten Spitze 302c der Torsionsfeder 302 zum Spiegel 301. Andererseits könnte die vordere Oberfläche der gefalteten Spitze 302c auch zum Permanentmagneten 321 zeigen. Das heißt, der Permanentmagnet 321 könnte mit der Oberfläche der ebenen Arme 302b durch eine Halterung mit der gleichen Eigenschaft wie die Fixierungshalterung 323 gekoppelt sein, sodass die vordere Oberfläche der gefalteten Spitze 302c zum Permanentmagneten 321 zeigt, und der Spiegel 301 könnte mit der gegenüberliegenden Oberfläche der ebenen Arme 302b gekoppelt sein. Mit dieser Konfiguration ist auch möglich, dass der Spiegel 301 um die Drehachse der gefalteten Spitze 302c schwingt, wie in 8A und 8B beschrieben.
Zusätzlich ist auch möglich, bei Bedarf einen Elektromagneten anstelle des Permanentmagneten 321 zum Antreiben des Spiegels 301 zu verwenden. Der Permanentmagnet 321 ist jedoch günstiger, da er eine einfache Struktur und einen geringen Montagefehler und ein geringes Systemrauschen hat.
[Steuerung des Beleuchtungspulsintervalls des Laserstrahls gemäß der Abtastposition in der primären Abtastrichtung (von Figur 9 bis Figur 14)]
In den folgenden Absätzen wird die Steuerung des Beleuchtungspulsintervalls des Strahls gemäß der Abtastposition in der primären Abtastrichtung des projizierten Lichts L2 beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Abtastposition in der primären Abtastrichtung der Orientierung des Spiegels 301 im Stellglied 300 entspricht, sodass die hier beschriebene Steuerung auch als eine Steuerung gemäß der Orientierung des Spiegels 301 verstanden werden kann.
Zuerst wird die Eigenschaft der Schwingung des Spiegels 301 entsprechend dem Betrieb des Stellglieds 300 in 9 bis 11 beschrieben.
9 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen einem Abtastwinkel des Spiegels 301 und einem absoluten Geschwindigkeitswert entsprechend diesem Abtastwinkel zeigt. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Ansteuersignals zum Ansteuern des LD-Moduls 21 zeigt und 11 ist eine Darstellung, die ein Beispiel der projizierten Punkte des projizierten Lichts L2 zeigt, die entlang der Abtastlinie verteilt sind.
Die Erfinder haben durch den Versuch festgestellt, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels 301, der durch das Stellglied 300 in Schwingung versetzt wird, nicht konstant ist. Da der Spiegel 301 an den Endpunkten entlang des Schwingungspfads stoppt und sich in den anderen Abschnitten bewegt, ist offensichtlich, dass sich die Bewegungsgeschwindigkeit ändert. Wie in 9 gezeigt, wird die Geschwindigkeit im Allgemeinen langsamer, während er sich nach vorne zum Endpunkt des Schwingungspfads bewegt, und wird höher, während er sich nach hinten zum Mittelpunkt bewegt. Die Geschwindigkeit ist an derselben Position fast gleich, unabhängig von der Richtung der Drehbewegung, das heißt, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, wobei der einzige Unterschied die Bewegungsrichtung ist.
Hier zeigt 9 die Variation der Bewegungsgeschwindigkeit 30 entlang des Schwingungspfads. In 9 ist die Position entlang des Schwingungspfads (beschrieben als Drehwinkel und auch als „Abtastwinkel“ bezeichnet) als die horizontale Achse eingetragen und der Absolutwert der Winkelgeschwindigkeit entsprechend dieser Position ist als die vertikale Achse eingetragen.
Da die Drehgeschwindigkeit des Spiegels 301 variiert, wie in 9 dargestellt, wenn das LD-Modul 21 durch ein Ansteuersignal drv1 mit einem gleichen Pulsintervall angesteuert wird, wie in 10 dargestellt, wird die zeitliche Verteilung der Punkte 72 des projizierten Lichts L2 entlang der Abtastlinie 71 wie in 11 dargestellt gebildet. Das heißt, die Punkte werden zeitlich mit großen Intervallen um den Mittelabschnitt der Abtastlinie, aber mit kleinen Intervallen um den Endabschnitt entlang der primären Abtastrichtung verteilt. Daher ist die Detektionsauflösung des Objekts im Mittelabschnitt niedriger als jene im Endabschnitt.
Falls ein Hindernis mit dem Objektdetektionsapparat 10 detektiert wird, ist die Detektion um den Mittelabschnitt des Sichtfeldes von größter Bedeutung, sodass der oben erwähnte herkömmliche Steuerzustand nicht günstig ist.
Somit wird ein Steuerschaltkreis im Objektdetektionsapparat 10 zum Steuern der Beleuchtungspulsintervalle für das Ansteuersignal des LD-Moduls 21 entsprechend dem Abtastwinkel des Spiegels 301 vorgeschlagen.
12 zeigt eine Konfiguration des Steuerschaltkreises.
Die Frequenzsteuerung mit dem Steuerschaltkreis 351, die in 12 gezeigt ist, kann grob in drei Betriebe unterteilt werden, Antriebssteuerung der Antriebsspule 316, Detektion der Drehgeschwindigkeit des Spiegels 301 und Steuerung des Beleuchtungspulsintervalls des LD-Moduls 21. Es wird festgehalten, dass die Drehgeschwindigkeit als eine hin- und hergehende Geschwindigkeit des Spiegels 301 zu verstehen ist.
In Bezug auf die Antriebssteuerung der Antriebsspule 316 stellt der Steuerschaltkreis 351 zuerst Sollwerte des Abtastbereichs und der Abtastperiode beim Stellglied 300 durch einen Ansteuersignalerzeugungsschaltkreis 352 ein, der ein Ansteuersignal 353 erzeugt, das an die Antriebsspule 316 angelegt wird. Die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 352 erzeugt ein Ansteuersignal 353 mit einer periodisch variablen Spannung bei einem angemessenen Pegel gemäß dem voreingestellten Wert und legt das Ansteuersignal 353 an die Antriebsspule 316 des Stellglieds 300 an. Dadurch kann das Stellglied 300 den Spiegel 301 in Schwingung versetzen, wie in 8A beschrieben.
In Bezug auf die Detektion der Drehgeschwindigkeit des Spiegels 301 detektiert dann eine Detektionsschaltung 354 eine induzierte Spannung, die in der Erfassungsspule 317 des Stellglieds 300 erzeugt wird, und ein ADC (Analog/Digital-Wandler) 355 wandelt die Spannung in einen digitalen Wert in Echtzeit um und eine Differenzberechnungseinheit 357 gleicht den Spannungswert aus und gibt dann die ausgeglichene Spannung an den Steuerschaltkreis 351 aus. Der Steuerschaltkreis 351 berechnet die Drehgeschwindigkeit des Spiegels 301 auf Basis des ausgeglichenen Spannungswerts. Es ist bevorzugt, jedoch keine Einschränkung, dass die Anzahl von Windungen der Erfassungsspule 317 dieselbe wie jene der Antriebsspule 316 ist und die Erfassungsspule 317 in der umgekehrten Richtung der Antriebsspule 316 gewickelt ist.
Während der Schwingung des Spiegels 301 ist die induzierte Spannung durch zwei Mechanismen in der Erfassungsspule 317 bedingt.
Der erste Mechanismus zum Induzieren einer Spannung in der Erfassungsspule 317 ist die induzierte elektromotorische Kraft aufgrund der Variation der Stärke und der Richtung des Magnetfeldes, das durch die Antriebsspule 316 aufgrund der variablen Spannung des angelegten Ansteuersignals induziert wird.
Der zweite Mechanismus zum Induzieren einer Spannung ist die induzierte elektromotorische Kraft aufgrund der Variation des Magnetfeldes aufgrund der Schwingung des Permanentmagneten 321. Falls der Permanentmagnet 321 wie in 8A beschrieben schwingt, kann die Stärkenvariation des Magnetfeldes um die Erfassungsspule 317 annähernd als proportional zur Winkeldrehgeschwindigkeit des Permanentmagneten 321 angesehen werden. Diese Winkeldrehgeschwindigkeit des Permanentmagneten 321 ist auch die Winkeldrehgeschwindigkeit des Spiegels 301. Daher ist sie dahingehend äquivalent, dass die Stärke der induzierten Spannung im zweiten Mechanismus zur Winkeldrehgeschwindigkeit des Spiegels 301 proportional ist.
Eine Differenzberechnungseinheit 357, die mit einem Speicher einer wechselseitig induzierten Spannungswellenform 356 gekoppelt ist, führt die Subtraktion aus, um die induzierte Spannung, die im oben erwähnten ersten Mechanismus erzeugt wird, aus den Ausgangsdaten des ADC 355 zu eliminieren.
Genauer speichert der Speicher einer wechselseitig induzierten Spannungswellenform 356 die Variation der induzierten Spannungsform in der Erfassungsspule 317, die dem Umstand entspricht, wo das Ansteuersignal an die Antriebsspule 316 angelegt wird, während kein Permanentmagnet 321 am Stellglied 300 befestigt ist. Die gespeicherte Spannungsform entspricht einer Periodenansteuerungssignalform, die mit den Phaseninformationen verknüpft ist. Beim Anlegen des Ansteuersignals an die Antriebsspule 316, um den Spiegel 301 in Schwingung zu versetzen, leitet der Ansteuersignalerzeugungsschaltkreis 352 auch ein Zeitsteuerungssignal, das die Phase des Ansteuersignals angibt, dem Speicher einer wechselseitig induzierten Spannungswellenform 356 zu. Auf Basis dieses Zeitsteuerungssignals leitet der Speicher einer wechselseitig induzierten Spannungswellenform 356 ferner der Differenzberechnungseinheit 357 einen Spannungswert entsprechend dem gegenwärtigen Zeitpunkt zu.
Die Differenzberechnungseinheit 357 subtrahiert den Spannungswert, der von einem Speicher einer wechselseitig induzierten Spannungswellenform 356 als Beitrag des ersten Mechanismus (wechselseitige Induktion) zugeleitet wird, vom Wert der induzierten Spannung, die tatsächlich in der Erfassungsspule 317 erzeugt wurde, der vom ADC 355 zugeleitet wird, und leitet dann die resultierende Differenz zum Steuerschaltkreis 351.
Als Ergebnis kann der Wert der induzierten Spannung, der proportional zur Winkeldrehgeschwindigkeit des Spiegels 301 ist, in den Steuerschaltkreis 351 eingegeben werden. Falls die induzierte Spannung, die in den Steuerschaltkreis 351 eingegeben wird, in Grafik 361 eingetragen wird, wo die horizontale Achse die halbe Periode von einem Ende zum anderen Ende des Schwingungsbereichs des Spiegels 301 angibt, ist es die gleiche Verteilung wie jene, die in 9 dargestellt ist.
Der Steuerschaltkreis 351 berechnet die Winkelgeschwindigkeit ω (t) des Spiegels 301 zu einem Zeitpunkt t, gemäß ω (t) = K × VR (t) durch Anlegen einer voreingestellten Konstante K am Spannungswert VR(t), der von der Differenzberechnungseinheit 357 ausgegeben wird.
Der voreingestellte Wert von K wird zum Beispiel durch einen Integralwert des Drehwinkels des Spiegels 301 für die gesamte halbe Periode, die durch andere Versuchsmittel gemessen wird, und einen Integralwert des Spannungswerts VR(t) entsprechend derselben halben Periode bestimmt.
Auf Basis von a(t) berechnet der Steuerschaltkreis 351 ferner das Beleuchtungspulsintervall T zum Erleuchten des LD-Moduls 21, um so die gewünschte zeitliche Auflösung auf einer Abtastlinie 71a in der primären Abtastrichtung zu erhalten. Unter der Annahme, dass die Auflösung φ Grad ist, ist T = π • (φ/180) /ω (t) erfüllt.
Zur Steuerung des Beleuchtungspulsintervalls des LD-Moduls 21 in Echtzeit berechnet der Steuerschaltkreis 351 das Beleuchtungspulsintervall T gemäß dem Spannungswert VR(t), der von der Differenzberechnungseinheit 357 ausgegeben wird, und leitet dann ein Pulswiederholungsmodulationssignal, das den Wert von T angibt, zu einem Pulsgenerator 358.
Der Pulsgenerator 358 führt eine Pulswiederholungsmodulation gemäß dem Pulswiederholungsmodulationssignal aus und erzeugt ein Zeitsteuerungssignal einer Reihe der Pulse mit dem Intervallwert T und leitet dann das Zeitsteuerungssignal zum Laseransteuerungsschaltkreis 22. Der Laseransteuerungsschaltkreis 22 erzeugt ein Ansteuersignal zum Erleuchten des LD-Moduls 21 mit der Zeitsteuerumg der Pulse, die im Zeitsteuerungssignal enthalten sind, und gibt das Ansteuersignal an das LD-Modul 21 aus.
Wie in Grafik 361 trugen wir das berechnete Pulsintervall, das an den Pulsgenerator 358 ausgegeben wird, in die Grafik 362 ein, in der die horizontale Achse eine Zeitperiode der Schwingung des Spiegels 301 angibt, die von einem Ende zum anderen Ende des Schwingungsbereichs geht. Es ist klar, dass der Steuerschaltkreis 351 eine Steuerung durchführt, sodass ein kürzeres Pulsintervall für das LD-Modul 21 verwendet wird, wenn sich der Spiegel 301 um den Mittelpunkt des Schwingungspfades bewegt, wobei der induzierte Spannungspegel in der Erfassungsspule 317 bei einem hohen Pegel angegeben ist (dem ersten Pegel). Wenn andererseits der Spiegel 301 den Endabschnitt des Schwingungspfades erreicht, wo die induzierte Spannung bei einem niederen Pegel (dem zweiten Pegel) angegeben ist, wird das Beleuchtungspulsintervall länger.
Wie durch das Symbol drv2 angegeben, das in 13 dargestellt ist, ist das Ansteuersignal des LD-Moduls 21, das durch den Laseransteuerungsschaltkreis 22 ausgegeben wird, mit ungleichen Pulsintervallen, die der Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels 301 entsprechen, charakteristisch. Daher wird die zeitliche Verteilung der Punkte 72, die durch diesen abgelenkten Laserstrahl L1 unter der Pulssteuerung gebildet wird, ausgeglichen, um annähern gleiche Intervalle entlang der gesamten Abtastlinie 71a in der primären Abtastrichtung zu haben, wie in 14 dargestellt. Daher ist es möglich, dass der Objektdetektionsapparat 10 eine Detektion von Objekten mit einer annähernd gleichförmigen Auflösung innerhalb des Sichtfeldes 70 durchführt.
Da der Spiegel 351 gesteuert wird, sich nicht zu bewegen, während eine einzige Abtastlinie in der primären Abtastrichtung erzeugt wird, tritt ein solches Problem in der zweiten Abtastrichtung nicht auf. Daher ist die Einstellung des Beleuchtungspulsintervalls in der zweiten Abtastrichtung nicht notwendig.
Es sollte festgehalten werden, dass der oben beschriebene Steuerschaltkreis 351 Teil des Prozessorschaltkreises 53 sein könnte oder vom Prozessorschaltkreis 53 unabhängig sein könnte. Die Funktion des Steuerschaltkreises 351 könnte durch eine spezielle Hardware erreicht werden oder könnte durch einen Allzweckrechner mit einem Software-Programm erreicht werden oder könnte durch die Kombination dieser erreicht werden.
Obwohl die Steuerung in der Ausführungsform, die in 12 beschrieben ist, auf dem Spannungswert der induzierten Spannung in der Erfassungsspule 317 beruht, ist es auch möglich, dass sie auf dem Wert eines induzierten Stroms beruht.
[Konfiguration der Lichtempfangseinheit 40 (von Figur 15 bis Figur 21)]
Im folgenden Absatz wird die ausführliche Konfiguration der Lichtempfangseinheit 40 beschrieben. Der Objektdetektionsapparat 10 hat ferner eine Eigenschaft, dass die Apertur 44 auf der Brennebene der Sammellinse 42 in der Lichtempfangseinheit 40 implementiert ist, die zu erwähnen ist.
Zuerst wird die Eigenschaft des Laserstrahls L1 beschrieben, der von der Lichtprojektionseinheit 20 projiziert wird.
15 ist eine schematische Darstellung, die den Strahlengang des Laserstrahls zeigt, der von der Lichtprojektionseinheit 20 projiziert wird.
Das LD-Modul 21 der Lichtprojektionseinheit 20 enthält eine Vielzahl von Lichtausstrahlungspunkten 21a1 bis 21a3, wie in 15 dargestellt. Jeder der Lichtausstrahlungspunkte 21a1 bis 21a3 strahlt seine Laserstrahlen B1 bis B3 mit einem gewissen Divergenzwinkel aus. Die Lichtausstrahlungspunkte 21a1 bis 21a3 liegen nahe beieinander und könnten mit einer speziellen Teilung getrennt sein. Natürlich ist die Anzahl der Lichtausstrahlungspunkte nicht auf drei beschränkt. Überdies ist eine einzelne Lichtquelle mit einer solchen Vielzahl von Lichtausstrahlungspunkten 21a1 bis 21a3 auch dem LD-Modul 21 äquivalent.
Die optische Baugruppe 23 dient dem Zweck, einen kollimierten Lichtstrahl aus dem Laserstrahl zu erzeugen, der aus dem LD-Modul 21 ausgestrahlt wird. Falls die optische Baugruppe 23 eine Linsenbaugruppe mit konvexer optischer Leistung ist, wo ein Lichtausstrahlungspunkt (der Lichtausstrahlungspunkt 21a2 zum Beispiel) an ihrem Brennpunkt liegt, wird der Laserstrahl B2 des Lichtausstrahlungspunkts 21a2 aufgrund der optischen Leistung der konvexen Linse zu einem kollimierten Lichtstrahl C2 entlang einer optischen Achse der konvexen Linse umgewandelt.
Andererseits werden die Laserstrahlen B1, B3, die aus den Lichtausstrahlungspunkten 21a1, 21a3 ausgestrahlt werden, die auf der Brennebene, aber abseits vom Brennpunkt liegen, zu den kollimierten Strahlen C1, C3 mit leichten Neigungswinkeln zur optischen Achse umgewandelt.
Daher ist der gesamte Laserstrahl, der aus allen Lichtausstrahlungspunkten durch die optische Baugruppe 23 umgewandelt wird, im Allgemeinen ein kollimierter Strahl, aber mit einer gewissen Divergenz zur optischen Achse. Dieser Divergenzwinkel kann als Konstante angesehen werden, selbst an einer Position, die ausreichend weit von der optischen Baugruppe 23 entfernt ist, und der Divergenzwinkel ist als ein Divergenzwinkel α des Laserstrahls L1 oder des projizierten Lichts L2 definiert.
Wir beschreiben nun die ausführliche Konfiguration der Apertur 44 und ihre Wirkungen in der Lichtempfangseinheit 40.
Zunächst wird in der Ausführungsform des Objektdetektionsapparats 10 ein neuartiges Silizium-Photovervielfacher- (SiPM) Element als das Lichtempfangselement 43 in der Lichtempfangseinheit 40 verwendet. Ein solcher SiPM ist eine Gruppe von Lawinenphotodioden (APDs), die im Geiger-Modus arbeiten, der parallel zu einem Summenausgang jedes darin enthaltenen Elements arbeitet. Er ist durch hohe Empfindlichkeit, hohe Verstärkung, schnelles Ansprechen und ausgezeichnete zeitliche Auflösung charakterisiert, um so selbst ein einzelnes Photon zu detektieren.
Es ist bekannt, dass eine Verstärkung einer allgemeinen APD etwa das 50-Fache zum Eingangssignal ist (die Stärke des Lichts, das auf die Lichtempfangsfläche fällt). Andererseits kann die Verstärkung eines speziellen SiPM-Element, des sogenannten MPPC (Multi-Pixel Photon Counter: Warenzeichen) from Hamamatsu Photonics K.K etwa das 100-000-Fache erreichen.
(https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/Photodetector_ lidar_kapd00 05e.pdf).
Daher könnte das zurückkehrende Licht L4 selbst bei einem sehr schwachen Pegel durch SiPM detektiert werden. Daher wird es in einem Objektdetektionsapparat möglich, das Objekt mit geringem Reflexionsvermögen aus weiter Distanz durch einen Laserstrahl mit geringer Ausgangsleistung zu detektieren. Da SiPM die Verstärkung von etwa dem 2000-Fachen zu jener von APD hat, ermöglicht die Verwendung von SiPM, das Objekt durch einen Laserstrahl mit 1/2000 Ausgangsleistung zu detektieren, verglichen mit jener einer APD.
Zur Erhöhung der Leistung des Laserstrahls ist ein großer und teurer Apparat erforderlich. Falls der Laserstrahl mit geringer Ausgangsleistung annehmbar ist, ist es ein großer Vorteil, den Objektdetektionsapparat zu miniaturisieren und dessen Kosten zu senken. Die optische Detektionsfläche der Lichtempfangsfläche des SiPM ist jedoch größer als jene von APD, wodurch das Problem einer zu großen Empfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht entsteht, falls eine APD einfach durch eine SiPM in derselben optischen Konfiguration ersetzt wird.
Solche Punkte sind im Detail in 16 beschrieben. 16 ist eine Darstellung des Strahlengangs des zurückkehrenden Lichts L4, das durch eine Sammellinse 42 geht, falls keine Apertur 44 darin implementiert ist.
In der Lichtempfangseinheit 40 ist die Sammellinse 42 konfiguriert, ein Bild des einfallenden, zurückkehrenden Lichts L4 auf ihrer Brennebene zu bilden. Die Brennweite ist als f definiert. Das zurückkehrende Licht kehrt zum Objektdetektionsapparat 10 von einem Sichtfeld mit einem Winkel α entsprechend dem Divergenzwinkel α des ausgestrahlten Lichts zurück, wie in 15 beschrieben. Das zurückkehrende Licht L4 wird jedoch der Einfachheit wegen als annähernd vollständig kollimiertes Licht betrachtet.
Das zurückkehrende Licht L4, das auf die Sammellinse 42 entlang der optischen Achse fällt, wird zum Brennpunkt der Sammellinse 42 konvergiert und divergiert dann wieder. Zum Empfangen des zurückkehrenden Lichts L4 im gesamten Bereich der Lichtempfangsfläche ist das Lichtempfangselement 43 vorzugsweise an einer Position hinter dem Brennpunkt angeordnet, wo das zurückkehrende Licht L4 die Breite D' der Lichtempfangsfläche abdeckt. Diese Distanz von der Sammellinse 42 zum Lichtempfangselement 43 wird mit d' angenommen. Das Lichtempfangselement 43 könnte auch vor dem Brennpunkt angeordnet sein, sodass es einen kleineren Wert von d' ermöglicht, um die Größe des Apparats zu verringern. Vom Standpunkt einer Verringerung des Einflusses des Umgebungslichts gesehen, ist es jedoch weiterhin bevorzugt, das Lichtempfangselement 43 hinter dem Brennpunkt anzuordnen.
Im Objektdetektionsapparat 10 fällt nicht nur das zurückkehrende Licht L4, sondern auch das Umgebungslicht aus verschiedenen Richtungen ein. Gewisse Abschnitte des Umgebungslichts können die Lichtempfangseinheit 40 entlang desselben oder ungefähren Strahlengangs wie jenem des zurückkehrenden Lichts L4 erreichen. Unter Berücksichtigung der geraden Ausbreitungseigenschaft von Licht erreichen die Hauptstrahlen von Umgebungslicht X innerhalb des Abbildungswinkels ϕ, angegeben mit der Fläche unterbrochener Linien in 16 (die natürlich die Strahlen von Umgebungslicht parallel zu diesen Hauptstrahlen von Umgebungslicht X enthält), die durch die Mitte der Sammellinse 42 gehen, auch das Lichtempfangselement 43. Der Wert von ϕ kann annähernd aus ϕ = arctan(D'/d') berechnet werden, wobei das Symbol „arctan“ die Operation der Bogentangente angibt.
Falls eine APD als das Lichtempfangselement 43 verwendet wird, ist ein allgemeiner Durchmesser der effektiven Lichtempfangsfläche etwa 0,08 mm. Unter der Annahme, dass d' = 50 mm wird ϕ ≈ 0,1 Grad erhalten und es würde nur das Umgebungslicht innerhalb dieses begrenzten Bereichs im Lichtempfangselement 43 empfangen werden. Daher ist der Einfluss des Umgebungslichts X während der Objektdetektion begrenzt.
Wenn jedoch SiPM als das Lichtempfangselement 43 verwendet wird, wird der äquivalente Durchmesser der effektiven Lichtempfangsfläche zum Beispiel mit etwa 1,3 mm angenommen, wobei im Fall von d' = 50 mm ϕ ≈ 1,5 Grad erhalten werden und das Umgebungslicht innerhalb eines beachtlich breiten Einfallswinkels das Lichtempfangselement 43 erreicht. Da SiPM eine extrem hohe Empfindlichkeit hat, wird das Lichtempfangselement 43 leicht durch das Umgebungslicht X gesättigt, wenn das Sonnenlicht stark ist. Unter diesen Umständen könnte das zurückkehrende Licht L4 nicht detektiert werden und die Reichweitendetektion könnte auch nicht so gut durchgeführt werden.
Daher tritt in der in 16 beschriebenen Konfiguration die Schwierigkeit auf, falls SiPM als das Lichtempfangselement des Objektdetektionsapparats direkt verwendet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das oben angeführte Problem durch Einführen einer Apertur 44 auf der Brennebene der Sammellinse 42 gelöst.
Der Punkt wird in 17 und 18 beschrieben. 17 ist eine Darstellung des Strahlengangs des zurückkehrenden Lichts L4 durch die Sammellinse 42, falls die Apertur 44 implementiert ist. 18 ist eine Darstellung der Anordnung eines Lichtdurchgangsbereichs der Apertur 44.
Die Apertur 44 auf der Brennebene der Sammellinse 42 umfasst einen Lichtdurchgangsbereich (eine Öffnung) 44a, die das zurückkehrende Licht L4 bis 20 hindurchgehen lässt, und ein anderer Abschnitt verhält sich als ein Lichtblockbereich 44b.
Das zurückkehrende Licht L4, das tatsächlich zurückkehrt, ist ungefähr im Sichtfeld mit dem Divergenzwinkel α beschränkt, wo es der Anordnungsrichtung der Lichtausstrahlungspunkte 21a1 bis 21a3 entspricht. Selbst ohne Berücksichtigung der Aberration der Sammellinse 42 zeigt ein Bild, das auf der Brennebene gebildet wird, auf Basis der Vorhersage der geometrischen Optik nicht auf den Brennpunkt, sondern einen Streuungspunkt, der eine ungefähre Größe von f × tan α hat, entlang der Anordnungsrichtung der Lichtausstrahlungspunkte 21a1 bis 21a3. Damit das gesamte zurückkehrende Licht L4 bis 40 hindurchgehen kann, muss daher die Minimalgröße D des Lichtdurchgangsbereichs 44a, der in der Richtung entsprechend der Anordnungsrichtung der Lichtausstrahlungspunkte 21a1 bis 21a3 definiert ist, auch f × tan α sein. Unter Berücksichtigung der Montagetoleranz ist jedoch die Größe D vorzugsweise größer als die bestimmte Minimalgrenze.
Andererseits ist das gesamte Sichtfeld, wo das Umgebungslicht X durch den Lichtdurchgangsbereich 44a der Apertur 44 hindurchgehen kann, durch β = arctan(D/d) bestimmt, wo das Symbol d (gleich der Brennweite f der Sammellinse 42 in der in 17 angegebenen Ausführungsform) die Distanz von der Sammellinse 42 zur Apertur 44 ist. Falls D ziemlich groß ist, wird daher der Einfluss des Umgebungslicht auch groß. Basierend auf einer Simulation durch die Erfinder kann der Objektdetektionsapparat 10 unter Berücksichtigung einer Toleranz relativ leicht mit hoher Produktivität zusammengebaut werden, wenn die Größe D des Lichtdurchgangsbereichs 44a in einem Bereich von 1 ≤ β/α ≤ 3 ist, und der Apparat mit hoher Zuverlässigkeit wird relativ leicht erreicht, mit dem Ergebnis, den Einfluss des Umgebungslichts zu verringern.
Mit dem Vorteil der Apertur 44 ist es möglich, das Umgebungslicht außerhalb des Betrachtungswinkels β des Lichtdurchgangsbereichs 44a zu blockieren, wie in gestrichelten Linien in 19 dargestellt, und dieses ferner daran zu hindern, das Lichtempfangselement 43 zu erreichen. Eine intuitivere Erklärung ist wie in 20 dargestellt, die eine Vorderansicht der Brennebene darstellt. Verglichen mit der herkömmlichen Konfiguration in 16 würde das Umgebungslicht X, das in der Schattenfläche zwischen dem Betrachtungswinkel ϕ und dem Betrachtungswinkel β einfällt, der von der optischen Achse der Sammellinse 42 definiert ist, durch die Apertur 44 blockiert werden, wie in 20 dargestellt. Andererseits würde das zurückkehrende Licht L4, das innerhalb des Betrachtungswinkels (Divergenzwinkels) α einfällt, durch die Apertur 44 hindurchgehen und ferner auf das Lichtempfangselement 43 fallen (freie Fläche im Inneren des Betrachtungswinkels β) und detektiert werden. Natürlich ist dies kein Thema, wenn die Apertur 44 auch das Umgebungslicht über den Betrachtungswinkel ϕ hinaus blockiert.
Die Anordnung der Apertur 44 hat keinen ernsthaften Einfluss auf die Kosten und erhöht die Schwierigkeiten bei der Herstellung nicht. Daher kann angenommen werden, dass der Beitrag der Apertur 44 nicht nur günstig ist, um den Einfluss des Umgebungslichts in leichter und kostengünstigen Weise zu verringern, sondern auch die Vorzüge eines Objektdetektionsapparats mit dem Vorteil der hohen Empfindlichkeit eines SiPM-Elements mit sich bringt. Natürlich gibt es keine Einschränkung, ein SiPM zu verwenden und es sind auch andere Lichtempfangselemente in der vorliegenden Erfindung annehmbar.
Es sollte festgehalten werden, dass die Apertur 44 nicht auf jene beschränkt ist, die auf der Brennebene der Sammellinse 42 liegt, wie in 17 dargestellt. Das zurückkehrende Licht L4 wird auf den kleinsten Punkt auf der Brennebene konvergiert, sodass die entsprechende Größe des Lichtdurchgangsbereichs 44a der Apertur 15 44 kleiner gestaltet werden kann und höchst effizient das Umgebungslicht blockiert, wenn die Apertur 44 auf der Brennebene liegt. Die Apertur 44 könnte an einer Position, die leicht von der Brennebene versetzt ist, entworfen werden, falls andere Montagethemen berücksichtigt werden, solange der Lichtdurchgangsbereich 44a entsprechend der Größe des Punkts des zurückkehrenden Lichts L4 an dieser Position entworfen wird, kann bis zu einem gewissen Grad derselbe Vorteil erzielt werden. Falls die Verschiebung den Entwurf der Größe des Lichtdurchgangsbereichs 44a fast nicht beeinflusst, ist dies natürlich der Bedingung äquivalent, in der die Apertur 44 auf der Brennebene liegt.
In der Lichtempfangseinheit 40 nicht durch 17 dargestellt, sollte daran gedacht werden, dass das Durchgangsloch 41a um den Mittelabschnitt des Spiegels 41, das den ausgestrahlten Laserstrahl L1 hindurchgehen lässt, eine außer Kraft gesetzte Fläche ist, um das zurückkehrend Licht L4 zur Sammellinse 42 zu leiten. Da das zurückkehrende Licht L4 durch einen solchen Abschnitt des Durchgangslochs 41a, nicht reflektiert wird, wird der Punkt, der auf das Lichtempfangselement 43 fällt, unter diesen Umständen mit einer Schattenfläche entsprechend dem Durchgangsloch 41a gebildet. Daher trägt diese Schattenfläche nicht zu einem effektiven Ausgang bei, belegt aber weiterhin einige Flächen des Lichtempfangselements 43, wodurch im Wesentlichen dessen Detektionsempfindlichkeit verringert wird.
Daher, wie in 21 dargestellt, ist bevorzugt, ein Lichtdiffusionselement 46 zwischen der Apertur 44 und dem Lichtempfangselement 43 anzuwenden, um das zurückkehrende Licht L4, bevor es das Lichtempfangselement 43 erreicht, in einem Ausmaß zu streuen, wo die Stärkenverteilung des zurückkehrenden Lichts L4 im Allgemeinen auf der gesamten Lichtempfangsfläche des Lichtempfangselements 43 gleichförmig wird, um so eine Abnahme der Detektionsempfindlichkeit zu verhindern. Es ist bevorzugt, dass das Lichtdiffusionselement 46 ein Mattglas oder ein holographischer Diffusor ist.
[Ausführungsformen mit anderen Modifizierungen]
Es wurden die Ausführungsformen in der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sollte festgehalten werden, dass die konkrete Konfiguration des Objektdetektionsapparats, die konkrete Prozedur der Operationen, die Größe jeder Einheit und die Werte anderer Parameter oder die konkreten Formen von Komponenten und so weiter nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sind.
Als ein Beispiel könnte die Sammellinse 42 oder die optische Baugruppe 23 nicht nur durch eine einzige Linse, sondern auch durch die Kombination einer Vielzahl von Linsen gebildet sein.
Die erfindungsgemäßen, in den vorangehenden Abschnitten beschriebenen Eigenschaften können als unabhängige Elemente von einer solchen speziellen Anwendung des Objektdetektionsapparats getrennt und bei einem anderen Apparat oder System angewendet werden. Insbesondere können die Lichtempfangseinheit 40, das Stellglied 300, die beweglichen Elemente 320, 330 und so weiter im Handel als unabhängige Komponente vertrieben werden. Zusätzlich ist ihre Verwendung nicht auf den Objektdetektionsapparat beschränkt.
Der oben beschriebene Objektdetektionsapparat 10 kann in einer kompakten Größe gestaltet sein, die in der Hand getragen werden kann, und ist für die Anwendung bei einem autonom fahrenden Fahrzeug zur Hindernisdetektion geeignet, ohne aber darauf beschränkt zu sein. Der Objektdetektionsapparat 10 kann auch an einem Mast, einer Wand oder dergleichen zu stationären Überwachungszwecken montiert sein.
Die Ausführungsform eines Software-Programms in der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rechner oder eine Vielzahl von Rechnern zur gemeinsamen Steuerung einer speziellen Hardware verwendet, wodurch die Einstellung des Lichtausstrahlungszeitpunkts des LD-Moduls 21 im Objektdetektionsapparat 10 und/oder die Ausführung der zugehörigen Prozesse, die in den Ausführungsformen beschrieben sind, erreicht wird.
Das Programm könnte im ROM oder anderen nicht flüchtigen Speichermedien (Flash-Speicher, EEPROM oder dergleichen), die in einem Rechner vorbestimmt sind, gespeichert sein. Das Programm könnte auch einem externen beliebigen nicht flüchtigen Speichermedium zugeleitet und in diesem aufgezeichnet sein, wie einer Speicherkarte, einer CD, DVD, Blu-Ray Disc oder dergleichen. Es ist auch möglich, es von einem externen Apparat durch ein Netzwerk herunterzuladen und in einem Rechner zu installieren, wobei es dann von einem solchen Rechner ausgeführt wird.
Natürlich können die Konfigurationen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen und ihrer modifizierten Substanzen, falls sie keinen Widerspruch aufweisen, in jeder Kombination implementiert werden oder durch Weglassen einiger Teile implementiert werden.
Bezugszeichenliste
10... Objektdetektionsapparat, 20... Lichtprojektionseinheit, 21... LD-Modul, 22... Laseransteuerungsschaltkreis, 23... optische Lichtprojektionsbaugruppe, 30... Abtastbaugruppe, 31... Spiegel, 32... Stellglied, 40... Lichtprojektionseinheit, 41, 48... Spiegel, 42... Sammellinse, 43... Lichtempfangselement, 44... Apertur, 46... Lichtstreuungselement, 51... Frontend-Schaltkreis, 52... TDC-Schaltkreis, 53... Prozessorschaltkreis, 54... Eingabe/Ausgabe-Einheit, 61... obere Abdeckung, 62... hintere Abdeckung, 63... Abdeckungsklemme, 64... Austrittsfenster, 70... Sichtfeld, 71... Abtastlinie, 72... Punkt, 300, 380... Stellglied, 301, 381... Spiegel, 304, 384... Drehachse, 311... Kernjoch, 312... Rahmenjoch, 313... Spulenbaugruppe, 314... oberes Joch, 315... Schraube, 316... Antriebsspule, 317... Erfassungsspule, 320... bewegliches Element, 321... Permanentmagnet, 321s... S-Pol, 321n... N-Pol, 322... Torsionsfeder, 323... Fixierungshalterung, 351... Steuerschaltkreis, 352... Ansteuersignalerzeugungsschaltkreis, 353... Ansteuersignal, 354... Detektionsschaltkreis, 355... ADC, 356... Speicher für wechselseitig induzierte Spannungswellenform, 357... Differenzberechnungseinheit, 358... Pulsgenerator, 382... Welle, 383... Halterung, L1... Laserstrahl, L2... ausgestrahltes Licht, L3, L4... zurückkehrendes Licht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8767190 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Cristiano Niclass, et al., „A 100-m Range 10-Frame/s 340 × 96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18-µm CMOS“, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Institute of Electrical and Electronics Engineers, FEBRUAR 2013, Band 48, Nr. 2, S. 559-572 [0008]
Shimizu, Naoshige „Redundant system and LiDAR to realize level 3, Audi becomes pioneer of autonomous driving“ Nikkei Automotive, Nikkei Business Publications, September, 2017, S. 22-23 [0008]

Claims

Objektdetektionsvorrichtung (10), aufweisend: eine optische Baugruppe (30), die dazu konfiguriert ist, einen Laserstrahl (L1, L2) nach außen zu projizieren; eine Abtastbaugruppe (32), die dazu konfiguriert ist, periodisch eine Projektionsrichtung des Laserstrahls (L2) zu ändern; ein Lichtempfangselement (43); eine optische Lichtempfangsbaugruppe (40), die dazu konfiguriert ist, ein einfallendes Licht (L4) zum Lichtempfangselement (43) zu leiten; und eine Objektdetektionsbaugruppe (51 bis 53), die dazu konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt, das entlang eines Strahlengangs des projizierten Laserstrahls (L2) liegt, und eine Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis einer Projektionszeit und der Projektionsrichtung des Laserstrahls (L2) und einer Zeit, zu der ein Lichtdetektionssignal vom Lichtempfangselement (43) ausgegeben wird, zu detektieren, wobei die Abtastanordnung (32) Folgendes aufweist: eine Torsionsfeder (302), die mit einem Trägerelement (314) gekoppelt ist; einen Spiegel (301), der an eine erste Seite der Torsionsfeder (302) gekoppelt und dazu konfiguriert ist, den Laserstrahl (L2) zu reflektieren; einen Permanentmagneten (321), der an eine zweite Seite der Torsionsfeder (302) gekoppelt ist, wobei der Permanentmagnet (321) mit seinem N-Pol (321n) und seinem S-Pol (321s) über eine Drehachse (304) der Torsionsfeder (302) hinweg angeordnet ist; eine Antriebsspule (316), die zum Permanentmagneten (321) zeigt und an der ersten Seite der Torsionsfeder (302) über den Permanentmagneten (321) hinaus liegt; eine Magnetsubstanzanordnung (312, 314), die die Antriebsspule (316) umgibt; und eine Ansteuerungsschaltung (352), die dazu konfiguriert ist, ein Ansteuerungssignal (353), das periodisch eine Spannung oder einen Strom variiert, an die Antriebsspule (316) anzulegen; eine Geschwindigkeitsdetektionsschaltung (351, 354 bis 357), die dazu konfiguriert ist, eine Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels (301) zu detektieren; und eine Pulssteuerung (351, 358), die dazu konfiguriert ist, ein Pulsintervall des Laserstrahls (L1, L2), der durch die optische Baugruppe (30) projiziert wird, auf Basis der Bewegungsgeschwindigkeit zu steuern, die durch den Geschwindigkeitsdetektionsschaltkreis (351, 354 bis 357) detektiert wird, wobei sich der Spiegel (301) entsprechend dem Ansteuerungssignal (353), das durch die Ansteuerungsschaltung (352) angelegt wird, hin- und herbewegt.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Abtastanordnung (32) ferner eine Erfassungsspule (317) mit einem gemeinsamen Kernelement (311a) der Antriebsspule (316) umfasst, die Geschwindigkeitsdetektionsschaltung (351, 354 bis 357) dazu konfiguriert ist, die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels (301) auf Basis einer Spannung oder eines Stroms zu detektieren, die bzw. der in der Erfassungsspule (317) erzeugt wird, und die Pulssteuerung (351, 358) dazu konfiguriert ist, das Pulsintervall des Laserstrahls (L1, L2), der durch die optische Baugruppe (30) projiziert wird, auf Basis des Spannungspegels oder des Strompegels, der durch die Geschwindigkeitsdetektionsschaltung (351, 354 bis 357) detektiert wird, zu steuern.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Pulssteuerung (351, 358) konfiguriert ist, ein kürzeres Pulsintervall anzunehmen, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem ersten Pegel ist, der anzeigt, dass sich der Spiegel (301) nahe einem Mittelpunktabschnitt entlang eines Pfades der Hin- und Herbewegung befindet, und konfiguriert ist, ein längeres Pulsintervall zu verwenden, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem zweiten Pegel ist, der anzeigt, dass sich der Spiegel (301) nahe einem Endabschnitt des Pfades der Hin- und Herbewegung befindet.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei Endabschnitte der Magnetsubstanzbaugruppe zum N-Pol (321n) bzw. zum S-Pol (321s) des Permanentmagneten (321) zeigen und sich an Positionen befinden, die über eine Mittellinie (321x) des Permanentmagneten (321) entlang des N-Pols (321n) und des S-Pols (321s) hinaus liegen.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Magnetsubstanzbaugruppe (314) ferner Hebeabschnitte (314d) umfasst, die entlang einer verlängerten Richtung zu einem beweglichen Element (320) hin liegen, wobei das bewegliche Element (320) die Torsionsfeder (302), den Spiegel (301) und den Permanentmagneten (321) umfasst, und Endabschnitte der Hebeabschnitte (314d), die zum N-Pol (321n) bzw. zum S-Pol (321s) des Permanentmagneten zeigen, an Positionen liegen, die über die Mittellinie (321x) des Permanentmagneten (321) entlang des N-Pols (321n) und des S-Pols (321s) hinaus liegen.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Torsionsfeder (302) eine gefaltete Form mit einer geraden gefalteten Spitze (302c) aufweist und der Permanentmagnet (321) mit einer gegenüberliegenden Seite der gefalteten Spitze (302c) gekoppelt ist, wobei sein N-Pol (321n) und S-Pol (321s) über die gefaltete Spitze hinweg angeordnet sind.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die gefaltete Spitze (302c) einen V-förmigen Querschnitt aufweist.
Objektdetektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Ende einer Achse der Antriebsspule (316) zu einem Mittelpunkt des N-Pols (321n) und des S-Pols (321s) des Permanentmagneten zeigt.
Steuerverfahren für eine Objektdetektionsvorrichtung (10), wobei die Objektdetektionsvorrichtung (10) Folgendes aufweist: eine optische Baugruppe (30), die dazu konfiguriert ist, einen Laserstrahl (L1, L2) nach außen zu projizieren; eine Abtastbaugruppe (32), die konfiguriert ist, periodisch eine Projektionsrichtung des Laserstrahls (L2) zu ändern; ein Lichtempfangselement (43); eine optische Lichtempfangsbaugruppe (40), die konfiguriert ist, ein einfallendes Licht (L4) zum Lichtempfangselement (43) zu leiten; und eine Objektdetektionsbaugruppe (51 bis 53), die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt, das entlang eines Strahlengangs des projizierten Laserstrahls (L2) liegt, und eine Richtung, in der das Objekt liegt, auf Basis eines Projektionszeitpunkts und der Projektionsrichtung des Laserstrahls (L2) und eines Zeitpunkts, zu dem ein Lichtdetektionssignal vom Lichtempfangselement (43) ausgegeben wird, zu detektieren, wobei die Abtastanordnung (32) Folgendes aufweist: eine Torsionsfeder (302), die mit einem Trägerelement (314) gekoppelt ist; einen Spiegel (301), der an eine erste Seite der Torsionsfeder (302) gekoppelt und konfiguriert ist, den Laserstrahl (L2) zu reflektieren; einen Permanentmagneten (321), der an eine zweite Seite der Torsionsfeder (302) gekoppelt ist, wobei der Permanentmagnet (321) mit seinem N-Pol (321n) und seinem S-Pol (321s) über eine Drehachse (304) der Torsionsfeder (302) hinweg angeordnet ist; eine Antriebsspule (316), die zum Permanentmagneten (321) zeigt und an der ersten Seite der Torsionsfeder (302) über den Permanentmagneten (321) hinaus liegt; eine Magnetsubstanzanordnung (312, 314), die die Antriebsspule (316) umgibt; und eine Ansteuerungsschaltung (352), die dazu konfiguriert ist, ein Ansteuerungssignal (353), das periodisch eine Spannung oder einen Strom variiert, an die Antriebsspule (316) anzulegen, wobei sich der Spiegel (301) entsprechend dem Ansteuerungssignal (353), das durch die Ansteuerungsschaltung (352) angelegt wird, hin- und herbewegt, wobei das Steuerverfahren Folgendes aufweist: Detektieren einer Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels (301); und Steuern eines Pulsintervalls des Laserstrahls (L1, L2), der durch die optische Baugruppe (30) projiziert wird, auf Basis der Bewegungsgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abtastanordnung (32) ferner eine Erfassungsspule (317) mit einem gemeinsamen Kernelement (311a) der Antriebsspule (316) aufweist und wobei die Steuerung das Pulsintervall des Laserstrahls (L1, L2) auf Basis des Spannungs- oder Strompegels steuert, der in der Erfassungsspule (317) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Steuerung das Pulsintervall steuert, um kürzer zu sein, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem ersten Pegel ist, der anzeigt, dass sich der Spiegel (301) nahe einem Mittelpunktabschnitt entlang eines Pfades der Hin- und Herbewegung befindet, und das Pulsintervall steuert, länger zu sein, wenn die detektierte Spannung oder der detektierte Strom bei einem zweiten Pegel ist, der anzeigt, dass sich der Spiegel (301) nahe einem Endabschnitt des Pfades der Hin- und Herbewegung befindet
Nicht flüchtiges maschinenlesbares Speichermedium, enthaltend Programmanweisungen, die durch einen Rechner ausführbar sind, und wenn diese ausgeführt werden, einen Rechner oder mehrere Rechner in Zusammenarbeit veranlassen, erforderlich Hardware zu steuern und das Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 auszuführen.