DE102018209844A1

DE102018209844A1 - Abstandsmesseinheit

Info

Publication number: DE102018209844A1
Application number: DE102018209844.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Gammer
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandmesseinheit (1) zur signallaufzeitbasierten Messung eines Abstands zu einem in einem Erfassungsfeld (10) angeordneten Objekt, mit einer Emittereinheit (2) zur Emission eines Pulses (7) in Form elektromagnetischer Strahlung in das Erfassungsfeld (10), einer Empfängereinheit (3) mit einer sensitiven Sensorfläche (16) zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung nach einer abstandsabhängigen Laufzeit, also zum Erfassen eines Echopulses (11) aus dem Erfassungsfeld (10) und Erzeugen eines Laufzeitsignals (32), wobei die Emittereinheit (2) und die Empfängereinheit (3) derart miteinander gekoppelt sind, dass bei der Emission des Pulses (7) in das Erfassungsfeld (10) ein Teil der elektromagnetischen Strahlung abgezweigt und zum Erzeugen eines Referenzsignals (30) auf die Sensorfläche (16) geführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmesseinheit zur signallaufzeitbasierten Abstandsmessung.
Stand der Technik
Die in Rede stehende Abstandsmessung beruht auf einer Laufzeitmessung ausgesandter elektromagnetischer Pulse. Treffen diese auf ein Objekt, so wird an dessen Oberfläche der Puls anteilig zurück zu der Abstandsmesseinheit reflektiert und kann als Echopuls mit einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses zu einem Zeitpunkt t₀ und wird der Echopuls zu einem späteren Zeitpunkt t₁ erfasst, kann der Abstand d zu der reflektierenden Oberfläche des Objekts über die Laufzeit Δt_A = t₁ - t₀ nach $\begin{matrix} d = Δ t_{A} & c/2 \end{matrix}$
bestimmt werden. Da es sich um elektromagnetische Pulse handelt, ist c der Wert der Lichtgeschwindigkeit.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Abstandsmesseinheit anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Abstandsmesseeinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Deren Besonderheit liegt in einer Kopplung von Emitter- und Empfängereinheit dahingehend, dass bei der Emission eines jeweiligen Pulses ein Teil der elektromagnetischen Strahlung abgezweigt und auf die Sensorfläche der Empfängereinheit geführt wird. Damit kann beim Aussenden des Pulses in das Erfassungsfeld ein Referenzsignal erzeugt werden. Aus einem Abgleich mit dem Laufzeitsignal, welches der zurückreflektierte Echopuls erzeugt, lässt sich dann bspw. die Laufzeit und damit der Abstand bestimmen. Da für die Referenz dieselbe Sensorfläche genutzt wird, können sich bspw. temperatur-, lebensdauer- bzw. betriebsabhängige (z. B. spannungsabhängige) Abweichungen zwischen dem Referenz- und dem eigentlichen Messsignal reduzieren bzw. ausschließen lassen.
Die Verwendung des Referenzsignals zur Abstandsbestimmung ist bevorzugt (siehe unten im Detail). Alternativ oder zusätzlich kann das Referenzsignal aber bspw. auch der Funktionsüberwachung dienen, also die ordnungsgemäße Emission eines jeweiligen Pulses in das Erfassungsfeld überwachen bzw. dokumentieren helfen. Im Falle einer nachstehend im Detail diskutierten scannenden Abstandsmesseeinheit kann bzw. können die Referenzsignale bspw. auch als Clock genutzt werden, also zur Taktung der Emission in die unterschiedlichen Raumrichtungen. Es ist ebenfalls möglich, die Referenzsignale als Taktgeber für eine oder mehrere weitere Lidar-Einrichtungen oder zur Ansteuerung bzw. Taktung von Fahrzeugfunktionen zu verwenden.
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.
Die Emittereinheit weist zur Emission der Pulse bevorzugt eine Laserquelle auf, die auch aus mehreren Einzelemittern aufgebaut sein kann. Als Einzelemitter ist eine Laserdiode bevorzugt, wobei im Allgemeinen auch ein Oberflächenemitter denkbar ist (VCSEL), insbesondere in der arrayförmigen Anordnung. Andererseits kann aber auch ein Kantenemitter bevorzugt sein, wobei insbesondere auch ein gestapelter Aufbau mit mehreren Laserfacetten möglich ist (Stacked Device).
Auch unabhängig von dem Aufbau der Emittereinheit im Einzelnen handelt es sich bei der elektromagnetischen 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.
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.
Im Einzelnen hängt es auch von der Entfernung ab, innerhalb welcher die gewünschte Abstandsmessung anzusiedeln ist. Geht man bspw. von den eben genannten 2 ns aus, kann bereits bei einem vergleichsweise kleinen Abstand von rund 30 cm eine Überlagerung des abgezweigten Pulsanteils (im Folgenden auch „Referenzpuls“) mit dem Echopuls jedenfalls soweit vermieden werden, dass auswertungsseitig eine gesonderte Zuordnung möglich ist (ein gewisser Überlapp ist möglich). Die in Rede stehende Abstandsmesseeinheit kann mitunter auch für deutlich größere Distanzen ausgelegt sein, sodass auch größere Pulsbreiten akzeptabel sind. Typische Messdistanzen können im Bereich einiger 10 m bis zu einigen 100 m liegen. Nach der maximalen Reichweite bestimmt sich im scannenden Betrieb auch die Messdauer, wie lange also nach dem Aussenden eines jeweiligen Pulses „gelauscht“ wird. Eine Messdauer von 2 µs entspricht bspw. einer Reichweite von 300 m.
Wie bereits erwähnt, ist die Abstandsmesseeinheit in bevorzugter Ausgestaltung dazu eingerichtet, das Referenz- und das Laufzeitsignal zur Abstandsermittlung zu nutzen. Dazu weist die Abstandsmesseeinheit eine entsprechend eingerichtete Auswerteeinheit auf, die bspw. auf Basis eines Mikrocontrollers als integraler Bestandteil vorgesehen sein kann, aber bspw. auch (teilweise) extern bzw. dezentral vorgesehen sein kann, etwa als Teil des Bordcomputers im Falle eines Kraftfahrzeugs. Auch diesbezüglich kann ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes, denselben Sensor für Messung und Referenz zu nutzen, in einer Verringerung der bauteilabhängigen Einflüsse liegen. Bei der Auswertung kommt dieselbe Elektronik etc. zum Einsatz, sodass ein etwaiger Drift, z. B. in Abhängigkeit von der Temperatur bzw. Lebensdauer oder Betriebsspannung, sowohl das Laufzeit- als auch das Referenzsignal betrifft, sich also nivelliert.
Bei der Auswertung wird bevorzugt ein Zeitversatz zwischen Referenz- und Laufzeitsignal ermittelt und daraus der Abstand bestimmt, vergleiche die Glg. 1. Im Einzelnen können die Signale, deren Verlauf in der Regel der Pulsform folgt, dabei bspw. anhand ihrer ansteigenden Flanken in Bezug gesetzt werden und/oder nach ihrem jeweiligen Maximalwert oder auch den abfallenden Flanken.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Emitter- die Empfängereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und wird auch der Referenzpuls innerhalb dieses Gehäuses auf die Sensorfläche geführt (er verlässt das Gehäuse also nicht). Im Allgemeinen ist bspw. auch ein über eine Glasfaser geführter Referenzpuls denkbar, bevorzugt wird er jedoch innerhalb des Gehäuses durch Streuung und/oder Reflexion von der Emitter- auf die Empfängereinheit gebracht (siehe unten im Detail).
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Innenwandfläche des Gehäuses zur Führung des Referenzpulses zumindest bereichsweise reflektiv ausgebildet. Die Innenwandfläche kann bspw. verspiegelt sein, das Gehäusematerial kann aber andererseits auch mit reflektiven Partikeln versetzt werden. „Reflektiv“ kann bspw. einen Reflexionsgrad von mindestens 80 %, 85 % bzw. 90 % im Wellenlängenbereich der Pulse meinen (mit theoretischen Obergrenzen bei 99,9 % bzw. 99,5 %).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzpuls in Form von Streustrahlung auf die Sensorfläche geführt. Es gelangt also kein gebündeltes oder kollimiertes, sondern ein aufgefächertes Strahlenbündel auf die Sensorfläche. Ist die Sensorfläche bspw. ortsauflösend vorgesehen, also in einzeln auslesbare Sensorflächenbereiche untergliedert, kann die Messung von Streustrahlung bspw. Abweichungen vorbeugen helfen, die sich anderenfalls aus einer Dysfunktion einzelner Pixel (Sensorflächenbereiche) ergeben könnten. Die Vermessung von Streustrahlung kann aber bspw. auch im Falle einer integralen, nicht ortsauflösenden Sensorfläche hinsichtlich eines im Zeitverlauf gleichmäßigen bzw. weniger störträchtigen Signals von Vorteil sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzpuls mit einem Streumittel abgezweigt, das in dem Strahlengang, in welchem der Puls geführt ist, angeordnet ist. Bevorzugt kann das Streumittel hierbei ein Strahlenbündel mit dem Puls zu einem nur verhältnismäßig kleinen Teil auszufüllen, sodass die übrige Strahlung das Streumittel ungehindert passiert und in Form des Pulses in das Erfassungsfeld austritt. Das Streumittel kann bspw. eine angeraute Oberfläche sein, etwa einer Streuscheibe, ebenso lassen sich aber auch mit in ein Matrixmaterial eingebetteten Streupartikeln (z. B. Titandioxid) die gewünschten Streueffekte erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Referenzpuls mit einem Reflektor aus dem Strahlengang abgezweigt. Die Reflexion kann auch mit einer Streuung kombiniert sein, nämlich im Falle eines diffusen Reflektors. Ebenso ist aber auch eine spekulare Reflexion möglich und kann der Referenzpuls dann bspw. durch ein gesondertes Streumittel aufgeweitet oder ohne gesonderte Streuung kollimiert bzw. gebündelt auf die Sensorfläche geführt werden.
Egal ob durch Streuung oder Reflexion ausgekoppelt wird, kann die Auskopplung in bevorzugter Ausgestaltung in eine Optik der Emittereinheit integriert sein. Die Optik legt den Strahlengang des Pulses bis zu dessen Austritt, also innerhalb der Emittereinheit fest. Der Puls verlässt die Emittereinheit durch eine Austrittspupille der Optik. Die Optik kann refraktive und/oder reflektive Elemente umfassen, der Streuer bzw. Reflektor zur Auskopplung des Referenzpulses kann gesondert im Strahlengang angeordnet sein (als eigenes optisches Element frei platziert), er kann aber auch in eines der optischen Elemente der Optik integriert sein.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Optik eine Linse auf und ist der Streuer bzw. Reflektor an einer Durchstrahlungsfläche der Linse angeordnet, also an deren Eintrittsfläche oder Austrittsfläche. Mit einer solchen Integration kann sich der Justageaufwand verringern lassen, weil mit dem Einrichten der Optik zugleich auch das Auskoppelmittel passend platziert wird (ein entsprechendes Design vorausgesetzt).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Emittereinheit für ein raumwinkelselektives Aussenden der Pulse ausgelegt, können diese also sequenziell in unterschiedliche Emitter-Raumwinkelsegmente des Erfassungsfelds emittiert werden. Es wird dann segmentweise gelauscht und ein jeweiliger Abstandswert ermittelt, was ein ein- oder auch zweidimensional pixeliertes Abstandsbild ergibt. Auch bei einem solchen segmentweisen Abtasten bzw. - scannen wird dann mit der jeweiligen Emission in das jeweilige Segment ein jeweiliger Referenzpuls abgezweigt und bevorzugt zur Abstandsermittlung genutzt, siehe vorne.
Die raumwinkelselektive Emission kann im Allgemeinen bspw. auch mit mehreren Einzelemittern realisiert werden, denen jeweils ein eigenes Raumwinkelsegment zugeordnet ist, bspw. über eine gemeinsame Optik, die eine Ortsverteilung der Einzelemitter-Anordnung in die Raumwinkelverteilung umsetzt. Alternativ lässt sich auch mit einem im Strahlengang der Emittereinheit angeordneten Spiegel-Array, insbesondere einem Mikrospiegel-Array, eine Raumwinkelauflösung erreichen. Die Spiegel bzw. Mikrospiegel sind einzeln oder in Gruppen schaltbar und reflektieren einen einfallenden Puls je nach Kippstellung in das zugeordnete Raumwinkelsegment, oder eben nicht.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Emittereinheit einen verkippbaren bzw. schwingenden Spiegel auf, insbesondere einen MEMS-Spiegel, der die unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmente bedient. Im Falle des MEMS-Spiegels ergeben sich entlang der Schwingungsamplitude unterschiedliche Kippstellungen, in einer jeweiligen Kippstellung gelangt der Puls über die Reflexionsfläche in ein bestimmtes Emitter-Raumwinkelsegment. Bei einem solchen Aufbau ist das Auskoppelmittel (Streuer/Reflektor) zum Auskoppeln des Referenzpulses bevorzugt dem verkippbaren/schwingenden Spiegel vorgelagert angeordnet, sodass der Referenzpuls im Prinzip statisch abgezweigt wird (nachgelagert wird der Messpuls in das eigentliche Raumwinkelsegment verteilt). Das Auskoppelmittel kann bevorzugt auf der Austrittsfläche einer dem verkippbaren Spiegel im Strahlengang des Pulses unmittelbar vorgelagerten Linse angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Emittereinheit eine Mehrzahl Einzelemitter auf, insbesondere Laserdioden, siehe vorne. Dies kann auch dann bevorzugt sein, wenn die Raumwinkelauflösung mit einem verkippbaren/schwingenden Spiegel realisiert wird, nämlich eine höhere Ausgangsleistung ergeben. Andererseits kann auch durch die Anordnung der Einzelemitter an sich eine Raumwinkelauflösung erreicht werden, wenn nämlich die Ortsverteilung der Einzelemitter mit einer Optik, insbesondere Linse bzw. Sammellinse, in eine Raumwinkelverteilung umgesetzt wird, siehe vorne. Die Einzelemitter sind dann bevorzugt zumindest gruppenweise einzeln ansteuerbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Empfängereinheit für ein raumwinkelsensitives Empfangen von Echopulsen ausgelegt, können also die eingehenden Echopulse unterschiedlichen Empfänger-Raumwinkelsegmenten zugeordnet werden. Dazu ist die Sensorfläche bevorzugt in mehrere einzeln auslesbare Sensorflächenbereiche untergliedert, denen einzeln oder gruppenweise jeweils eines der Empfänger-Raumwinkelsegmente zugeordnet ist. Diese Zuordnung ist wiederum eine Raumwinkel-Orts-Konversion, die mit einer Optik erfolgt, vorzugsweise einer Sammellinse (die als Einzellinse oder auch als Linsensystem vorgesehen sein kann). Als entsprechender Sensor kann bspw. ein CCD- oder CMOS-Array vorgesehen sein, es lassen sich aber ebenso mehrere separate Fotodioden gleichförmig anordnen. Als Fotodiode ist bspw. eine PIN-Diode, APD (Avalanche Photo Diode) oder SPAD (Single Photon APD), oder auch ein Photomultiplier möglich.
Bevorzugt kann eine Kombination aus raumwinkelselektiver Emitter- und raumwinkelsensitiver Empfängereinheit sein. Das Erfassungsfeld kann dann in einer Richtung in die Emitter-Raumwinkelsegmente untergliedert sein und senkrecht dazu in die Empfänger-Raumwinkelsegmente, was insgesamt eine Auflösung auf zwei Achsen ergibt.
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.
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.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

1 eine erfindungsgemäße Abstandsmesseinheit in einem schematischen Schnitt;
2 eine Aufsichtsdarstellung zu der Abstandsmesseinheit gemäß 1;
3 die mit der Empfängereinheit der Abstandsmesseinheit gemäß den 1 und 2 erfassten Pulse im Zeitverlauf.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Abstandsmesseeinheit 1 im Schnitt. Diese weist eine Emittereinheit 2 und eine Empfängereinheit 3 auf. Teil der Emittereinheit 2 ist eine Laserquelle 4, die im Betrieb gepulste Laserstrahlung im Infrarotbereich emittiert. Im Strahlengang 5 der Laserquelle 4 ist eine Optik 6 angeordnet, über diese gelangt ein Puls 7 auf einen verkippbaren bzw. schwingenden Spiegel 8, vorliegend einen MEMS-Spiegel. Je nach Kippstellung des Spiegels 8 wird ein jeweiliger Puls in ein jeweiliges Emitter-Raumwinkelsegment 9.1-9.3 reflektiert, vgl. 2. Die Emitter-Raumwinkelsegmente 9.1-9.3 spannen miteinander das Erfassungsfeld 10 der Abstandsmesseeinheit 1 auf.
Die Kipp- bzw. Schwingachse des Spiegels 8 liegt in 1 schräg in der Zeichenebene, in der Aufsicht gemäß 2 kippt die Reflexionsfläche 8.1 während einer Schwingungsperiode mit ihrer oberen Hälfte einmal zum Betrachter hin (und entsprechend mit der unteren Hälfte vom Betrachter weg) und dann vom Betrachter weg (und entsprechend mit der unteren Hälfte zum Betrachter hin). Die Emission in die einzelnen Emitter-Raumwinkelsegmente 9.1-9.3 erfolgt sequenziell, und es wird für eine bestimmte, von der Reichweite abhängige Pausendauer gelauscht, ob aus dem jeweiligen Emitter-Raumwinkelsegment 9.1-9.3 ein Echopuls 11 zurückkommt. Die Echopulse 11 werden mit der Empfängereinheit 3 erfasst, die dazu einen Sensor 15 mit einer sensitiven Sensorfläche 16 aufweist. Die Empfängereinheit 3 ist auch raumwinkelauflösend, siehe unten.
Eine Besonderheit liegt vorliegend darin, dass die Emittereinheit 2 und die Empfängereinheit 3 miteinander gekoppelt sind, nämlich innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 20 ein Referenzpuls 21 aus dem Strahlengang 5 abgezweigt und auf die Sensorfläche 16 geführt wird. Im Wesentlichen zeitgleich mit der Emission eines jeweiligen Pulses 7, wenn diese also die Emittereinheit 2 durch eine Austrittsoptik 25 verlässt, fällt der Referenzpuls 21 auf die Sensorfläche 16.
Wie aus 3 ersichtlich, kann damit bei der Emission des jeweiligen Pulses 7 ein Referenzsignal 30 erzeugt werden. Fällt dann nach einer bestimmten Laufzeit 31 der Echopuls 11 auf die Sensorfläche 16, wird ein Laufzeitsignal 32 erzeugt. Aus den beiden Signalen 30,32 lässt sich die Laufzeit 31 und damit der Abstand zu dem Objekt ermitteln, an dem der Echopuls reflektiert wurde.
Wie in 1 schematisch gezeigt, wird der Referenzpuls 21 an der Optik 6 ausgekoppelt, wozu in die Austrittsfläche dieser Linse eine entsprechende Störung bzw. Krümmungsanpassung eingebracht ist. Der Referenzpuls 21 wird dann über die Innenwandfläche 20.1 des Gehäuses 20 auf die Sensorfläche 16 reflektiert.
Auch die Empfängereinheit 3 ist raumwinkelauflösend gestaltet, das Erfassungsfeld 10 ist also auch in mehrere Empfänger-Raumwinkelsegmente 35 untergliedert. Dies wird mit einer Optik 36 und einer Segmentierung der Sensorfläche 16 in Sensorflächenbereiche 16.1-16.7 erreicht. Der Sensor 15 ist vorliegend als Fotodiodenarray aufgebaut. Die Optik 36 ordnet jedem Empfänger-Raumwinkelsegment 35 einen jeweiligen Sensorflächenbereich 16.1-16.7 zu, es ist also festgelegt, aus welchem der Segmente der jeweilige Echopuls 11 stammt. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, sind die Emittereinheit 2 und die Empfängereinheit 3 auf zwei zueinander senkrechten Achsen raumwinkelauflösend, lässt sich also das Erfassungsfeld 10 insgesamt zweidimensional bzw. matrixförmig abtasten.
Bezugszeichenliste

Abstandsmesseinheit		1
Emittereinheit		2
Empfängereinheit		3
Laserquelle		4
Strahlengang		5
Optik		6
Puls		7
Spiegel		8
	Reflexionsfläche	8.1
	Emitter-Raumwinkelsegmente	9.1-9.3
Erfassungsfeld		10
Echopuls		11
Sensor		15
Sensorfläche		16
	Sensorflächenbereiche	16.1-16.7
Gehäuse		20
	Innenwandfläche	20.1
Referenzpuls		21
Referenzsignal		30
Laufzeit		31
Laufzeitsignal		32
Empfänger-Raumwinkelsegmente		35

Claims

Abstandmesseinheit (1) zur signallaufzeitbasierten Messung eines Abstands zu einem in einem Erfassungsfeld (10) angeordneten Objekt, mit einer Emittereinheit (2) zur Emission eines Pulses (7) in Form elektromagnetischer Strahlung in das Erfassungsfeld (10), einer Empfängereinheit (3) mit einer sensitiven Sensorfläche (16) zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung nach einer abstandsabhängigen Laufzeit, also zum Erfassen eines Echopulses (11) aus dem Erfassungsfeld (10) und Erzeugen eines Laufzeitsignals (32), dadurch gekennzeichnet, dass die Emittereinheit (2) und die Empfängereinheit (3) derart miteinander gekoppelt sind, dass bei der Emission des Pulses (7) in das Erfassungsfeld (10) ein Teil der elektromagnetischen Strahlung abgezweigt und zum Erzeugen eines Referenzsignals (30) auf die Sensorfläche (16) geführt wird.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 1 mit einer Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, aus einem Zeitversatz zwischen dem Referenzsignal (30) und dem Laufzeitsignal (32) die Laufzeit (31) und damit den Abstand zu ermitteln.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Emittereinheit (2) und die Empfängereinheit (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (20) angeordnet sind, innerhalb welchem auch der abgezweigte Teil der elektromagnetischen Strahlung auf die Sensorfläche (16) geführt wird.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 3, bei welcher eine Innenwandfläche (20.1) des Gehäuses (20) zumindest bereichsweise reflektiv ist, um den abgezweigten Teil der elektromagnetischen Strahlung auf die Sensorfläche (16) zu führen.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der abgezweigte Teil der elektromagnetischen Strahlung als Streustrahlung auf die Sensorfläche (16) geführt wird.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der zum Erzeugen des Referenzsignals (30) vorgesehene Teil der elektromagnetischen Strahlung mit einem Streuer aus einem Strahlengang (5) mit dem Puls (7) abgezweigt wird.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der zum Erzeugen des Referenzsignals (30) vorgesehene Teil der elektromagnetischen Strahlung mit einem Reflektor aus einem Strahlengang (5) mit dem Puls (7) abgezweigt wird.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher eine Optik (6) der Emittereinheit (2), die den Strahlengang (5) des Pulses (7) festlegt, mit dem Streuer und/oder Reflektor versehen ist.
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 8, bei welcher die Optik (6) eine Linse aufweist und der Streuer und/oder Reflektor an einer Durchstrahlungsfläche der Linse angeordnet ist.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Emittereinheit (2) für ein raumwinkelselektives Aussenden von Pulsen (7) ausgelegt ist, also zur Emission in unterschiedliche Emitter-Raumwinkelsegmente (9.1-9.3) des Erfassungsfelds (10).
Abstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 10, bei welcher die Emittereinheit (2) einen verkippbaren Spiegel (8) aufweist, vorzugsweise einen MEMS-Spiegel, über dessen Reflexionsfläche (8.1) die Pulse (7) in unterschiedlichen Kippstellungen in die unterschiedlichen Emitter-Raumwinkelsegmente (9.1-9.3) gelangen.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Emittereinheit (2) eine Mehrzahl Einzelemitter aufweist.
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Empfängereinheit (3) für ein raumwinkelsensitives Empfangen von Echopulsen (11) eingerichtet ist, also zum winkelaufgelösten Empfangen aus unterschiedlichen Empfänger-Raumwinkelsegmenten (35) des Erfassungsfelds (10).
Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Sensorfläche (16) in mehrere, einzeln auslesbare Sensorflächenbereiche (16.1-16.7) untergliedert ist.
Verwendung einer Abstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Abstandsmessung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.