DE102018213976A1 - Vorrichtung zur Messung einer Entfernung eines Objektes zu einem Sensor - Google Patents

Vorrichtung zur Messung einer Entfernung eines Objektes zu einem Sensor

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DE102018213976A1
DE102018213976A1 DE102018213976.8A DE102018213976A DE102018213976A1 DE 102018213976 A1 DE102018213976 A1 DE 102018213976A1 DE 102018213976 A DE102018213976 A DE 102018213976A DE 102018213976 A1 DE102018213976 A1 DE 102018213976A1
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Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zur Messung einer Entfernung eines Objektes (2) zu einem Sensor (3) einer Detektionseinrichtung (4) im Abstandsbereich von höchstens 500 m. Eine Messlichtquelle (5) erzeugt einen hinsichtlich seiner Wellenlänge schmalbandigen Messlichtstrahl (9). Letzterer hat eine Mess-Wellenlänge im Bereich zwischen 250 nm und 1500 nm und eine Wellenlängen-Bandbreite, die kleiner ist als 5 THz. Die Detektionseirichtung (4) ist zur Detektion des vom Objekt (2) mit der Mess-Wellenlänge reflektierten oder gestreuten Messlichtstrahls (10, 12) ausgeführt. Die Detektionseinrichtung (4) weist den Sensor (3) zur Erfassung des Messlichtstrahls (10, 12) auf. Es resultiert eine störlichtunanfällige Messvorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Entfernung eines Objektes zu einem Sensor einer Detektionseinrichtung im Abstandsbereich von höchstens 500 m.
  • Aus der EP 2 294 447 B1 ist eine auf LIDAR basierende Messvorrichtung zur Vermessung von Vegetationseigenschaften weiter entfernter Objekte bekannt. Die DE 101 50 336 B4 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle in großer Höhe. Die DE 692 12 966 T2 beschreibt eine Radareinrichtung mit Laser.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art nach Möglichkeit störlichtunanfällig auszugestalten.
  • Diese Aufgabe ist erfmdungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
  • Die Messvorrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie Objektabstände ab einem Abstand des Objekts zum Sensor von größer als 10 cm oder von größer als 1 m messen kann. Die Messvorrichtung kann LIDAR-basiert arbeiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionseinrichtung der Messvorrichtung ein Airy-Pattern zur Entfernungsmessung auswerten. Weitere Ausführungen für die Detektionseinrichtung sind beispielsweise bekannt aus den Veröffentlichungen WO 2012/095 258 A1 , der US 9 451 237 sowie in der WO 2013/020 872 A1 . Der Messlichtstrahl hat eine Wellenlängen- bzw. Frequenzbandbreite FWHM von höchstens 5 THz, von höchstens 3 THz, von höchstens 2 THz, von höchstens 1 THz, höchstens 0,5 THz, höchstens 0,2 THz, höchstens 0,1 THz, höchstens 0,05 THz, höchstens 0,02 THz oder auch höchstens 0,01 THz. Aufgrund der Schmalbandigkeit der Wellenlängen-Bandbreite der Mess-Wellenlänge des Messlichtstrahls ist die Messvorrichtung für Störlicht, insbesondere für Tages- und/oder Sonnenlicht, nicht oder allenfalls sehr wenig anfällig. Die Mess-Wellenlänge kann eine Wellenlänge insbesondere im Bereich zwischen 480 nm und 600 nm oder im Bereich zwischen 700 nm und 800 nm oder im Bereich zwischen 880 nm und 950 nm sein. Bei der Messvorrichtung kann genau eine Messlichtquelle oder es kann auch mehr als eine Messlichtquelle zum Einsatz kommen. Die Messvorrichtung kann genau einen Messlichtstrahl oder auch eine Mehrzahl von Messlichtstrahlen erzeugen. Es kann genau eine Mess-Wellenlänge oder es kann eine Mehrzahl von Mess-Wellenlängen zum Einsatz kommen. Es kann genau eine Detektionseinrichtung oder es kann auch eine Mehrzahl von Detektionseinrichtungen zum Einsatz kommen.
  • Bei dem Sensor kann es sich um einen ortsauflösenden Sensor, insbesondere um einen CCD- oder CMOS-Sensor handeln.
  • Eine Abstimmung der Mess-Wellenlänge auf mindestens eine der Fraunhofer-Absorptionslinien nach Anspruch 2 führt dazu, dass eine effiziente Unterdrückung der bei der Messung ansonsten störenden Sonnenlichts möglich ist. Gemessen wird dann mit einer schmalbandigen Mess-Wellenlänge, auf der und in deren Umgebung keine bzw. eine stark geschwächte Sonnenlichtstrahlung vorliegt. Die Mess-Wellenlänge kann insbesondere auf die Fraunhofer-Absorptionslinie A oder D1 abgestimmt sein. Ein für die Messung genutztes Wellenlängen- bzw. Frequenzband kann gänzlich innerhalb einer Bandbreite der gewählten Fraunhofer-Absorptionslinie liegen. Alternativ zur Abstimmung auf eine Fraunhofer-Absorptionslinie kann die Mess-Wellenlänge auch auf eine terrestrische Atmosphären-Absorptionslinie oder Absorptionsbande abgestimmt sein, beispielsweise auf die Wasserbande im Bereich um 900 nm. Bei der Auswahl der Mess-Wellenlänge kann eine Abwägung erfolgen zwischen der Unterdrückung von Störlicht aufgrund einer natürlichen Filterung (Fraunhofer-Absorption oder beispielsweise atmosphärisches Wasser) sowie einer Quanteneffizienz der Detektionseinrichtung.
  • Eine Messlichtquelle nach Anspruch 3 erleichtert die Ausführung zur Erzeugung eines entsprechend schmalbandigen Messlichtstrahls. Rohstrahl-Lichtquellen können dann vergleichsweise kostengünstig bereitgestellt werden, z. B. in Form handelsüblicher Laserdioden oder eines Standard-Industrielasers auf Basis beispielsweise eines Dioden gepumpten Festkörperlasers, eines sonstigen Festkörperlasers oder auch eines Gaslasers. Die Rohstrahl-Lichtquelle kann in mindestens einer ihrer physikalischen Eigenschaften, wie Wellenlänge oder Bandbreite z. B. über ihre Temperatur, stabilisiert sein.
  • Bei dem schmalbandigen Bandpaß-Filter kann es sich um ein Etalon und/oder um einen sonstigen Interferenzschichten basierenden Filter und/oder um einen gitterbasierenden Filter, beispielsweise nach Art eines Monochromators, und/oder um einen dispersionsbasierenden Filter, beispielsweise ein Prisma, handeln. Eine Bandbreite des Bandpaß-Filters kann so ausgelegt werden, dass die gewünschte Wellenlängen-Bandbreite des Messlichtstrahls resultiert. Bei dem schmalbandigen Bandpaß-Filter kann es sich um einen wellenlängenstabilisierten und insbesondere um einen temperaturstabilisierten Filter handeln.
  • Die Vorteile einer Detektionseinrichtung nach Anspruch 4 entsprechen denen, die im Zusammenhang mit dem schmalbandigen Bandpaß-Filter der Messlichtquelle bereits erläutert wurden. Es resultiert eine zusätzliche Störlichtunterdrückung.
  • Ein Objektiv nach Anspruch 5 erlaubt eine empfindliche Entfernungsmessung. Zusätzlich kann noch eine Objektabbildung stattfinden, was für bestimmte Mess- bzw. Überwachungsaufgaben, beispielsweise im Bereich „autonomes Fahren“ vorteilhaft ist.
  • Eine Detektionseinrichtung nach Anspruch 6 ermöglicht eine zusätzliche (Bild-)Verarbeitung der Objekterfassung, beispielsweise in Farbe.
  • Breitband-Bandpaß-Filter nach Anspruch 7 ermöglichen eine empfindliche anderweitige Bilderfassung.
  • Eine Lochblende nach Anspruch 8 kann zur Vermessung eines Airy-Patterns und entsprechend zur Entfernungsmessung herangezogen werden.
  • Eine Lochblende nach Anspruch 9 ermöglicht es, durch Bestimmung eines Kontrastwertes eines Airy-Patterns den Objektabstand zu bestimmen, wobei der Kontrastwert sich abhängig vom Objektabstand monoton ändert. Die Lochblende kann gleichzeitig in der Bildebene für sichtbare Wellenlängen des Zusatz-Mess-Wellenlängenbereichs angeordnet sein, was zu einer scharfen sonstigen Bilderfassung führt.
  • Eine Ausführung der Lochblende nach Anspruch 10 vermeidet Lichtverluste bei der sonstigen Bilderfassung außerhalb der Mess-Wellenlänge, also im Zusatz-Mess-Wellenlängenbereich.
  • Verschiedene Pixel-Typen nach Anspruch 11 ermöglichen den Einsatz bekannter Pixel-Sensoren für die Bildgebung. Es kann dann zusätzlich zur Entfernungsmessung ein farbiges Objektbild erzeugt werden. Bei den unterschiedlichen Pixel-Typen kann es sich um die Typensätze RGB, RGGB oder auch RGB-NIR handeln.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:
    • 1 schematisch einen Aufbau einer Vorrichtung zur Messung einer Entfernung eines Objektes im Abstandsbereich von höchstens 500m;
    • 2 eine Aufsicht auf eine Lochblende, die einem Objektiv einer Detektionseinrichtung der Messvorrichtung nachgeordnet ist;
    • 3 schematisch eine Variante der Detektionseinrichtung der Messvorrichtung „Triangulation mit Stereokamera und texturiertem Messlicht“;
    • 4 in einer zu 3 ähnlichen Darstellung eine weitere Variante der Detektionseinrichtung der Messvorrichtung „Triangulation mit Hilfe strukturiertem Messlichts“;
    • 5 in einer wiederum zu 3 ähnlichen Darstellung eine weitere Variante der Detektionseinrichtung der Messvorrichtung in der Ausführung „LIDAR“;
    • 6 schematisch jeweils eine Messlichtquelle der Messvorrichtung mit Bandpass-Filtern zur Auswahl einerseits eines Messlichtstrahls mit einer ersten Wellenlängen-Bandbreite (FWHM, full width half max, volle Breite bei halbem Maximum) und andererseits eines Messlichtstrahls mit einer zweiten, schmalbandigeren Wellenlängen-Bandbreite;
    • 7 mit einer Zuordnung, die derjenigen der 6 entspricht, die Wirkung der beiden alternativen Messlicht-Wellenlängen-Bandbreiten auf ein Signal/Rauschverhältnis bei einer Detektion durch eine Detektionseinrichtung der Messvorrichtung; und
    • 8 Beispiele für ein Transmissionsverhalten verschiedener Bandpaß-Filter im sichtbaren (VIS) und nahen Infrarot-(NIR)Wellenlängenbereich, wobei diese Filter bei einer der Ausführungen der Messvorrichtung zum Einsatz kommen können.
  • Eine Messvorrichtung 1 dient zum Messen einer Entfernung eines Objektes 2 zu einem Sensor 3 einer Detektionseinrichtung 4 im Abstandsbereich von höchstens 500 m. Bei dem Objekt 2 kann es sich um einen Gegenstand oder um eine Mehrzahl von Gegenständen oder auch um einen Teil einer Umgebung, beispielsweise um einen Außenbereich in Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, handeln. Die Messvorrichtung 1 kann insbesondere Bestandteil eines Systems sein, welches autonomes Fahren eines Fahrzeugs ermöglicht. Bei dem Objekt kann es sich auch um ein Produkt handeln, dessen Fertigungsqualität geprüft werden soll. Die Messvorrichtung 1 kann dementsprechend zur Unterstützung des Fahrers eines Kraftfahrzeuges bis hin zum autonomen Fahren oder auch beispielsweise bei der Qualitätskontrolle oder einer anderen Anwendung, in der eine Objekt-Abstandsmessung eine Rolle spielt, zum Einsatz kommen. Bei dem Sensor 3 handelt es sich um einen ortsauflösenden Sensor. Bei dem Sensor 3 kann es sich um einen CMOS- oder um einen CCD-Sensor handeln.
  • Zur Messvorrichtung 1 gehört eine Messlichtquelle 5. Die Messlichtquelle 5 umfasst eine Rohstrahl-Lichtquelle 6 zur Erzeugung eines Rohstrahls 7. Die Rohstrahl-Lichtquelle 6 kann eine mittlere Leistung im Bereich von 100 mW, beispielsweise von 50 mW aufweisen. Die Messlichtquelle 5 kann so ausgeführt sein, dass sie den aktuellen Augensicherheitsstandards entspricht. Bei der Rohstrahl-Lichtquelle 6 handelt es sich um einen Laser, beispielsweise um eine Laserdiode. Bei der Rohstrahl-Lichtquelle 6 kann es sich um einen cw-Laser oder um einen gepulsten Laser handeln. Die Rohstrahl-Lichtquelle 6 kann wellenlängenstabilisiert, insbesondere temperaturstabilisiert sein.
  • Die Messlichtquelle 5 umfasst weiterhin einen schmalbandigen Bandpaß-Filter 8. Letzterer selektiert aus dem Rohstrahl 7 einen Messlichtstrahl 9. Dieser hat eine Mess-Wellenlänge, die um eine Zentralwellenlänge zentriert ist, die im Bereich zwischen 250 nm und 1500 nm liegt und eine Bandbreite hat, die kleiner ist als 5 THz. Bei der Zentralwellenlänge der Mess-Wellenlänge kann es sich um eine der Fraunhofer-Absorptionslinien im sichtbaren oder nahinfraroten Wellenlängenbereich handeln, beispielsweise um die Fraunhofer-Linie A bei 759,4 nm oder um die Fraunhofer-Linie D1 bei 589,594 nm. Bei der Zentralwellenlänge der Mess-Wellenlänge kann es sich auch um eine atmosphärische Wasserbande, beispielsweise im Wellenlängenbereich um 900 nm, beispielsweise bei 905 nm, handeln. Die FWHM Wellenlängen-Bandbreite kann je nach Ausführung der Messlichtquelle höchstens 3 THz, höchstens 2 THz, höchstens 1 THz, höchstens 0,5 THz, höchstens 0,2 THz, höchstens 0,1 THz, höchstens 0,05 THz, höchstens 0,02 THz oder auch höchstens 0,01 THz betragen.
  • Nachfolgend wird die Messvorrichtung 1 mit Einsatz einer Mess-Wellenlänge von 759,4 nm beispielhaft erläutert.
  • Bei dem schmalbandigen Bandpaß-Filter 8 kann es sich um einen Etalon-Filter handeln. Alternativ kann der schmalbandige Bandpaß-Filter ausgeführt sein als ein Monochromator mit mindestens einem Beugungsgitter, als ein Monochromator mit mindestens einem dispersiven Prisma, als mindestens ein Interferenz-Filter, als eine Kombination aus mehreren Filtertypen, beispielsweise aus einer Kombination mehrerer Interferenz-Filter oder einer Kombination eines anderen Filtertyps mit einem Etalon, oder auch als Kombination aus mindestens einem Beugungsgitter, mindestens einem dispersiven Prisma und mindestens ein (Interferenz-)Filter.
  • Der Messlichtstrahl 9 trifft dann auf das Objekt 2 und wird von diesem als Detektionslicht 10 reflektiert bzw. gestreut. Im Anschluss wird der Detektionsstrahl 10 von der Detektionseinrichtung 4 mit dem Sensor 3 erfasst.
  • Die Detektionseinrichtung 4 hat im Strahlengang des Detektionsstrahls 10 nach dem Objekt zunächst einen weiteren Bandpaß-Filter 11. Bei diesem kann es sich ebenfalls um einen schmalbandigen Bandpaß-Filter nach Art des Bandpaß-Filters 8 und/oder um einen breitbandigeren Bandpaß-Filter handeln, der zusätzlich zur Mess-Wellenlänge mindestens einen Zusatz-Mess-Wellenlängenbereich außerhalb eines schmalbandigen Bereichs um die Mess-Wellenlängen filtert, so dass ein hinsichtlich seiner Wellenlänge vorgefilterter Detektionsstrahl 12 mit der Mess-Wellenlänge und ggf. zusätzlich mit Detektionsstrahlanteilen innerhalb des Zusatz-Mess-Wellenlängenbereichs von der nachfolgenden Detektionseinrichtung 4 weiterverarbeitet wird. Der Zusatz-Mess-Wellenlängenbereich kann sichtbare (VIS-)Wellenlängen, insbesondere Wellenlängenanteile im roten (R), grünen (G) und blauen (B) Bereich des sichtbaren Spektrums beinhalten. Der Zusatz-Messwellenbereich kann auch Wellenlängenanteile im nahen Infrarot (NIR) aufweisen. Die Detektionsstrahlen 10, 12 können als reflektierte oder gestreute Messlichtstrahlen verstanden werden.
  • Der vorgefilterte Detektionsstrahl 12 tritt dann in eine Objektiveinheit 13 der Detektionseinrichtung 4 ein. Zur Objektiveinheit 13 gehört zunächst ein Objektiv 14, welches so ausgelegt ist, dass es, gegebenenfalls unter Einsatz einer Zwischenabbildung, das Objekt 2 auf den Sensor 3 abbildet. Im Bereich einer Zwischenbildebene der Mess-Wellenlänge ist eine Lochblende 15 der Objektiveinheit 13 angeordnet. Das Objektiv 14 kann so ausgelegt sein, dass eine Abbildung des Objekts für VIS-Wellenlängen scharf auf den Sensor 3 erfolgt. Für nahe Infrarot-Wellenlängen kann, beispielsweise durch Ausnutzung einer chromatischen Objektivwirkung, bewusst eine unscharfe Abbildung herbeigeführt werden, was insbesondere im Zusammenspiel mit der Lochblende 15 zur Entfernungsmessung des Objekts 2 genutzt werden kann.
  • 2 zeigt eine Aufsicht auf die Lochblende 15. Diese weist ein zentrales Blendenloch 16 zum Durchtritt des vorgefilterten Detektionsstrahls 12 mit der Mess-Wellenlänge auf, also beispielsweise des Detektionsstrahls mit der Wellenlänge 759,4 nm. Das Blendenloch 16 wird randseitig begrenzt von einem Blendenkörper 17 der Lochblende 15. Der Blendenkörper 17 hat eine Transmission für die Mess-Wellenlänge, die kleiner ist als 1 % und die insbesondere um mehrere Größenordnungen für die Mess-Wellenlänge blockend sein kann. Der Blendenkörper 17 hat weiterhin eine Transmission für den Zusatz-Mess-Wellenlängenbereich, die größer ist als 10 % und die größer sein kann als 50 %, größer sein kann als 75 %, größer sein kann als 80 % und auch größer sein kann als 90 %. Auch der Blendenkörper 17 ist daher ein Filter.
  • Die Lochblende kann auch in einer Zwischenbildebene des Objektivs 14 für sichtbare Wellenlängen des Zusatz-Mess-Wellenlängenbereichs angeordnet sein. Die Lochblende 15 kann zu einer Bildebene des Objektivs 14 für Wellenlängen im Bereich des nahen Infrarot beabstandet angeordnet sein.
  • Nach Durchtritt durch die Lochblende 15 trifft der vorgefilterte Detektionsstrahl 12 dann auf eine Sensoreinheit 18, zu der neben dem eigentlichen ortsauflösenden Sensor 3 mit einer Mehrzahl oder Vielzahl von Sensorpixeln eine vorgelagerte Bandpaß-Filteranordnung 19 gehört. Die Filteranordnung 19 hat verschiedene Filterpixel, die den Sensorpixeln des Sensors 3 zugeordnet sind. Die Filterpixel gehören zu mehreren unterschiedlichen Filterpixel-Typen, die jeweils als Bandpaß-Filterpixel ausgeführt sind. Je nach Filtertyp des Filterpixels werden ein Wellenlängenbereich im roten, grünen oder blauen oder nahen Infraroten des Zusatz-Mess-Wellenlängenbereichs sowie die Mess-Wellenlänge durchgelassen. Bei den Pixel-Filtertypen handelt es sich also um Typen „R“ (roter Wellenlängenbereich wird durchgelassen), „G“ (grüner Wellenlängenbereich wird durchgelassen), „B“ (blauer Wellenlängenbereich wird durchgelassen) oder „NIR“ (naher infraroter Wellenlängenbereich wird durchgelassen).
  • Der entsprechend von der Bandpaß-Filteranordnung 19 durchgelassene, gefilterte Detektionsstrahl 12 trifft dann auf den ortsauflösenden Sensor 3. Über die Bandpaß-Filteranordnung 19 kann mit dem Sensor 3 neben der Messung im Bereich der schmalbandigen Messwellenlänge auch noch eine Bilderfassung, die das Tageslicht nutzt, erfolgen. Es kann hierbei eine RGB- oder auch eine RGB NIR-Bilderfassung geschehen.
  • Die Messlichtquelle 5, insbesondere die Rohstrahl-Lichtquelle 6, einerseits und die Detektionseinrichtung 4, insbesondere der Sensor 3, andererseits stehen über Signalleitungen 20, 21 mit einer Steuereinrichtung 22 der Messvorrichtung 1 in Signalverbindung. Die Steuereinrichtung 22 steht über eine weitere Signalleitung 23 mit einer Auswerteeinrichtung 24 der Messvorrichtung 1 in Signalverbindung. Die Auswerteeinrichtung 24 steht über eine weitere Signalleitung 25 mit der Detektionseinrichtung 4 und insbesondere mit dem Sensor 3 in Signalverbindung.
  • Die Steuereinrichtung 22 kann zur Temperaturregelung der Rohstrahl-Lichtquelle 6 ausgeführt sein, so dass die Emissionswellenlänge des Rohstrahls 7 stabilisiert ist. Diese Wellenlängenstabilisierung kann über eine Wellenlängen-Messeinheit, die z. B. die Wellenlänge eines vom Rohstrahl 7 ausgekoppelten Teilstrahls misst, überwacht werden. Alternativ oder zusätzlich können auch die Filter 8, 11, 19 wellenlängen- und insbesondere temperaturstabilisiert sein, was ebenfalls über eine Temperaturregelung der Steuereinrichtung 22 geschehen kann.
  • Mit Hilfe der Detektionseinrichtung 4 erfolgt eine Bestimmung der Entfernung des Objekts 2 zum Sensor 3. Verschiedene Varianten der Detektionseinrichtung 4 werden nachfolgend anhand der 3 bis 5 näher erläutert. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 bereits beschrieben wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
  • 3 zeigt eine Ausführung der Detektionseinrichtung 4 mit zwei Kameras 26, die miteinander eine binokulare Stereokameradetektion gewährleisten. Hierüber lässt sich durch ein entsprechendes stereo-bildgebendes Verfahren eine Messung des Abstandes des Objekts 2 von den Sensoren 3 durchführen. Der Messlichtstrahl 9 kann dabei zur Verbesserung des Messergebnisses texturiert bzw. strukturiert sein. Beispiele für eine derartige Detektionseinrichtung finden sich in der WO 2012/095 258 A1 , der US 9 451 237 sowie in der WO 2013/020 872 A1 . Die Entfernungsmessung kann Triangulations-Algorithmen nutzen. Die Texturierung des Detektionsstrahls 10 kann dadurch erfolgen, dass der Laserstrahl als Vielzahl von einzelnen das Objekt in Form eines Rasters erfassenden Einzelstrahlen aufgebaut ist.
  • 4 zeigt eine Variante der Ausführung der Detektionseinrichtung 4 mit genau einer Kamera 26. Die Messung der Entfernung des Objekts 2 zum Sensor 3 kann dabei durch Einsatz eines strukturierten Messlichtstrahls 9 geschehen, z. B. durch Einsatz eines Messlichtstrahls mit einer Linien- und/oder Rasterstruktur. Auch hierzu können diejenigen Varianten von Detektionseinrichtungen zum Einsatz kommen, die in den vorstehend zitierten Druckschriften und den dort angegebenen Referenzen diskutiert sind. Ein Sensor 3 der Detektionseinrichtung 4 kann bei einer der vorstehend beschriebenen Varianten der Detektionseinrichtung 4 auch ausgestaltet sein, wie in der WO 2012/110 924 A1 beschrieben, und insbesondere eine Mehrzahl von Sensorschichten aufweisen.
  • Als Kamera 26 kann eine Tiefenmesskamera verwendet werden, die aus industriellen Anwendungen bekannt ist.
  • 5 zeigt eine Variante der Detektionseinrichtung 4, bei der das LIDAR (light detection and ranging)-Messverfahren zum Einsatz kommt. Zu Details wird verwiesen auf den Fachartikel von H. Härter, LIDAR-Technik, Sensorik als Schlüsseltechnik für autonomes Fahren, Elektronikpraxis, 17.07.2017. Als Objekt 2 kann bei der Detektionseinrichtung 4 nach 5 auch ein Aerosol-Volumen vermessen werden. Detektionstechniken können dabei übernommen werden, die beispielsweise bei mobilen Geschwindigkeitskontrollen bereits bekannt sind. Die Messung kann als Laufzeitmessung ausgesandter Messlicht-Impulse (time of flight, ToF) zwischen der Messlichtquelle 5 und der mindestens einen Detektionseinrichtung 4 erfolgen.
  • Anhand der 6 und 7 wird nachfolgend diskutiert, welcher Vorteil beim Signal/Rauschverhältnis sich durch Einsatz eines möglichst schmalbandigen Bandpaß-Filters 8 bei der Messlichtquelle 5 ergibt. In der 6 links ist schematisch die Wirkung einer ersten Variante des schmalbandigen Bandpaß-Filters 8 dargestellt. Diese Variante in der 6 links hat eine Bandbreite von beispielsweise 4 THz. Aus der Wellenlängen-Bandbreite des Rohstrahls 7, der von unten auf den Filter 8 trifft, wird der schmalbandigere Messlichtstrahl 9 bzw. der vorgefilterte Detektionsstrahl 12 selektiert. Zwischen den Wellenlängen λmin_wide und λmax_wide verbleibt eine Bandbreite des Messlichtstrahls 9 bzw. des vorgefilterten Detektionsstrahls 12 von z. B. 4 THz. Eine Gesamtenergie EML des Messlichtstrahls 9 ist durch eine Fläche des durchgelassenen Messlichtstrahls 9 in der 6 links veranschaulicht.
  • In der 6 rechts ist die Wirkung eines im Vergleich zur 6 links schmalbandigeren Bandpaß-Filters 8 dargestellt, der zu einer geringeren Wellenlängen-Bandbreite des Messlichtstrahls 9 bzw. des vorgefilterten Detektionsstrahls 12 von z. B. 2 THz führt. Diese schmalbandigere Wellenlängen-Bandbreite ist begrenzt von den Wellenlängen λmin_narrow und λmax_narrow. Um einen Messlichtstrahl 9 mit gleicher Energie EML, wiederum veranschaulicht durch eine Fläche in der 6 rechts, bereitzustellen, muss ein entsprechend energiereicherer Rohlichtstrahl 7 von der Rohstrahl-Lichtquelle bereitgestellt werden.
  • 7 zeigt entsprechend die Wirkung des Detektions-Bandpaß-Filters 11 der Detektionseinrichtung 4 bei einer ersten Bandbreite-Variante entsprechend der 6 links in der 7 links und bei einer zweiten, schmalbandigeren Bandbreite-Variante entsprechend 6 rechts in der 7 rechts. Zusätzlich zum jeweiligen Detektionsstrahl 10, der vom Objekt 2, ausgehend von unten nach oben den Detektions-Bandpaß-Filter 11, durchtritt, kommt bei der Mess-Wellenlängen- bzw. im Zusatz-Mess-Wellenlängenbereich auch ein Rauschanteil 27 insbesondere des Sonnenlichts durch den jeweiligen Filter hindurch. Dieser Rauschanteil 27 hat wiederum eine Wellenlängen-Bandbreite, die der Bandbreite des jeweiligen Detektions-Bandpaß-Filters 11 entspricht. Aus dem Vergleich der 7 links mit der 7 rechts ergibt sich unmittelbar einsichtig, dass bei Einsatz des schmalbandigeren Detektionsbereich-Bandpaß-Filters 11 im Bereich der Mess-Wellenlänge bzw. im Bereich der durchgelassenen Zusatz-Mess-Wellenlängenbereiche ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis folgt.
  • Der Sonnenlichtanteil, der den Detektions-Bandpaß-Filter 11 in der 7 rechts mit der geringeren Wellenlängen-Bandbreite durchtritt, hat einen Energieanteil, der im Verhältnis zum vorgefilterten Detektionsstrahl 12, der diesen Detektions-Bandpaß-Filter 11 durchtritt, geringer ist als bei Verwendung eines im Vergleich hierzu weniger schmalbandigen Detektions-Bandpaß-Filters 11 bei der Konfiguration nach 7 links. Es folgt bei der schmalbandigeren Variante des Detektions-Bandpaß-Filters 11 in der 7 rechts eine bessere Signal-Rauschunterdrückung als bei der Variante in der 7 links.
  • Anhand der 8 (a bis f) werden nachfolgend verschiedene Filtervarianten für die vorstehend erläuterten Filter 8, 11, 15 und 19 erläutert.
  • 8a zeigt eine Ausführung des schmalbandigen Bandpaß-Filters 8 oder 11. Dargestellt ist die Transmission dieses Filters über die Wellenlänge. Diese Transmission hat ein scharf ausgeprägtes Maximum bei der ausgewählten Mess-Wellenlänge, im dargestellten Beispiel die Fraunhofer-Linie A im nahen Infrarot (NIR). Überall sonst ist die Transmission des Filters nach 8a sehr klein und insbesondere kleiner als 0,1 % oder auch noch kleiner. Eine Unterdrückung durch einen solchen Filter, also ein Verhältnis zwischen der Transmission im Maximum der gewählten Messwellenlänge und der höchstens Transmission außerhalb der gewünschten Wellenlängen-Bandbreite um diese Messwellenlänge kann drei Größenordnungen, vier Größenordnungen, fünf Größenordnungen oder besser sein. Die Wellenlängen-Bandbereite der Transmission liegt im Bereich von 5 THz oder besser, wie vorstehend bereits erläutert.
  • 8b zeigt den Transmissionsverlauf einer Ausführung des Detektions-Bandpaß-Filters 11. Zusätzlich zum schmalbandigen Bandpaß im Bereich der gewählten Messwellenlänge im NIR lässt dieser Filter gemäß 8b breitbandig den VIS-Spektralbereich mit den Supbereichen B (blau), G (grün) und R (rot) vollständig durch.
  • Eine Bandbreite im VIS-Bereich liegt dabei beispielsweise im gesamten Bereich der Schtbaren, überdeckt also den Bereich zwischen 250 nm bis beispielsweise 750 nm.
  • Die 8c bis 8f zeigen Ausführungen der jeweiligen Pixel-Bandpaß-Filtertypen der Bandpaß-Filteranordnung 19. 8c zeigt einen Filtertyp für den blauen Spektralbereich mit einer breiten Wellenlängen-Bandbreite, die für den gesamten blauen Bereich beispielsweise von 250 nm bis 480 nm erreichen kann.
  • 8d zeigt einen entsprechend breitbandigen Filtertypen für den grünen Spektralbereich, der beispielsweise von 480 nm bis 580 nm eine hohe Transmission aufweisen kann.
  • 8e zeigt entsprechend den Filtertypen für den roten Spektralbereich, der eine hohe Transmission, beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 580 nm und 750 nm, aufweisen kann.
  • 8f zeigt wiederum einen Pixel-Typ für das nahe Infrarot, der durchlässig sein kann für den Bereich 770 nm bis 1500 nm.
  • Bei λT ist in der 8 eine Trennwellenlänge zwischen den Spektralbereichen VIS und NIR eingezeichnet, die beispielsweise bei 760 nm liegen kann.
  • Bei der Entfernungsmessung kann die Ausmessung eines Airy-Patterns, welches durch Beugung an der Lochblende 15 entsteht, genutzt werden. Hierbei wird ein Kontrastwert bestimmt, der einem Intensitätsverhältnis des inneren Maximums des Airy-Patterns zum ersten Minimum zwischen dem Zentrum des Airy-Patterns und dem ersten umlaufenden Intensitätsring bestimmt. Bei einem bestimmten Objektabstand, für den das Objektiv 14 eingestellt ist, steht die Lochblende 15 genau in der Fokalebene, in der das Bild des Objektes entsteht. Dieser Objektabstand kann vergleichsweise niedrig sein, beispielsweise 1 m, und kann insbesondere im Bereich zwischen 10 cm und 10 m liegen. Bei insbesondere größerem Objektabstand liegt die Lochblende 15 dann nicht mehr genau in der Bildebene der Objektabbildung und das Airy-Pattern erscheint nicht mehr scharf, sondern verliert an Kontrast. Diese Kontrastreduzierung ist bei größeren Objektabständen als dem voreingestellten Objektabstand, in dem die Lochblende 15 genau in der Bildebene liegt, monoton abnehmend. Nach einer Kalibrierungsmessung kann daher aus dem bestimmten Airy-Kontrastwert auf den Objektabstand geschlossen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 10150336 B4 [0002]
    • DE 69212966 T2 [0002]
    • WO 2012/095258 A1 [0005, 0034]
    • US 9451237 [0005, 0034]
    • WO 2013/020872 A1 [0005, 0034]
    • WO 2012/110924 A1 [0035]

Claims (11)

  1. Vorrichtung (1) zur Messung einer Entfernung eines Objektes (2) zu einem Sensor (3) einer Detektionseinrichtung (4) im Abstandsbereich von höchstens 500 m, - mit einer Messlichtquelle (5), die einen hinsichtlich seiner Wellenlänge schmalbandigen Messlichtstrahl (9) erzeugt mit einer Mess-Wellenlänge im Bereich zwischen 250 nm und 1500 nm und einer Wellenlängen-Bandbreite, die kleiner ist als 5 THz, - wobei die Detektionseinrichtung (4) zur Detektion des vom Objekt (2) mit der Mess-Wellenlänge reflektierten oder gestreuten Messlichtstrahls (10, 12) ausgeführt ist, wobei die Detektionseinrichtung (4) den Sensor (3) zur Erfassung des Messlichtstrahls (10, 12) aufweist.
  2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausführung derart, dass die Mess-Wellenlänge auf mindestens eine der Fraunhofer-Absorptionslinien im sichtbaren oder nahinfraroten Wellenlängenbereich abgestimmt ist.
  3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlichtquelle (5) umfasst: - eine Rohstrahl-Lichtquelle (6) zur Erzeugung eines hinsichtlich seiner Wellenlänge im Vergleich zum Messlichtstrahl (9) breitbandigeren Rohstrahls (7), - einen schmalbandigen Bandpaß-Filter (8), der aus dem Rohstrahl (7) die Mess-Wellenlänge selektiert.
  4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) einen schmalbandigen Bandpaß-Filter (11) umfasst, der in einem Strahlengang des Messlichtstrahls (10, 12) zwischen dem Objekt (2) und dem Sensor (3) die Mess-Wellenlänge selektiert.
  5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) ein Objektiv (14) zur Abbildung des Objekts (2) mit dem Messlichtstrahl (10, 12) aufweist.
  6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) eine Breitband-Bandpaß-Filtereinheit (11, 19) mit mindestens einem breitbandigen Bandpaß-Filter zur zusätzlichen Selektion mindestens eines Zusatz-Mess-Wellenbereiches außerhalb eines schmalbandigen Bereiches um die Mess-Wellenlänge aufweist.
  7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitband-Bandpaß-Filtereinheit (11, 19) mindestens einen Breitband-Bandpaß-Filter (R, G, B) im sichtbaren Bereich (VIS) und/oder mindestens einen Bandpaß-Filter (NIR) im Bereich des nahen Infrarot aufweist.
  8. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) eine Lochblende (15) im Strahlengang zwischen dem Objektiv (14) und dem Sensor (3) aufweist.
  9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (15) von einer Bildebene des Objektivs (14) für Wellenlängen im Bereich der Mess-Wellenlänge für zu vermessende Objektabstände beabstandet angeordnet ist.
  10. Messvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (15) aus einem Material gefertigt ist, welches für Zusatz-Mess-Wellenlängen des Zusatz-Mess-Wellenlängenbereichs nach Anspruch 6 im sichtbaren Bereich (VIS) durchlässig ist und für Mess-Wellenlängen im Bereich des nahen Infrarot (NIR) blockt.
  11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) eine Bandpaß-Filteranordnung (19) mit verschiedenen Pixel-Typen aufweist, die jeweils für einen bestimmten Wellenbereich im Bereich sichtbarer (VIS) und/oder naher infraroten (NIR) Wellenlängen durchlässig sind.
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