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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmesseinheit zur signallaufzeitbasierten Abstandsmessung.
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Stand der Technik
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Die in Rede stehende Abstandsmessung beruht auf einer Laufzeitmessung ausgesandter elektromagnetischer Pulse. Treffen diese auf ein Objekt, so wird an dessen Oberfläche der Puls anteilig zurück zu der Abstandsmesseinheit reflektiert und kann als Echopuls mit einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses zu einem Zeitpunkt
t0 und wird der Echopuls zu einem späteren Zeitpunkt
t1 erfasst, kann der Abstand d zu der reflektierenden Oberfläche des Objekts über die Laufzeit Δt
A = t
1 - t
0 nach
bestimmt werden. Da es sich um elektromagnetische Pulse handelt, ist c der Wert der Lichtgeschwindigkeit.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Abstandsmesseinheit anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit der Abstandsmesseinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Erfassungsfeld dieser Abstandsmesseinheit ist in mehrere Emitter-Raumwinkelsegmente untergliedert, was mit einer raumwinkelselektiven Emittereinheit erreicht wird. Diese emittiert sequenziell in die einzelnen Emitter-Raumwinkelsegmente, und es wird jeweils für eine bestimmte Pausendauer „gelauscht“, ob aus einem jeweiligen Raumwinkelsegment ein Echopuls zurückkommt. Dies ergibt eine Raumwinkelauflösung auf einer Scan-Achse, entlang welcher die Emitter-Raumwinkelsegmente aufeinanderfolgen. Bildlich gesprochen können die Emitter-Raumwinkelsegmente als Keile betrachtet werden, die entlang der Scan-Achse aneinander gesetzt das Erfassungsfeld auffächern.
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Die Abstandsmesseinheit weist ferner eine Empfängereinheit mit einer sensitiven Sensorfläche sowie eine Optik auf, welche das Erfassungsfeld auf die Sensorfläche abbildet (bzw. die Sensorfläche in das Erfassungs- bzw. Fernfeld). Die Optik kann einerseits erforderlich sein, um die Echopulse auf die Sensorfläche zu führen und damit überhaupt erfassbar zu machen. Andererseits bedingt die abbildende Optik notwendigerweise eine Raumwinkel/Orts-Konversion, wird also die Raumwinkelverteilung des Erfassungsfelds in eine Ortsverteilung auf der Sensorfläche umgesetzt. Aus den unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmenten einfallende Echopulse werden folglich auf einen jeweils anderen Bereich der Sensorfläche geführt, was zunächst als störend betrachtet werden könnte (größere Sensorfläche erforderlich etc.).
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Eine Grundidee vorliegend besteht darin, diese auf der Sensorfläche resultierende Ortsverteilung geschickt zu nutzen, um im Zuge der Auswertung zusätzliche Information zu gewinnen. Wird die Raumwinkelselektivität der Emittereinheit bspw. mit einer verkippbaren Spiegelfläche realisiert (siehe unten), kann die Zusatzinformation bspw. zur Ermittlung der Spiegelposition genutzt werden (alternativ zu einem positionssynchronen Sync-Signal oder in Verbindung damit zur Diagnose). Erfindungsgemäß ist hierfür die Sensorfläche in mindestens zwei Pixel untergliedert und grenzen diese in einer Trennlinie aneinander, die schräg zu einer Scan-Linie liegt. Letztere ergibt sich als Verbindungslinie der einzelnen Bereiche der Sensorfläche, die über die abbildende Optik jeweils mit einem eigenen der Emitter-Raumwinkelsegmente verknüpft sind, konkret als Linie durch die Flächenschwerpunkte der Bereiche. Ist also „mittig“ im jeweiligen Emitter-Raumwinkelsegment, soweit dieses auf den entsprechenden Bereich abgebildet wird, ein Objekt angeordnet, wird dieses auf die Scan-Linie und konkret den Flächenschwerpunkt des jeweiligen Bereichs abgebildet.
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Bezogen auf diese Scan-Linie, entlang welcher bildlich gesprochen die Echopulse über die Sensorfläche wandern, ist die Trennlinie zwischen den mindestens zwei Pixeln schräg orientiert, jedenfalls in einem oder mehreren Abschnitten. Die Trennlinie erstreckt sich also weder gänzlich parallel noch im Gesamten senkrecht zur Scan-Linie. Bevorzugt schneiden sich die Linien jedenfalls einmal, je nach Ausgestaltung auch mehrfach (vgl. 9 zur Illustration) .
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Mit der Unterteilung der Sensorfläche in Pixel lässt sich für jedes Pixel ein gesonderter Signalanteil auslesen. Unterstellt man zur Illustration, dass ein Echopuls in einem Spot auf der Sensorfläche eine gleichmäßige Bestrahlungsstärkeverteilung erzeugt, so bestimmt sich der mit einem jeweiligen Pixel erfasste Signalanteil nach dem Flächenanteil, zu welchem der Spot auf dem jeweiligen Pixel liegt (soweit man ferner für die Pixel dieselbe Sensitivität unterstellt, was bevorzugt, im Allgemeinen aber nicht zwingend ist). Wandert der Spot im Zeitverlauf entlang der Scan-Linie, weil die Echopulse aus den unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmenten zurückkommen, ändern sich aufgrund der schräg orientierten Trennlinie die mit den Pixeln jeweils erfassten Signalanteile (soweit man ein über zumindest einige Raumwinkelsegmente hinweg einigermaßen gleichförmig ausgedehntes Objekt im Erfassungsfeld unterstellt).
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Aus den in einem jeweiligen Zeitpunkt erfassten Signalanteilen bzw. auch deren Veränderung im Zeitverlauf kann damit bspw. ermittelt werden, in welchem Bereich der Sensorfläche die jeweilige Strahlungsleistung erfasst wird, aus welchem Emitter-Raumwinkelsegment also der entsprechende Echopuls stammt. Damit lässt sich bspw. die Funktion der raumwinkelselektiven Emittereinheit, insbesondere einer verkippbaren Spiegelfläche, überprüfen bzw. - wachen. Werden z. B. Laserpulse emittiert, könnte ein Spiegelstillstand zu einer deutlich überhöhten Laserleistung in dem entsprechenden Emitter-Raumwinkelsegment führen, was ein photobiologisches Risiko darstellen kann (Augensicherheit) . Dies ist eine Möglichkeit zur Nutzung des Erfindungsgegenstands, bezüglich der Möglichkeiten im Hinblick auf eine „Auflösungsverbesserung“ wird auf die nachstehende Beschreibung verwiesen.
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Zur Illustration, die Größe der Sensorfläche, die im Einzelnen auch von der Auflösung der Optik und dem Scanwinkel (Öffnungswinkel des Erfassungsfelds in Scanrichtung) abhängen kann, kann z. B. entlang der Scan-Achse bzw. Scan-Linie mindestens 1.000 µm betragen (mit einer möglichen Obergrenze bei höchstens 2.500 µm) und senkrecht dazu bspw. mindestens 100 µm (mit einer möglichen Obergrenze bei höchstens 500 µm). In dem letztgenannten Bereich (100 µm bis 500 µm) liegt dann auch idealerweise die Größe eines Echopuls-Spots, der näherungsweise kreisförmig sein kann.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird also bspw. eine für einen bestimmten Betrieb geeignete Abstandsmesseinheit beschrieben, ist darin zugleich eine Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu sehen, und umgekehrt.
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Die abbildende Optik verknüpft ein jeweiliges Emitter-Raumwinkelsegment (im Folgenden auch nur „Raumwinkelsegment“ bzw. „Segment“) mit der Sensorfläche, womit deren einzelne Bereiche festgelegt sind. Die Gliederung des Erfassungsfelds in die Raumwinkelsegmente wiederum ergibt sich aus der raumwinkelselektiven Emittereinheit. Generell kann eine bevorzugte Anwendung der Abstandsmesseinheit im Automobilbereich liegen, wobei das Erfassungsfeld dann bevorzugt in horizontaler Richtung in die Emitter-Raumwinkelsegmente untergliedert ist. Wie nachstehend im Einzelnen erläutert, kann es bevorzugt auch empfängerseitig eine weitergehende Untergliederung geben, kann die Empfängereinheit nämlich mehrere Sensorflächen aufweisen (die dann ihrerseits wiederum jeweils in Pixel unterteilt sein können). Im eben genannten Beispiel wäre das Erfassungsfeld dann empfängerseitig bevorzugt in vertikaler Richtung untergliedert, womit insgesamt eine matrixförmige bzw. zweidimensionale Auflösung erreicht werden kann.
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Die abbildende Optik, welche das Erfassungsfeld mit der bzw. den Sensorflächen verknüpft, kann im Allgemeinen auch reflektiv ausgeführt sein, also eine Spiegelfläche aufweisen. Bevorzugt ist eine ausschließlich refraktive Optik. Es kann bspw. eine Sammellinse, die auch als Linsensystem aus mehreren Einzellinsen aufgebaut sein kann, das Erfassungsfeld auf die Sensorfläche(n) abbilden, was funktional einer Fourier-Transformation entspricht.
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Die „schräge“ Trennlinie kann allgemein mit der Scan-Linie einen Winkel von z. B. mindestens 10° bzw. 20° einschließen, wobei mögliche (davon unabhängige) Obergrenzen bspw. bei höchstens 80°, 70° bzw. 60° liegen können (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Dabei wird der kleinere von zwei Winkeln betrachtet, den die Linien miteinander einschließen. Die entsprechenden Wertebereiche sollen auch hinsichtlich einer sich nur abschnittsweise schräg erstreckenden Trennlinie offenbart sein (und entsprechend in zumindest einem Abschnitt gelten). Im Falle einer sich nicht geradlinig, sondern gekrümmt erstreckenden Trennlinie wird der Winkel zwischen einer Tangente daran und der Scan-Linie genommen.
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Im Allgemeinen kann die raumwinkelselektive Emission auch dahingehend bewerkstelligt werden, dass mehrere Einzelemitter vorgesehen sind, denen jeweils ein eigenes Raumwinkelsegment zugeordnet ist. Im Betrieb emittieren die Emitter dann nacheinander in ihr jeweiliges Raumwinkelsegment. Dazu können die Einzelemitter bspw. in einer Reihe nebeneinander angeordnet sein und kann diese Ortsverteilung dann z. B. mit einer gemeinsamen Optik in die Raumwinkelverteilung umgesetzt werden (im Allgemeinen könnte hierfür auch jedem Einzelemitter eine eigene Optik zugeordnet sein). Als entsprechende Emitteroptik kann bspw. eine Sammellinse (bzw. ein Linsensystem) vorgesehen sein, welche die Emissionsflächen dann bspw. ins Unendliche abgebildet.
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Es können bspw. mindestens 10, 20 bzw. 30 Einzelemitter in einer Zeile nebeneinander angeordnet sein (mit möglichen Obergrenzen bei höchstens 1000, 500 bzw. 100). Im Allgemeinen ist auch eine einzige Zeile denkbar, bevorzugt kann es bspw. mindestens 2 bzw. 3 Zeilen geben (mit möglichen Obergrenzen bei bspw. höchstens 50, 40, 30 bzw. 10) .
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Raumwinkelselektivität der Emittereinheit jedoch mit einer Spiegeleinheit realisiert, über welche die Pulse von dem Emitter in das Erfassungsfeld reflektiert werden. Die Spiegeleinheit hat unterschiedliche Kippzustände, ein jeweiliger Kippzustand verknüpft ein jeweiliges Raumwinkelsegment mit dem Emitter. Auch in diesem Fall ist als Emitter eine Laserquelle bevorzugt, die bspw. auch aus mehreren Einzelemittern aufgebaut sein kann, z. B. mehreren Laserdioden (zur Leistungserhöhung). Die einzelnen Laserstrahlenbündel können bspw. mit einer Strahlkompressionsoptik zusammengeführt und in überlagerter Form auf die Spiegeleinheit gebracht werden. Dies ist aber im Allgemeinen nicht zwingend, der Erfindungsgedanke lässt sich auch mit einer Einzellaserquelle realisieren.
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Die Spiegeleinheit kann generell bspw. auch mit mehreren jeweils gesondert stellbaren Spiegelflächen realisiert sein, denen jeweils eines der Emitter-Raumwinkelsegmente zugeordnet ist. In einer passenden Kippstellung der jeweiligen Spiegelfläche wird der vom Emitter einfallende Puls dann in das Raumwinkelsegment reflektiert (in einem anderen Stellzustand nicht, woraus sich die unterschiedlichen Kippzustände ergeben).
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In bevorzugter Ausgestaltung weist die Spiegeleinheit eine verkippbare Spiegelfläche auf, die je nach Kippstellung den vom Emitter einfallenden Puls in ein jeweiliges Raumwinkelsegment emittiert. Die Spiegelfläche nimmt unterschiedliche Kippstellungen ein, jede entspricht einem Raumwinkelsegment. Bevorzugt kann dabei ein schwingender Betrieb sein, kann die Spiegelfläche also oszillierend zwischen zwei Maximal-Kippstellungen hin- und herbewegt werden. Die einzelnen Kippstellungen werden also in einer schwingenden Bewegung durchlaufen. Im Unterschied zu der im vorherigen Absatz diskutierten Möglichkeit (mehrere Spiegelflächen, blindgeschaltet wenn das jeweilige Segment nicht bepulst wird) kann ein Vorteil bspw. in einer besseren Effizienz liegen, weil immer die gesamte Laserleistung in das der jeweiligen Kippstellung entsprechende Raumwinkelsegment gelangt (wohingegen die Laserleistung im Falle der blindgeschalteten Spiegelflächen verloren ist) .
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Generell kann hinsichtlich der Raumwinkelselektivität, die mit einer Spiegeleinheit realisiert wird, ein Vorteil des vorliegenden Gegenstands in deren Detektierbarkeit bzw. Überwachbarkeit liegen. Etwa im Falle der verkippbaren Spiegelfläche kann die Positionsbestimmung des jeweiligen Echopulses und damit Raumwinkelsegmentzuordnung bspw. ein Auslesen der Spiegelstellung sogar auch ersetzen, muss also bspw. kein positionssynchrones Sync-Signal erfasst werden (was Kostenvorteile bieten kann). Insbesondere aufgrund der Sicherheitsrelevanz kann der vorliegende Gegenstand aber auch eine anderweitige Positionsbestimmung ergänzen und somit eine Diagnose- bzw. Überwachungsmöglichkeit eröffnen.
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Auch unabhängig davon, wie die Raumwinkelselektivität emitterseitig im Einzelnen realisiert ist, handelt es sich bei der Strahlung bevorzugt um Infrarotstrahlung, also Wellenlängen von bspw. mindestens 600 nm, 650 nm, 700 nm, 750 nm, 800 nm bzw. 850 nm (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Besonders bevorzugt können bspw. rund 905 nm sein, wobei insofern vorteilhafte Obergrenzen bei höchstens 1100 nm, 1050 nm, 1000 nm bzw. 950 nm liegen können (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Ein weiterer bevorzugter Wert kann bspw. bei rund 1064 nm liegen, was vorteilhafte Untergrenzen von mindestens 850 nm, 900 nm, 950 nm bzw. 1000 nm ergibt und (davon unabhängige) vorteilhafte Obergrenzen von höchstens 1600 nm, 1500 nm, 1400 nm, 1300 nm, 1200 nm bzw. 1150 nm (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Bevorzugte Werte können auch bei rund 1548 nm bzw. 1550 nm liegen, was vorteilhafte Untergrenzen von mindestens 1350 nm, 1400 nm, 1450 nm bzw. 1500 nm ergibt und (davon unabhängige) vorteilhafte Obergrenzen von höchstens 2000 nm, 1900 nm, 1800 nm, 1700 nm, 1650 nm bzw. 1600 nm (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Im Allgemeinen sind aber bspw. auch Wellenlänge im Fernen IR denkbar, bspw. bei 5600 nm bzw. 8100 nm.
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Generell bestimmt sich die Messdauer je Emitter-Raumwinkelsegment nach der gewünschten Reichweite. Die zweifache Reichweite ist die maximale Strecke von Puls und Echopuls, was mit der Lichtgeschwindigkeit die Messdauer festlegt. Für eine Reichweite von 300 m muss diese bspw. 2 µs betragen.
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Ein Puls ist eine zeitlich begrenzte Größe, die emittiert wird, um dann im Falle einer Reflexion an dem Objekt von einem Sensor der Abstandsmesseinheit zeitlich versetzt erfasst zu werden. Eine nach der Halbwertsbreite (FWHM) genommene Pulsbreite kann bspw. bei höchstens 1 ms liegen, bevorzugt noch deutlich kleiner sein, nämlich bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 800 µs, 600 µs, 400 µs bzw. 200 µs liegen, oder auch noch kleiner sein, nämlich bei höchstens 1000 ns, 900 ns, 800 ns, 700 ns, 600 ns, 500 ns, 400 ns, 300 ns, 200 ns, 100 ns, 80 ns, 60 ns, 40 ns, 30 ns, 25 ns, 20 ns, 15 ns, 10 ns, 5 ns bzw. 2 ns liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Im Prinzip kann ein möglichst kurzer Puls bevorzugt sein, technisch bedingt können Untergrenzen bspw. bei mindestens 0,001 ns, 0,01 ns bzw. 0,1 ns liegen.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Abstandsmesseeinheit dazu eingerichtet, mit den mindestens zwei Pixeln erfasste Signalanteile miteinander abzugleichen, um die Position der zugrundeliegenden Echopulse, konkret der davon erzeugten Bestrahlungsstärkeverteilung, entlang der Scan-Linie zu bestimmen. Dieses „Eingerichtetsein“ meint bspw., dass die Abstandsmesseeinheit mit einer entsprechenden Auswerteeinheit ausgestattet bzw. verbunden ist. Die Auswerteeinheit kann bspw. auf Basis eines Mikrocontrollers als integraler Bestandteil vorgesehen sein, die ausgewählte Funktion kann jedoch bspw. auch (teilweise) ausgelagert sein, etwa in eine externe Recheneinheit, bspw. den Bordcomputer im Falle des Kraftfahrzeugs.
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Im Zuge des „Abgleichens“ der Signalanteile werden bevorzugt nicht nur die in einem jeweiligen Zeitpunkt erfassten Signalanteile miteinander verglichen, etwa durch Quotienten- und/oder Differenzbildung, sondern kann bevorzugt zusätzlich ein Abgleich mit den zuvor erfassten Signalanteilen erfolgen. Ganz allgemein meint das Abgleichen ein in ein Relativverhältnis-Setzen, also miteinander Vergleichen im Zuge der Auswertung. Damit kann insbesondere das vorstehend erwähnte „Wandern“ des Spots, also der von den Echopulsen erzeugten Bestrahlungsstärkeverteilung, über die Sensorfläche festgestellt werden. Der Abgleich im Zeitverlauf kann bspw. auch helfen, sich objektseitig ergebende Unregelmäßigkeiten (wenn das Objekt benachbarte Segmente nicht gleichmäßig ausfüllt) festzustellen bzw. auch heraus zu rechnen.
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Wie bereits erwähnt, wird in bevorzugter Ausgestaltung aus den unterschiedlichen Signalanteilen der Bereich der Sensorfläche und damit das zugeordnete Raumwinkelsegment ermittelt. Dies entspricht einem bestimmten Kippzustand der Spiegeleinheit, insbesondere einer Kippstellung bzw. Schwingungsposition der verkippbaren Spiegelfläche (siehe vorne). Diese Verknüpfung mit den Kippzuständen ermöglicht das Auswerten bzw. Überwachen der Spiegeleinheit, siehe vorne.
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Besonders vorteilhaft und bevorzugt kann die Kombination mit einer oszillierend verkippten Spiegelfläche sein, die insbesondere resonant schwingend bewegt wird. Ein Beispiel hierfür kann ein MEMS-Spiegel sein. Im Falle einer periodischen bzw. resonanten Schwingung ist für die Positionsbestimmung dann nämlich lediglich die Ermittlung der Schwingungsperiode erforderlich, aus welcher sich zwingend die Spiegeltrajektorie ergibt. Der Abgleich der Signalanteile kann sich dann bspw. als Fourieranalyse des Signalverhältnisses ergeben. Daraus kann z. B. die niedrigste vorkommende Frequenzkomponente als jene der Spiegelschwingung identifiziert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Sensorfläche eine rechteckige Grundform. Dies soll im Allgemeinen bspw. eine gewisse Krümmung der Seitenkanten nicht ausschließen, die z. B. auch aus einer insgesamt gewölbten Sensorfläche resultieren kann. Bevorzugt erstreckt sich die Trennlinie diagonal durch die Sensorfläche, also von einer Ecke zur gegenüberliegenden. Die Scan-Linie liegt bevorzugt parallel zu einer Seitenkante des Rechtecks, bevorzugt zur längeren (die bevorzugt horizontal liegt und dementsprechend mit einem in dieser Richtung in der Regel größeren Öffnungswinkel korreliert). In einer idealisierten Betrachtung können sich die Scan-Linie und die Trennlinie bspw. mittig in der Sensorfläche, also in deren Flächenschwerpunkt, schneiden. Die an dieser Stelle genannten Varianten können bspw. hinsichtlich der Positionsbestimmung von Vorteil sein, also insbesondere im Falle einer Überwachung/Auswertung von Kippzuständen der Spiegeleinheit Anwendung finden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich die Trennlinie geradlinig, grenzen die Pixel also entlang einer gerade durch die Sensorfläche gelegten Linie aneinander. Hinsichtlich des Erfassens des „Wanderns“ des bzw. der Spots entlang der Scan-Linie kann die gerade Trennlinie bspw. eine mehr oder weniger gleichmäßige Änderung der Signalanteile ergeben, was hinsichtlich der Auswertung von Vorteil sein kann.
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Generell kann die Sensorfläche bzw. können die Pixel ihrem prinzipiellen Aufbau nach als Fotodiode vorgesehen sein, bspw. also eine PIN-Diode, APD (Avalanche Photo Diode) oder SPAD (Single Photon APD), oder auch ein Photomultiplier sein. Bevorzugt sind die Pixel der Sensorfläche am selben Bauelement ausgebildet, bspw. am selben Halbleiter-Bauelement. Sind weitere Sensorflächen vorgesehen, die bevorzugt ihrerseits wiederum jeweils in Pixel unterteilt sind, können diese untereinander ebenfalls am selben Bauelement angeordnet sein, ebenso kann aber auch je Sensorfläche ein eigenes Bauelement vorgesehen werden. Bevorzugt haben die unterschiedlichen Pixel bzw. Sensorflächen dieselbe Sensitivität.
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Die im Folgenden diskutierten Varianten betreffen insbesondere die eingangs erwähnte „Auflösungsverbesserung“.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trennlinie mit einer Vielzahl Richtungswechseln vorgesehen, grenzen die Pixel der Sensorfläche also bspw. entlang einer gezackten bzw. mehrfach gekrümmten Trennlinie aneinander. Infolge der Richtungswechsel ändern sich die mit den Pixel entlang der Scan-Linie erfassten Signalanteile, sie nehmen wiederholt zu und ab, fluktuieren also gewissermaßen. In diesem Zusammenhang ist auch eine weitergehende Untergliederung der Sensorfläche denkbar, diese könnte also bspw. einem Penrose-Pixelmuster entsprechend aufgeteilt sein, es ist auch Parkettierung bzw. Tesselation möglich (die Auswertung kann in einem sogenannten Supersolution-Verfahren erfolgen).
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Es kann jedoch andererseits auch im Falle der Auflösungsverbesserung eine Unterteilung der Sensorfläche in genau zwei Pixel bevorzugt sein, vgl. auch das Ausführungsbeispiel zur Illustration. Die Trennlinie verläuft dann jedoch nicht derart, dass ein in einer Richtung entlang der Scan-Linie bewegter Spot (mit entlang der Linie gleichbleibender Bestrahlungsstärkeverteilung) eine stetige Zunahme des einen Signalanteils und eine entsprechend stetige Abnahme des anderen Signalanteils bedeutet (was im Falle der Positionsbestimmung bevorzugt ist, siehe vorne). Stattdessen soll im besagten Modellfall jeder der Signalanteile mehrfach zu- und wieder abnehmen.
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Besonders vorteilhaft bzw. interessant kann eine entsprechende Trennlinie sein, wenn die einzelnen Pixel der Sensorfläche zusätzlich und/oder alternativ zu einer gemeinsamen Auswertung auch separat ausgelesen bzw. ausgewertet werden. Dies kann bspw. die Auflösung senkrecht zur Scanrichtung erhöhen, also im Falle der vorstehend geschilderten Orientierung dann vertikal. In der Praxis können auch die mit der Abstandsmesseeinheit erfassten Objekte komplexere Formen haben (nicht immer geradlinige Kanten etc.), was sich vereinfacht ausgedrückt mit einer gewissen Varianz empfängerseitig im Ergebnis oftmals besser erfassen lässt.
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Bevorzugt kann ein Abtasten bzw. Auswerten der Pixel per Dithering sein, wird also eine feste, klar konturierte Auflösung durch ein stochastisches Signal „verwischt“. In Bezug auf eines der Emitter-Raumwinkelsegmente kann die Auflösung des einen Pixels deutlich besser als jene des anderen sein, in einem benachbarten Segment kann das Verhältnis dann genau umgekehrt sein. Insgesamt gibt es einen entsprechenden Unterschied entlang der Scan-Linie wiederholt, hat also einmal das eine und ein andermal das andere Pixel eine bessere Auflösung. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Objekt, welches einige der Raumwinkelsegmente teilweise ausfüllt, nur mit „schlechter“ Auflösung erfasst wird, lässt sich somit bspw. im Vergleich zu der geradlinigen Teilung verringern.
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In bevorzugter Ausgestaltung verläuft die Trennlinie der Art, dass die Zu- und Abnahme der Signalanteile entlang der Scan-Linie aperiodisch ist, also keinem sich wiederholenden Muster folgt. Generell wird bei diesen Betrachtungen, weil sich die Signalanteile gegenläufig ändern, ein Verhältnis davon betrachtet. Es kann also bspw. der Quotient wiederholt zu- und abnehmen.
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Die folgenden Varianten betreffen sowohl die „Auflösungsverbesserung“, also die Trennlinie mit Krümmungswechseln, als auch die Positionsbestimmung (Überwachung, Sicherheit etc.).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Empfängereinheit eine zweite Sensorfläche auf, die ihrerseits in mindestens zwei Pixel unterteilt ist. Auch die Trennlinie der zweiten Sensorfläche liegt bevorzugt schräg zu einer Scan-Linie, entlang welcher die Bereiche der zweiten Sensorfläche aufeinanderfolgen. Generell sind sämtliche vorstehend, implizit oder explizit, für die „erste“ Sensorfläche getroffenen Angaben bzw. Konkretisierungen auch im Falle einer „zweiten“ Sensorfläche bzw. auch bei weiteren Sensorflächen bevorzugt und sollen sie entsprechend offenbart sein. Hinsichtlich der Positionsbestimmung kann also bspw. auch eine sich diagonal, insbesondere geradlinig, durch die zweite Sensorfläche erstreckende Trennlinie bevorzugt sein.
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Sind mehrere Sensorflächen vorgesehen, so sind diese senkrecht zur Scan-Bewegung, also senkrecht zu den Scan-Linien, aufeinanderfolgend angeordnet. Damit kann, wie eingangs erwähnt, eine Auflösung auch in dieser Richtung erreicht werden, woraus sich Empfänger-Raumwinkelsegmente ergeben. Die Emitter-Raumwinkelsegmente untergliedern das Erfassungsfeld entlang der Scan-Achse, die Empfänger-Raumwinkelsegmente untergliedern es gewinkelt (bevorzugt senkrecht) zu dazu. Funktional wird dann ein jeweiliger Puls in ein bestimmtes Emitter-Raumwinkelsegment emittiert und kann mit der Empfängereinheit aufgelöst werden, aus welchem Bereich dieses Emitter-Raumwinkelsegments Echopulse zurückkommen.
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Bevorzugt kann es mindestens drei nebeneinandergesetzte Sensorflächen geben, wird das Erfassungsfeld also in mindestens drei Empfänger-Raumwinkelsegmente untergliedert (bevorzugt in vertikaler Richtung). Mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 20, 15 bzw. 10 Sensorflächen liegen. Insgesamt müssen dabei nicht sämtliche Sensorflächen in Pixel unterteilt sein, was jedoch bevorzugt ist, besonders bevorzugt in Verbindung mit einer jeweilig schrägen Trennlinie.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Trennlinien der ersten und der direkt benachbarten zweiten Sensorfläche gewinkelt zueinander, also nicht parallel. Sind eine Vielzahl Sensorflächen vorgesehen, kann eine Anordnung derart bevorzugt sein, dass die Trennlinien nächstbenachbarter Sensorflächen jeweils gewinkelt zueinander liegen, jene der übernächstbenachbarten Sensorflächen jedoch parallel zueinander. Dies ist eine Möglichkeit, im Allgemeinen ist selbstverständlich auch eine Anordnung möglich, bei welcher nächstbenachbarte Trennlinien oder auch sämtliche Trennlinien parallel zueinander liegen.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Abstandsmesseeinheit dazu eingerichtet, aus den mit den unterschiedlichen Pixeln erfassten Signalanteilen einen Mittelwert zu bilden. Hierbei ist im Allgemeinen auch eine unterschiedliche Gewichtung der Pixel möglich, bevorzugt gehen die Anteile mit demselben Faktor ein. Die Mittelwertbildung muss nicht notwendigerweise dauerhaft und/oder als alleinige Auswertungsmöglichkeit realisiert sein, sie kann bspw. auch parallel zu einem gesonderten Auslesen bzw. Auswerten der einzelnen Pixel erfolgen.
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In bevorzugter Ausgestaltung findet hinsichtlich der Positionsbestimmung bzw. -überwachung eine Mittelwertbildung statt. Dazu wird bevorzugt ein erster Mittelwert über die Signalanteile jener Pixel gebildet, deren Signalanteil in einer Richtung entlang der Scan-Linie zunimmt (bei einem unterstellt gleichbleibenden Spot, siehe vorne) und wird ein zweiter Mittelwert über jene Pixel gebildet, deren Signalanteile entlang derselben Richtung abnehmen. Hinsichtlich der Umsetzung der Mittelwertbildung im Einzelnen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, es können bspw. zunächst die jeweiligen Signalanteile gemittelt und kann dann ein Quotient gebildet werden, ebenso ist aber auch eine Mittelung über die zuvor aus den je Sensorfläche gebildeten Quotienten möglich.
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Generell kann die Mittelwertbildung in der Praxis den Einfluss der Variabilität der erfassten Szene reduzieren helfen. Dabei kann nicht nur innerhalb eines jeweiligen Scans gemittelt werden, sondern bspw. auch über aufeinanderfolgende Scans.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer vorliegend offenbarten Abstandsmesseeinheit. Dabei werden ganz allgemein die mit den unterschiedlichen Pixeln erfassten Signalanteile ausgewertet. Die Signalanteile können insbesondere zur Positionsbestimmung genutzt werden (siehe vorne), bspw. durch Quotientenbildung. Alternativ oder zusätzlich können die Signalanteile auch gesondert genutzt werden, bspw. zur Verbesserung der (vertikalen) Auflösung. Es ist ein Wechsel zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi möglich, also zwischen einer separaten und gemeinsamen Auswertung bzw. Erfassung der Signalanteile; andererseits können die Signalanteile aber auch einzeln ausgelesen und dann für zugleich eine gemeinsame und separate Auswertung genutzt werden.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Abstandsmesseinheit in einem Kraftfahrzeug, bspw. einem Lastkraftwagen bzw. Kraftrad sowie in einem Personenkraftwagen. Besonders bevorzugt ist die Anwendung in einem teil- bzw. vollautonom fahrenden Fahrzeug. Im Allgemeinen ist aber auch eine Anwendung in einem Luft- bzw. Wasserfahrzeug denkbar, etwa einem Flugzeug, einer Drohne, einem Helikopter, Zug oder Schiff. Weitere Anwendungsbereiche können im Bereich Indoor-Positioning liegen, also der Ortserkennung von Personen und Gegenständen innerhalb von Gebäuden; es ist auch eine Erfassung einer Pflanzenstruktur (morphologische Erkennung bei der Pflanzenaufzucht) möglich, bspw. während einer Wachstums- oder Reifephase; Anwendungen können auch im Bereich der Steuerung (Nachführung) einer Effektleuchte im Entertainmentbereich liegen, ebenso ist eine Steuerung (Nachführung) eines Roboterarms im Industrie- und Medizinbereich möglich.
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Ein Fahrzeug kann eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Abstandsmesseinheiten aufweisen, wobei bevorzugter Weise das Erfassungsfeld bzw. der Sichtbereich (FOV) einer jeden der Abstandsmesseinheiten räumlich disjunkt zu der bzw. den anderen Abstandsmesseinheiten ist. Damit lässt sich ein größerer Gesamt-Raumwinkelbereich erfassen (vor, seitlich, hinter, oberhalb des Fahrzeugs). Weisen die Abstandsmesseinheiten unterschiedliche IR-Laserwellenlängen auf, können die Erfassungsfelder auch nicht disjunkt sein, also zumindest teilweise überlappen. Die Abstandsmesseinheiten können bspw. in bestehende Fahrzeug-Scheinwerfersysteme integriert sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Figurenliste
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- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Abstandsmesseeinheit, sowie deren in Emitter-Raumwinkelsegmente untergliedert es Erfassungsfeld in einer Aufsicht;
- 2 die Anordnung gemäß 1a in einer Seitenansicht und damit die Untergliederung des Erfassungsfelds in Empfänger-Raumwinkelsegmente;
- 3 in schematischer Darstellung eine raumwinkelselektive Emittereinheit als Teil der Abstandsmesseeinheit gemäß 1,2;
- 4 in schematischer Darstellung eine raumwinkelsensitive Empfängereinheit als Teil der Abstandsmesseeinheit gemäß 1,2;
- 5 eine Sensorfläche der Empfängereinheit gemäß 4 in Detailansicht, aus der eine Untergliederung in zwei Pixel zu erkennen ist;
- 6 in einer Diagrammdarstellung Signalanteile im Zeitverlauf, die mit den Pixeln gemäß 5 erfasst werden;
- 7 in schematischer Darstellung die Pixelstruktur der Empfängereinheit gemäß 4 im Fernfeld;
- 8a,b Möglichkeiten zur unterschiedlichen Anordnung von Trennlinien zwischen Pixeln benachbarter Sensorflächen;
- 9 zwei Sensorflächen, die jeweils von einer Trennlinie mit mehreren Krümmungswechseln in zwei Pixel unterteilt sind.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1,2 zeigen eine Abstandsmesseinheit 1, die in ein Kraftfahrzeug 2 eingebaut und in Fahrtrichtung (nach vorne) ausgerichtet ist. Mit der Abstandsmesseinheit kann der Abstand zu Objekten 3a,b, wie bspw. anderen Fahrzeugen oder auch Fußgängern etc., gemessen werden, wenn sich diese Objekte 3a,b im Erfassungsfeld 4 der Abstandsmesseinheit 1 befinden. Das Erfassungsfeld 4, das einen horizontalen Öffnungswinkel α und einen vertikalen Öffnungswinkel β hat, ist in eine Vielzahl Raumwinkelsegmente 5 untergliedert, wovon jedes einen Öffnungswinkel δα, δβ hat, vgl. auch 2 zur Illustration.
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Die Abstandsmessung erfolgt nach den Raumwinkelsegmenten 5 aufgelöst, es ist also bspw. das Objekt 3a von dem Objekt 3b als in anderen Raumwinkelsegmenten 5 befindlich unterscheidbar. Je nach Beschaffenheit (Größe, Oberflächen etc.) und auch Entfernung des Objekts kann sogar auch innerhalb eines jeweiligen Objekts 3a,b differenziert werden. Zur Abstandsmessung wird jeweils ein Puls 6 emittiert, der, soweit sich im jeweiligen Raumwinkelsegment 5 ein Objekt befindet, als Echopuls 7 zurückkommt und empfangen wird. Horizontal ist das Erfassungsfeld 4 in Emitter-Raumwinkelsegmente 5a und vertikal in Empfänger-Raumwinkelsegmente 5b untergliedert.
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3 zeigt eine raumwinkelselektive Emittereinheit 30, die eine Laserquelle 31 aufweist. Deren Laserstrahl 32 wird über einen hin- und herschwingenden Reflektor 33 geführt. Entsprechend werden die Pulse 6 in unterschiedlichen Kippstellungen des Spiegels 33 an dessen Spiegelfläche 33a in die unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmente 5a reflektiert. Die Pulse 6 werden also sequenziell emittiert und gelangen der jeweiligen Kippstellung entsprechend in ein jeweiliges Emitter-Raumwinkelsegment 5a.
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4 zeigt eine raumwinkelsensitives Empfängereinheit 40 mit vorliegend drei einzelnen Empfängern 41a,b,c. Diese weisen jeweils eine sensitive Sensorfläche 41aa,ba,ca auf, die der Detektion der darauffallenden Echopulse 7 dient. Vorliegend sind die Empfänger 41a,b,c der Übersichtlichkeit halber mit einem gewissen Abstand zueinander dargestellt, sie können in der Praxis jedoch auch direkt nebeneinander platziert oder integral ausgeführt sein, bspw. als Bereiche desselben HalbleiterBauelements. Den Sensorflächen 41aa,ba,ca ist eine Optik 42 vorgelagert, die eine jeweilige Sensorfläche 41aa,ba,ca mit einem jeweiligen Empfänger-Raumwinkelsegment 5ba,bb,bc verknüpft. Die Optik 42 bildet die Sensorflächen 41aa,ba,ca ins Unendliche ab, umgekehrt führt sie die aus einem jeweiligen Empfänger-Raumwinkelsegment 5ba,bb,bc einfallenden Echopulse 7 auf die jeweilig zugeordnete Sensorfläche 41aa,ba,ca.
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Emitterseitig ist das Erfassungsfeld 4 in die Emitter-Raumwinkelsegmente 5a untergliedert (1, 3), empfängerseitig ist es in die Empfänger-Raumwinkelsegmente 5b untergliedert (1, 4). Die eine Unterteilung besteht hinsichtlich der Horizontalen (1, 3), die andere bezüglich der Vertikalen (1, 4). In der Gesamtschau ist das Erfassungsfeld 4 damit matrixförmig unterteilt.
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5 zeigt die Sensorfläche 41aa im Detail, und zwar in einer Aufsicht, also aus Sicht des einfallenden Echopulses 7 daraufblickend. Die Sensorfläche 41aa ist in zwei Pixel 41aaa,aab untergliedert, diese grenzen entlang einer Trennlinie 50 aneinander. Letztere ist bezogen auf eine Scan-Linie 51 schräg orientiert.
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Entlang der Scan-Linie 51 folgen unterschiedliche Bereiche 52 der Sensorfläche 41aa aufeinander, wobei ein jeweiliger Bereich 52 über die Optik 42 mit einem jeweiligen Emitter-Raumwinkelsegment 5a verknüpft ist.
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Die aus einem jeweiligen Empfänger-Raumwinkelsegment 5b einfallenden Echopulse 7 treffen nämlich nicht, wie man anhand der 4 vermuten könnte, stets auf dieselbe Stelle der jeweiligen Sensorfläche 41aa,ba,ca. Sie tun dies jeweils nur in der Seitenansicht gemäß 4, also bezüglich der vertikalen Richtung. In horizontaler Richtung sind die aus den unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmenten 5a einfallenden Echopulse 7 jedoch zueinander versetzt (senkrecht zur Zeichenebene in 4).
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5 illustriert die Konsequenz anhand dreier punktiert eingezeichneter Spots 53a,b,c, die auf Echopulse 7 aus unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmenten zurückgehen. Die Spots 53a,c gehen auf ein emitterseitiges Abtasten der Ränder des Erfassungsfelds 4 zurück, der Spot 53b hingegen auf ein mittiges Emitter-Raumwinkelsegment 5a.
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Aufgrund der Unterteilung in die Pixel 41aaa,aab, konkret aufgrund der schrägen Trennlinie 50, werden für die unterschiedlichen Spots 53a,b,c unterschiedliche Signalanteile erfasst. Im Falle des Spots 53b sind diese in etwa gleich groß, wohingegen im Falle des Spots 53a nur der Signalanteil des einen Pixels 41aab im Falle des Spots 53c hingegen jener des anderen Pixels 41aaa erfasst wird. Die erfassten Signalanteile korrelieren mit der Position des Spots 53a,b ,c, es lässt sich also umgekehrt bestimmen, aus welchem der Emitter-Raumwinkelsegmente 5a der jeweilige Echopuls 7 stammt (aufgrund der Orts-/Raumwinkel-Konversion der Optik 42).
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Wie in der Beschreibungseinleitung im Einzelnen dargelegt, kann dies zur Bestimmung und/oder Überwachung der Schwingung bzw. Verkippung des Spiegels 33 genutzt werden.
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6 illustriert nochmals die Signalanteile 60a,b für die anhand von 5 diskutierte Situation in einer Diagrammdarstellung. Auf der X-Achse ist die Zeit (t) aufgetragen, auf der Y-Achse die normierte Signalintensität (I). Wie auch schon aus den vorstehenden Erläuterungen deutlich wurde, ändern sich die Signalanteile 60a,b gegenläufig, die Auswertung (Positionsbestimmung) kann im Einzelnen bspw. durch Quotientenbildung erfolgen.
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7 zeigt das Erfassungsfeld 4 in einer schematischen Schrägansicht, konkret die Untergliederung, die sich im Fernfeld ergibt. Gezeigt ist also im Prinzip eine (virtuelle) Abbildung der Pixelstruktur über die Optik 42 ins Fernfeld. Dabei geht 7 analog 4 von drei Sensorflächen 41aa,ba,ca aus, gibt es also unter Annahme einer Pixelierung gemäß 5 dann insgesamt sechs Pixel.
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Die 8a, b zeigen nochmals auf Sensorebene mehrere Sensorflächen 41aa,ba,ca, die jeweils in zwei Pixel unterteilt sind. Im Einzelnen unterscheiden sich die beiden Abbildungen dann in der Orientierung der Trennlinien 50a,b,c, die in einem Fall sämtlich parallel zueinander liegen (8a), im anderen Fall jedoch paarweise gewinkelt zueinander (8b).
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9 zeigt zwei Sensorflächen 41aa,ba deren Trennlinien 50a,b entgegen der bisherigen Darstellung nicht geradlinig, sondern jeweils mit einer Vielzahl Richtungswechseln verlaufen. Bei einer Scanbewegung (von links nach rechts oder rechts nach links) ändern sich die jeweilig erfassten Signalanteile damit nicht stetig, sondern nehmen Sie jeweils wiederholt zu und ab. Je Paar können die Pixel 41aaa,aab bzw. 41bab,baa dieselbe Fläche haben, was aber nicht zwingend ist. Prinzipiell könnten auch die Außenkanten der jeweiligen Sensorfläche einen Verlauf mit Krümmungswechseln haben, was jedoch nicht bevorzugt ist.
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Die in 9 gezeigte Pixelgeometrie ist auf eine Optimierung der Auflösung hin verbessert, vorteilhafterweise variieren die Signalanteile nicht periodisch. In der Folge werden Objekte in vertikaler Richtung im Prinzip mit einer Art Dithering abgetastet, weil jeder Puls in vertikaler Richtung unterschiedlich hohe Pixel beleuchtet. Damit kann die Auflösung in dieser Richtung vergrößert werden.
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Bezugszeichenliste
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| Abstandsmesseinheit |
1 |
| Kraftfahrzeug |
2 |
| Objekte |
3a, b |
| Erfassungsfeld |
4 |
| Raumwinkelsegmente |
5 |
| |
Emitter-Raumwinkelsegmente |
5a |
| |
Empfänger- Raumwinkelsegmente |
5b |
| Pulse |
6 |
| Echopulse |
7 |
| Emittereinheit |
30 |
| Laserquelle |
31 |
| Laserstrahl |
32 |
| Spiegeleinheit |
33 |
| |
Spiegel fläche |
33a |
| Empfängereinheit |
40 |
| Sensorfläche (erste) |
41aa |
| |
Pixel |
41aaa,aab |
| Sensorfläche (zweite) |
41ba |
| |
Pixel |
41baa,bab |
| Sensorfläche (dritte) |
41ca |
| Optik |
42 |
| Trennlinie |
50 |
| |
Erste Trennlinie |
50a |
| |
Zweite Trennlinie |
50b |
| |
Dritte Trennlinie |
50c |
| Scan-Linie |
51 |
| Bereiche |
52 |
| Spots |
53a,b,c |
| Signalanteile |
60a, b |
