DE102019125720A1

DE102019125720A1 - Steuerung mit geschlossenem regelkreis für lichtscanner

Info

Publication number: DE102019125720A1
Application number: DE102019125720.4A
Authority: DE
Inventors: Dominic Lakatos
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Lichtscanners unter Verwendung einer Steuerung mit geschlossenem Regelkreis, wobei der Lichtscanner einen Spiegel, eine Betätigungsvorrichtung und eine elastische Halterung des Spiegels umfasst. Das Verfahren umfasst das Erhalten eines Datenpunktes, der einen Zustand des Spiegels anzeigt, das Erhalten eines Referenzdatenpunktes, der einen Referenzzustand des Spiegels anzeigt, aus einem vordefinierten Satz von Referenzdatenpunkten auf der Grundlage einer vordefinierten Übertragungsfunktion des Lichtscanners und einen Vergleich zwischen dem Zustand und dem Referenzzustand. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen eines Steuersignals der Betätigungsvorrichtung und das Ausgeben des Steuersignals an die Betätigungsvorrichtung, um eine Bewegung des Spiegels durch Verformung eines Federelements der elastischen Halterung bereitzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele der Erfindung beziehen sich auf die Steuerung eines einen Spiegel umfassenden Lichtscanners. Verschiedene Beispiele der Erfindung beziehen sich speziell auf eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis, z.B. eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung oder eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Regulierung.
HINTERGRUND
Spiegel für das Scannen von Licht (Scanspiegel) werden in verschiedenen Anwendungsfällen benötigt. Ein beispielhafter Anwendungsfall ist die Abstandsmessung mit Licht (Light Detection and Ranging; LIDAR; manchmal auch als Laser Ranging oder LADAR bezeichnet). Gepulstes oder Dauerstrich-Laserlicht wird transmittiert und nach Reflexion an einem Objekt detektiert. Zur Bereitstellung einer lateralen Auflösung wird Licht über ein Sichtfeld (Field-of-View, FOV) mit Hilfe eines beweglichen Scanspiegels einer Scaneinheit eines Lichtscanners gescannt.
Konventionelle Techniken zur Steuerung eines Scanspiegels, genauer gesagt zur Steuerung der Bewegung des Scanspiegels, beinhalten eine PLL-Steuerung (Phase-Locked-Loop). Hierbei wird eine Phase der Bewegung des Scanspiegels in Bezug auf eine Referenzphase eingestellt; dadurch kann insbesondere ein resonantes Scannen erreicht werden.
Allerdings ist die PLL-Steuerung mit gewissen Einschränkungen und Nachteilen verbunden. Beispielsweise kann die Genauigkeit der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis begrenzt sein. Auch die Flexibilität bei der Anpassung der Bewegung des Scanspiegels kann begrenzt sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Daher besteht ein Bedarf an fortschrittlichen Techniken zur Steuerung der Bewegung eines Scanspiegels. Insbesondere besteht ein Bedarf an Techniken, die zumindest einige der oben genannten Nachteile und Einschränkungen überwinden oder abschwächen.
Dieses Bedürfnis wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
Ein Verfahren zur Steuerung eines Lichtscanners unter Verwendung einer Steuerung mit geschlossenem Regelkreis wird bereitgestellt. Der Lichtscanner beinhaltet einen Spiegel, eine Betätigungsvorrichtung und eine elastische Halterung des Spiegels. Das Verfahren beinhaltet das Erhalten eines Datenpunktes, der einen Zustand des Spiegels anzeigt. Das Verfahren beinhaltet auch das Erhalten eines Referenzdatenpunktes, der einen Referenzzustand des Spiegels anzeigt. Der Referenzdatenpunkt wird aus einem vordefinierten Satz von Referenzdatenpunkten erhalten. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen eines Steuersignals der Betätigungsvorrichtung; dieses basiert auf einer vordefinierten Übertragungsfunktion des Lichtscanners und einem Vergleich zwischen dem Zustand und dem Referenzzustand. Das Verfahren beinhaltet ferner das Ausgeben des Steuersignals an die Betätigungsvorrichtung, um dadurch eine Bewegung des Spiegels durch Verformung eines Federelements der elastischen Halterung bereitzustellen.
Die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung oder eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Regulierung sein.
Die elastische Halterung und der Spiegel können ein Masse-Feder-System bilden. Das Masse-Feder-System kann mehrere Freiheitsgrade haben, z.B. Torsion und Biegung. Das Masse-Feder-System kann einen Oszillator implementieren. Der Oszillator kann periodisch kinetische Energie in potentielle Energie umwandeln und umgekehrt.
Die elastische Halterung kann mehrere Federelemente beinhalten. Jedes Federelement kann faserförmig sein und eine Länge im Bereich von 2 mm bis 10 mm haben. Mehrere Federelemente können parallel zueinander angeordnet sein, z.B. in einer, zwei oder mehreren Ebenen.
Es ist davon auszugehen, dass die oben genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert verwendet werden können, ohne vom Erfindungsumfang abzuweichen.
Der Satz von Referenzdatenpunkten kann eine Referenztrajektorie des Spiegels definieren. Die durch die Bewegung des Spiegels definierte tatsächliche Trajektorie kann dann mit der Referenztrajektorie abgestimmt werden.
Eine Vorrichtung umfasst einen Steuerschaltkreis. Der Steuerschaltkreis ist so gestaltet, um unter Verwendung einer Steuerung mit geschlossenem Regelkreis einen Lichtscanner zu steuern. Der Lichtscanner beinhaltet einen Spiegel, eine Betätigungsvorrichtung und eine elastische Halterung des Spiegels. Der Steuerschaltkreis ist so gestaltet, um einen Datenpunkt zu erhalten, der einen Zustand des Spiegels anzeigt. Die Steuerschaltung ist so gestaltet, um einen Referenzdatenpunkt zu erhalten, der einen Referenzzustand des Spiegels anzeigt. Der Referenzdatenpunkt wird aus einem vordefinierten Satz von Referenzdatenpunkten erhalten. Die Steuerschaltung ist so gestaltet, um ein Steuersignal der Betätigungsvorrichtung zu bestimmen; dies basiert auf einer vordefinierten Übertragungsfunktion des Lichtscanners und einem Vergleich zwischen dem Zustand und dem Referenzzustand. Der Steuerschaltkreis ist so gestaltet, um das Steuersignal an die Betätigungsvorrichtung auszugeben, um dadurch eine Bewegung des Spiegels durch Verformung eines Federelements der elastischen Halterung bereitzustellen.
Beispielsweise könnte die Vorrichtung durch eine Steuereinheit eines Lichtscanners implementiert werden oder eine solche umfassen.
Ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt oder ein computerlesbares Speichermedium beinhaltet Programmcode. Der Programmcode kann von einem Steuerschaltkreis geladen und dann von dem Steuerschaltkreis ausgeführt werden. Dies veranlasst die Steuerschaltung, ein Verfahren zur Steuerung eines Lichtscanners unter Verwendung einer Steuerung mit geschlossenem Regelkreis durchzuführen. Der Lichtscanner beinhaltet einen Spiegel, eine Betätigungsvorrichtung und eine elastische Halterung des Spiegels. Das Verfahren beinhaltet das Erhalten eines Datenpunktes, der einen Zustand des Spiegels anzeigt. Das Verfahren beinhaltet auch das Erhalten eines Referenzdatenpunktes, der einen Referenzzustand des Spiegels anzeigt. Der Referenzdatenpunkt wird aus einem vordefinierten Satz von Referenzdatenpunkten erhalten. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen eines Steuersignals der Betätigungsvorrichtung; dieses basiert auf einer vordefinierten Übertragungsfunktion des Lichtscanners und einem Vergleich zwischen dem Zustand und dem Referenzzustand. Das Verfahren beinhaltet ferner das Ausgeben des Steuersignals an die Betätigungsvorrichtung, um dadurch eine Bewegung des Spiegels durch Verformung eines Federelements der elastischen Halterung bereitzustellen.
Es ist davon auszugehen, dass die oben genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert verwendet werden können, ohne vom Erfindungsumfang abzuweichen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Scanner einschließlich einer Scaneinheit anhand verschiedener Beispiele.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Beispielimplementierung der Scaneinheit und zeigt darüber hinaus die Torsion einer elastischen Halterung der Scaneinheit anhand verschiedener Beispiele.
3 zeigt schematisch eine durch Biegepiezos implementierte Betätigungsvorrichtung anhand verschiedener Beispiele.
4 zeigt schematisch eine durch Biegepiezos implementierte Betätigungsvorrichtung anhand verschiedener Beispiele.
5 zeigt schematisch eine durch Biegepiezos implementierte Betätigungsvorrichtung anhand verschiedener Beispiele.
6 zeigt schematisch den Betrieb der Biegepiezos anhand verschiedener Beispiele.
7 zeigt schematisch ein Steuersignal, das an die Biegepiezos ausgegeben wird, nach verschiedenen Beispielen.
8 zeigt schematisch die Ausgabe eines Steuersignals an die Biegepiezos nach verschiedenen Beispielen.
9 zeigt schematisch eine Oszillation eines durch ein Masse-Feder-System gebildeten Oszillators, die durch die elastische Halterung und den Spiegel der Scaneinheit implementiert wird, anhand verschiedener Beispiele, und zeigt darüber hinaus Datenpunkte anhand verschiedener Beispiele.
10 zeigt schematisch eine Steuereinheit des Lichtscanners anhand verschiedener Beispiele.
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach verschiedenen Beispielen.
12 zeigt schematisch eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung anhand verschiedener Beispiele.
13 zeigt schematisch einen Beobachter der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung nach verschiedenen Beispielen.
14 zeigt schematisch eine Referenztrajektorie und Referenzdatenpunkte auf der Referenztrajektorie, wobei die Referenzdatenpunkte eine geordnete Folge implementieren, nach verschiedenen Beispielen.
15 zeigt schematisch eine Übertragungsfunktion des Scanners anhand verschiedener Beispiele.
16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach verschiedenen Beispielen.
17 zeigt schematisch eine Referenztrajektorie einschließlich einer zeitlich veränderlichen Amplitude einer Torsion der elastischen Halterung der Scaneinheit nach verschiedenen Beispielen.
18 zeigt schematisch zwei sequentielle Scaneinheiten anhand verschiedener Beispiele.
19 zeigt schematisch ein von den beiden sequentiellen Scaneinheiten implementiertes Scanmuster anhand verschiedener Beispiele.
20 zeigt schematisch eine Referenztrajektorie, Referenzdatenpunkte auf der Referenztrajektorie, die eine geordnete Vielzahl implementiere, nach verschiedenen Beispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Einige Beispiele der vorliegenden Offenlegung sehen im Allgemeinen eine Vielzahl von Schaltkreisen oder andere elektrische Vorrichtungen vor. Alle Verweise auf die Schaltkreise und andere elektrische Vorrichtungen und die von ihnen jeweils bereitgestellte Funktionalität sollen nicht darauf beschränkt sein, nur das zu umfassen, was hier dargestellt und beschrieben wird. Zwar können den verschiedenen offengelegten Stromkreisen oder anderen elektrischen Vorrichtungen bestimmte Kennzeichnungen zugeordnet werden, doch sollen diese Kennzeichnungen nicht den Funktionsumfang der Stromkreise und der anderen elektrischen Vorrichtungen einschränken. Solche Stromkreise und andere elektrische Vorrichtungen können je nach gewünschter Art der elektrischen Implementierung in beliebiger Weise miteinander kombiniert und/oder voneinander getrennt werden. Es wird anerkannt, dass jeder hier offen gelegte Schaltkreis oder jede andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Mikrocontrollern, eine Graphikprozessoreinheit (GPU), integrierte Schaltkreise, Speicherbausteine (z.B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbare Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbare programmierbare Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software beinhalten kann, die miteinander zusammenwirken, um die hier offen gelegte(n) Operation(en) auszuführen. Darüber hinaus können eine oder mehrere der elektrischen Vorrichtungen so gestaltet sein, um einen Programmcode auszuführen, der in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium verkörpert ist, das so programmiert ist, dass es eine beliebige Anzahl der hier offengelegten Funktionen ausführt.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen ist. Der Umfang der Erfindung soll weder durch die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen noch durch die Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen sollen, eingeschränkt werden.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten, und die in den Zeichnungen abgebildeten Elemente sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr werden die verschiedenen Elemente so dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann erkennbar werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Bauteilen oder anderen in den Zeichnungen dargestellten oder hier beschriebenen physikalischen oder funktionellen Einheiten kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Kopplung zwischen Komponenten kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden.
Im Folgenden werden die Techniken in Bezug auf Spiegel beschrieben. Die Spiegel können zur Ablenkung von Licht, z.B. von Laserlicht, verwendet werden. Die Spiegel können bewegt werden, z.B. durch eine elastische Halterung. Dabei kann das Licht über ein FOV gescannt werden. Daher beziehen sich die hier beschriebenen Techniken im Allgemeinen auf Scanspiegel.
Nachfolgend werden Techniken zur Steuerung eines Lichtscanners einschließlich eines Scanspiegels beschrieben. Die Techniken erleichtern die Steuerung der Bewegung des Lichtscanners. Je nach Implementierung können verschiedene Arten und Typen von Bewegungen gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Neigung und/oder eine Rotation und/oder eine Translation des Scanspiegels gesteuert werden. Ein oder mehrere solcher Parameter eines Zustands des Scanspiegels können der Steuerung unterworfen werden.
Die hier beschriebenen Techniken können in verschiedenen Anwendungsfällen Anwendung finden. Beispiele für Anwendungsfälle beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt: Light Detection and Ranging (LIDAR; manchmal auch als LADAR bezeichnet) mit lateraler Auflösung, Spektrometer, Projektoren, Endoskope, etc.
Beispielsweise können die hier beschriebenen Techniken das 1-D- oder 2-D-Scannen von Licht erleichtern. Das Scannen von Licht kann einer sich wiederholenden Transmission von Licht unter verschiedenen Transmissionswinkeln entsprechen. Dazu kann das Licht von einem Scanspiegel eines Scanners oder von mehreren in Folge angeordneten Scanspiegeln eines Scanners abgelenkt werden.
Nach verschiedenen Beispielen wäre es möglich, Laserlicht zu scannen. Beispielsweise kann kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es kann polarisiertes oder nicht-polarisiertes Laserlicht verwendet werden. Gepulstes Laserlicht kann verwendet werden. Beispielsweise können kurze Laserpulse mit einer Breite im Bereich von Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden verwendet werden. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 Nanometer haben, konkret 1550 Nanometer oder 950 Nanometer. Der Einfachheit halber wird im Folgenden in erster Linie auf Laserlicht Bezug genommen; die verschiedenen beschriebenen Beispiele lassen sich ohne weiteres auf Scanlicht von Nicht-Laserlichtquellen, z.B. RGB-Lichtquellen, Leuchtdioden etc., anwenden.
In der Regel erleichtern die hier beschriebenen Techniken die Bewegung des Spiegels zum Scannen von Licht durch elastische Verformung eines oder mehrerer Federelemente einer elastischen Halterung. Das eine oder die mehreren Federelemente können sich zwischen einer Basis und dem Spiegel erstrecken. Durch die elastische Verformung kann sich der Spiegel in Bezug auf ein festes Bezugskoordinatensystem bewegen. Solche Techniken werden manchmal als reibungsloses Scannen bezeichnet, z.B. im Vergleich zu Spiegeln, die ein Lager, ein Kugellager etc. beinhalten.
Das eine oder mehrere Federelemente können z.B. auf Torsion und/oder Biegung ausgelegt sein, um den Spiegel zu bewegen. In einem Beispiel stellen das eine oder die mehreren Federelemente eine formbedingte Elastizität bereit. Das eine oder die mehreren Federelemente können z.B. eine Stabform haben. Das eine oder die mehreren Federelemente können eine Länge im Bereich von 2 Millimeter - 8 Millimeter haben, z.B. im Bereich von 3 Millimeter - 6 Millimeter. Der Querschnittsdurchmesser des einen oder der mehreren Federelemente kann im Bereich von 50 Mikrometer - 250 Mikrometer liegen. Es wäre möglich, dass das eine oder die mehreren Federelemente und/oder der Spiegel aus Silikon gebildet werden.
In der Regel ist es möglich, eine elastische Halterung zu verwenden, die mehr als ein einzelnes Federelement beinhaltet. Beispielsweise ist es möglich, mehrere Federelemente einzusetzen, die in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind und parallel zueinander stehen.
Bei verschiedenen Techniken wäre es möglich, dass die elastische Halterung und/oder der Spiegel mit Techniken mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) hergestellt werden. Beispielsweise können geeignete Prozessschritte und/oder Ätzprozessschritte (z.B. reaktives Ionenstrahlätzen) auf einen Wafer angewendet werden, um das Federelement und/oder den Spiegel zu bilden.
Wie bereits erwähnt, können die hier beschriebenen Techniken in verschiedenen Anwendungsfällen angewendet werden, die das Scannen von Licht erfordern, z.B. in einem Sendepfad und/oder einem Empfangspfad. Verschiedene Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass es wünschenswert sein kann, eine hochgenaue laterale Auflösung des Scannens über das FOV bereitzustellen. Dazu kann in den hier beschriebenen Beispielen eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis für die Bewegung des Spiegels eingesetzt werden.
Gemäß den Beispielen wird eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis eingesetzt. Beispielsweise kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung oder zur Regulierung eingesetzt werden. Die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung und/oder zur Regulierung ist durch die Verwendung eines Satzes von Referenzdatenpunkten gekennzeichnet. Der tatsächliche Zustand des Spiegels wird mit diesem Satz von Referenzdatenpunkten verglichen; dadurch kann der Zustand des Spiegels nachverfolgt werden. Typischerweise wird der Zustand des Spiegels im Wesentlichen über die gesamte Bewegung des Spiegels verfolgt/reguliert.
Genauer gesagt wäre es möglich, ein Steuersignal zu bestimmen, das an die Betätigungsvorrichtung ausgegeben wird, basierend auf einem Datenpunkt eines Messsignals, wobei der Datenpunkt den Zustand des Spiegels anzeigt, sowie basierend auf einem Referenzdatenpunkt des Satzes von Referenzdatenpunkten. Der Referenzdatenpunkt kann einen Referenzzustand des Spiegels anzeigen. Dann wäre es möglich, einen Vergleich zwischen dem Zustand des Spiegels und dem Referenzzustand des Spiegels durchzuführen. Das Steuersignal für eine Betätigungsvorrichtung des Lichtscanners kann dann bestimmt und an die Betätigungsvorrichtung ausgegeben werden, um damit eine Bewegung des Spiegels durch Verformung des Federelements bereitzustellen. Alle derartigen Vorgänge können eine Steueraktion definieren. Steueraktionen können mit einer bestimmten Steuerrate wiederholt werden.
In der Regel gibt es verschiedene Optionen für die Implementierung der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung.
Beispielsweise könnten abhängig vom Szenario verschiedene Parameter des Zustands des Spiegels berücksichtigt werden. Um ein erstes Beispiel zu geben, wäre es möglich, die Pose des Spiegels zu berücksichtigen, d.h. die transversale oder laterale Position und/oder Rotation des Spiegels in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem. Als zweites Beispiel wäre es möglich, die Energie des Spiegels zu berücksichtigen, z.B. eine kinetische Energie und/oder potentielle Energie des Spiegels.
Darüber hinaus gibt es als weitere allgemeine Regel verschiedene Optionen zur Implementierung des Satzes von Referenzdatenpunkten. Beispielsweise wäre es in einem ersten Beispiel möglich, dass der Satz von Referenzdatenpunkten durch eine geordnete Folge von Referenzdatenpunkten implementiert wird. Mit anderen Worten, nachfolgende Steueraktionen können iterativ durch die geordnete Folge schalten. Das bedeutet, dass zunächst ein erster Referenzdatenpunkt an Position n der geordneten Folge erhalten und die entsprechende Steueraktion bestimmt wird; in der nächsten Iteration wird ein zweiter Referenzdatenpunkt an Position n+1 der in der entsprechenden Steueraktion erhaltenen geordneten Folgen durchgeführt. Vereinfacht ausgedrückt, definiert ein vorhergehender Referenzdatenpunkt den nachfolgenden Referenzdatenpunkt. Dabei kann durch Schalten durch die geordnete Folge von Referenzdatenpunkten eine Bewegung entlang der Referenztrajektorie definiert werden. Es ist jedoch nicht in allen Beispielen erforderlich, den Satz von Referenzdatenpunkten durch eine geordnete Folge von Referenzdatenpunkten zu implementieren: In einem zweiten Beispiel wäre es möglich, dass der Satz von Referenzdatenpunkten durch eine ungeordnete Vielzahl von Referenzdatenpunkten implementiert wird. In diesem Fall definiert der vorhergehende Referenzdatenpunkt nicht den nachfolgenden Referenzdatenpunkt. Vielmehr wäre es möglich, dass der Referenzdatenpunkt für eine bestimmte Steueraktion z.B. basierend auf einem Vergleich zwischen dem durch den Datenpunkt angezeigten Zustand des Spiegels und den durch die Referenzdatenpunkte angezeigten Referenzzuständen des Spiegels erhalten wird. Beispielsweise wäre es möglich, dass ein Abstand zwischen dem Zustand des Spiegels und den verschiedenen Referenzzuständen des Spiegels bestimmt wird; z.B. wäre es möglich, den bestimmten Referenzdatenpunkt zu erhalten, der den geringsten Abstand des zugeordneten Referenzzustandes zum aktuellen Zustand des Spiegels hat.
Bei der Bestimmung des Steuersignals ist es möglich, eine Übertragungsfunktion des Lichtscanners zu berücksichtigen. Die Übertragungsfunktion kann sich im Allgemeinen auf eine Abhängigkeit der Bewegung des Spiegels von dem Steuersignal beziehen, das an die mindestens eine Betätigungsvorrichtung ausgegeben wird. Daher kann die Übertragungsfunktion im Allgemeinen spezifizieren, wie die Bewegung des Spiegels verändert wird, wenn das an die mindestens eine Betätigungsvorrichtung ausgegebene Steuersignal verändert wird. Die Übertragungsfunktion könnte im Frequenzbereich definiert werden (dann wird die Übertragungsfunktion manchmal als Frequenzantwort bezeichnet). Die Übertragungsfunktion kann vordefiniert werden, d.h. empirisch gemessen werden, indem die Übertragungsfunktion in einer Zeit- oder Frequenzbereichskalibrierung abgetastet wird, oder anderweitig für den Lichtscanner des Scanners bestimmt und dann in einem internen Speicher des Scanners gespeichert wird.
Nach den verschiedenen hier beschriebenen Beispielen können Steueraktionen im Wesentlichen über den gesamten Bereich der Bewegung des Spiegels verteilt werden. Es wäre möglich, den Datenpunkt, der den Zustand des Spiegels anzeigt, mit einer Abtastrate zu erhalten, die viel höher ist als die Periodizität der Bewegung des Spiegels. Möglicherweise gibt es keine oder keine signifikanten Lücken bei dem Abtasten des Zustands des Spiegels. Mit anderen Worten, es kann im Wesentlichen die gleiche Abtastrate angewendet werden, um die Datenpunkte zu erhalten, die den Zustand des Spiegels über den gesamten Bewegungsbereich anzeigen. Dies steht im Gegensatz zu anderen Techniken, bei denen z.B. Datenpunkte nur bei oder um einen Nulldurchgang des Spiegels herum verfügbar sind (z.B. bei Verwendung elektrostatischer Kammantriebe mit einer Überlappungsformfunktion zwischen den interdigitalisierten Elektroden, die nur in der Nähe der Ruheposition Werte ungleich Null annimmt).
Durch Verwendung der Steuerung des Spiegels mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung kann eine hohe Genauigkeit in der Steuerung erreicht werden. Die Bewegung des Spiegels kann flexibel eingestellt werden. Insbesondere ist im Vergleich zur Steuerung mit einem geschlossenen Regelkreis mit PLL-Steuerung eine flexiblere Anpassung der Bewegung des Spiegels über den gesamten Bewegungsbereich möglich. Beispielsweise kann eine Amplitude des Spiegels gesteuert werden. Die Robustheit gegen hochfrequente Stöße wird deutlich verbessert. Anstatt die Phase der Bewegung des Spiegels mit einer Referenzphase an isolierten Beobachtungspunkten zu vergleichen, wie es bei der PLL-Steuerung mit geschlossenem Regelkreis typischerweise geschieht, ist es möglich, die Pose des Spiegels über den gesamten Bewegungsbereich genau zu steuern.
1 zeigt schematisch Aspekte in Bezug auf einen Lichtscanner 90 (im Folgenden einfach Scanner genannt).
Der Scanner 90 beinhaltet eine Scaneinheit 100. Die Scaneinheit 100 beinhaltet eine Basis 141. Die Scaneinheit 100 beinhaltet auch eine elastische Halterung 111 eines Scanspiegels 150 (im Folgenden einfach Spiegel genannt). Der Spiegel 150 ist so gestaltet, um Licht 180 um einen Transmissionswinkel 181 abzulenken und in einem festen Referenzkoordinatensystem zu bewegen, wodurch sich der Transmissionswinkel 181 ändert. Die maximalen Transmissionswinkel 181 definieren den FOV.
Die elastische Halterung 111 und der Spiegel 150 definieren ein Masse-Feder-System 199. Das Masse-Feder-System 199 wirkt als Oszillator: Biegung und/oder Torsion von Federelementen (nicht in 1 dargestellt) der elastischen Halterung 111 wandeln kinetische Energie in potentielle Energie um und umgekehrt.
Weiter in 1 dargestellt ist eine Betätigungsvorrichtung 172, der so gestaltet ist, um eine Kraft auf die elastische Halterung 111 und/oder den Spiegel 150 auszuüben, um dadurch eine reversible Verformung der elastischen Halterung 111 auszulösen. Diese Verformung führt zu einer Bewegung des Spiegels 150, d.h. zu einer Änderung der Position und/oder Ausrichtung des Spiegels 150, was wiederum eine Änderung des Transmissionswinkels 181 zur Folge hat.
Im Beispiel von 1 übt die Betätigungsvorrichtung 172 eine Kraft auf das Federelement 111 über eine Basis 141 aus, die an einem Ende 111A der elastischen Halterung 111 angeordnet ist, das auf der gegenüberliegenden Seite eines weiteren Endes 111B der elastischen Halterung 111 angeordnet ist, an dem der Spiegel 150 befestigt ist. Auf diese Weise stellt die elastische Halterung 111 eine Verstärkung der Bewegung der Basis 141 bereit, wodurch die Bewegung des Spiegels 150 gegenüber der Bewegung der Basis 141 verstärkt wird.
In der Regel sind verschiedene Implementierungen der Betätigungsvorrichtung 172 denkbar, z.B. der Betrieb basierend auf einer Magnetkraft, die auf die elastische Halterung 111 und/oder den Spiegel 150 ausgeübt wird, oder die Verwendung einer oder mehrerer piezoelektrischer Betätigungsvorrichtungen, die an die Basis 141 gekoppelt sind (eine entsprechende Implementierung ist in 1 schematisch gezeigt: hier wirkt die von der Betätigungsvorrichtung 172 ausgeübte Kraft auf die Basis 141).
Der Betrieb der Betätigungsvorrichtung 172 wird durch ein Steuersignal 179 gesteuert, das von einer Steuereinheit 171 ausgegeben wird. Die Steuereinheit 171 ist so gestaltet, um das Steuersignal 179 zu bestimmen. Dieses basiert auf einem Messsignal. Das Messsignal wird von einem Sensor 173 empfangen oder - in einem anderen Beispiel, das in 1 dargestellt ist - basierend auf einem Sensorsignal 177 bestimmt, das von dem Sensor 173 empfangen wird. Das Sensorsignal 177 zeigt den Zustand des Spiegels 150 an. Das Messsignal beinhaltet Datenpunkte, die den Zustand des Spiegels anzeigen. Genauer gesagt beinhaltet das Messsignal Datenpunkte, die einen oder mehrere Parameter für den Zustand des Spiegels 150 anzeigen.
Durch Ableiten des Messsignals aus dem Sensorsignal ist es möglich, verborgene Parameter des Zustands des Spiegels 150 zu bestimmen. Außerdem ist es möglich, Rauschen oder Störungen zu reduzieren, die im Sensorsignal 177 beinhaltet sind.
In anderen Beispielen wird das Messsignal direkt vom Sensor empfangen. Daher ist eine solche Verarbeitung des Sensorsignals 177 zum Erhalten des Messsignals im Allgemeinen optional.
In der Regel können verschiedene Arten und Typen von Sensoren 173 verwendet werden; und zusammen mit den verschiedenen Arten und Typen von Sensoren ist es auch möglich, verschiedene Parameter zu erfassen, die den Zustand des Spiegels 150 definieren. Um ein Beispiel zu geben, wäre es möglich, die Position und/oder Orientierung (Pose) des Spiegels innerhalb des Referenzkoordinatensystems zu erfassen. In einem anderen Beispiel könnte die Beschleunigung des Spiegels erfasst werden. Beispielsweise könnte ein magnetischer Winkelsensor verwendet werden, der eine Rotation des Spiegels 150 detektiert, indem er die Orientierung eines magnetischen Streufeldes eines am Spiegel befestigten magnetischen Materials misst. In der Regel hängt die Rotation des Spiegels 150 von einer Torsion der elastischen Halterung 111 ab. In einem weiteren Beispiel kann eine positionsempfindliche Vorrichtung verwendet werden, die einen Bruchteil des abgelenkten Lichts 180 detektiert und daraus auf die Pose des Spiegels 150 schließt. In einem weiteren Beispiel kann der Sensor 173 so gestaltet werden, um die Verformung der elastischen Halterung 111 zu bestimmen, z.B. durch magnetische Messungen oder elektrische Messungen, z.B. unter Verwendung von Sensorstreifen, die auf Federelementen der elastischen Halterung 111 angeordnet sind. Es wäre möglich, einen Beschleunigungssensor zu verwenden. In einem anderen Beispiel kann das Licht 180 zur Bestimmung der Pose des Spiegels 150 verwendet werden, z.B. unter Verwendung von Markierungen.
In der Regel wäre es möglich, verschiedene Anordnungen und/oder Typen von Sensoren 173 zu kombinieren. Dadurch können mehrere unabhängige Messungen eines oder mehrerer Parameter, die den Zustand des Spiegels 150 definieren, erhalten werden, was im Allgemeinen hilft, die Genauigkeit der Steuerung des Scanners 90 zu erhöhen.
2 zeigt Aspekte in Bezug auf die Scaneinheit 100. 2 ist eine perspektivische Betrachtung einer beispielhaften strukturellen Implementierung der Scaneinheit 100. Beispielsweise könnte die Scaneinheit 100 aus Silikon hergestellt werden, z.B. durch MEMS-Techniken oder Mikrobearbeitung.
Der Spiegel 150 des Beispiels aus 2 hat eine reflektierende Vorderseite als reflektierende Fläche (von der Sicht in 2 verdeckt); sowie eine gegenüberliegende Rückseite 152.
Im Beispiel von 2 erstrecken sich vier faserförmige Federelemente 112-115 der elastischen Halterung 111 zwischen den zwei Enden 111A, 111 B. Die Federelemente 112-115 erstrecken sich von der Rückseite 152 des Spiegels weg, in Richtung der Basis 141. Wie zu schätzen ist, erstreckt sich die elastische Halterung 111 von einem geometrischen Mittelpunkt der Rückseite 152 des Spiegels 150 weg. Eine Mittelachse 119 ist gezeigt. Ein Schnittstellenstück 142 ist an der Rückseite 152 des Spiegels angebracht und stellt eine Kopplung zwischen dem Spiegel 150 und der elastischen Halterung 111 bereit. Eine Flächennormale 151A der Spiegel-Vorderseite schließt mit der Mittelachse 119 einen Winkel von 45° ein.
2 zeigt auch Aspekte in Bezug auf den Sensor 173. Die sensitive Fläche 173A des Sensors 173 - hier als magnetischer Winkelsensor implementiert - ist in einem festen Referenzkoordinatensystem angeordnet und so gestaltet, um das Streumagnetfeld eines magnetischen Materials 149 zu erfassen, das sich mit dem Spiegel 150 bewegt.
Das untere linke Insert von 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A - A. Wie dargestellt, sind die Federelemente 112-115 mit einer vierfachen Rotationssymmetrie in Bezug auf die Mittelachse 119 der elastischen Halterung 111 angeordnet. Die Torsion 502 der Federelemente 112-115 um die Mittelachse ist gezeigt. Daraus ergibt sich eine Rotation des Spiegels 150 um die Achse 119. Durch Rotation des Spiegels 150 wird der Transmissionswinkel 181 verändert.
Diese Torsion 502 kann nach verschiedenen Beispielen resonant oder halbresonant angetrieben werden. Dann werden große Amplituden der Torsion 502 erreicht; und dementsprechend große Änderungen des Transmissionswinkels 181. Dies hilft, ein großes FOV bereitzustellen.
Ein weiterer Freiheitsgrad ist die Biegung 501, wie im unteren rechten Insert von 2 gezeigt. Typischerweise ist bei der Implementierung der Scaneinheit 100, wie in 2 gezeigt, die Biegung 501 unerwünscht und sollte klein gehalten werden.
Als nächstes werden Beispiele in Bezug auf die Betätigung des Masse-Feder-Systems 199 erläutert.
3 - 5 zeigen Aspekte in Bezug auf die Betätigungsvorrichtung 172. In den Beispielen der 3 - 5 wird die Betätigungsvorrichtung 172 durch ein Paar Biegepiezos 310, 320 implementiert. Die Biegepiezos 310, 320 sind an den Flügeln 146 der Basis 141 der Scaneinheit 100 befestigt. Während im Beispiel der 3 - 5 die Scaneinheit 100 nur ein einzelnes Federelement 112 beinhaltet, wäre es generell möglich, dass die Scaneinheit 100 mehrere Federelemente beinhaltet, z.B. wie in Verbindung mit 2 gezeigt. Weiterhin ist in den Bildern 3 - 5 der Einfachheit halber der Spiegel nicht abgebildet, sondern könnte an das Schnittstellenelement 142 angebracht werden (vgl. 2).
In der Regel wäre es möglich, statt eines Paares von Biegepiezos 310, 320 nur einen einzigen Biegepiezo zu verwenden (nicht gezeigt).
Durch Verwendung von Biegepiezos kann eine besonders effiziente und starke Betätigung und elastische Verformung der Federelemente 112 der elastischen Halterung 111 erreicht werden. Beispielsweise können sich die Biegepiezos 310, 320 biegen und dadurch die Basis 141 kippen. Durch Anlegen einer Spannung an elektrische Kontakte der Biegepiezos 310, 320 werden die Biegepiezos 310, 320 entlang der Längsachse 319, 329 gebogen. Dazu beinhalten die Biegepiezos 310, 320 typischerweise einen Schichtstapel aus verschiedenen Materialien (nicht dargestellt in 3-5). Dabei wird ein bewegliches Ende 315, 320 der Biegepiezos 310, 320 in Bezug auf ein festes Ende 311, 321 senkrecht zur jeweiligen Längsachse 319, 329 verschoben (im Beispiel von 3 ist diese Auslenkung senkrecht zur Zeichenebene orientiert). Diese Auslenkung 399 der Biegepiezos 310, 320 ist in 5 gezeigt.
5 ist eine Seitenansicht der Biegepiezos 310, 320. 5 gezeigt die Biegepiezos 310, 320 in ihrer Ruhelage, z.B. wenn ein Nullpegel des Steuersignals 179 angelegt wird.
Nochmals auf 3 Bezug nehmend: Beispielsweise wäre es möglich, dass das feste Ende 311, 321 eine unelastische Kopplung zwischen den Biegepiezos 310, 320 und einem im Referenzkoordinatensystem statischen Gehäuse des Scanners 90 bildet (in den 3 - 5 nicht gezeigt).
Wie im Beispiel von 3 gezeigt, wird die Kopplung zwischen den Biegepiezos 310, 320 durch die Flügel 146 der Basis 141 implementiert. Die Flügel 146 stellen eine Elastizität bereit, so dass die Auslenkung 399 aufgenommen werden kann und zu einer Bewegung der Basis 141 führt. Dadurch kann durch die Bewegung der Basis 141 die Torsion 502 und/oder die Biegung 502 der elastischen Halterung 111 betätigt werden.
Das Beispiel von 4 entspricht im Allgemeinen dem Beispiel von 3, wobei in 4 eine kompaktere Anordnung der Biegepiezos 310, 320 in Bezug auf die elastische Halterung 111 gezeigt ist.
6 zeigt Aspekte in Bezug auf die Bewegung der Basis 141 unter Verwendung der Biegepiezos 310, 320 (während die Basis 141 und die Flügel 146 in 6 vertikal versetzt gezeigt sind, können sie in einer gemeinsamen Ebene integriert sein).
6, links zeigt die Ruheposition. In 6, Mitte, hat das an die Biegepiezos 310, 320 ausgegebene Steuersignal 179 zwei Komponenten 811, 821, die den beiden gegenüberliegenden Flügeln 146 bereitgestellt werden; die Komponenten 811, 821 des Steuersignals 179 sind phasenverschoben (vgl. 8). So weisen die Biegepiezos 310, 329 eine Auslenkung 399 in entgegengesetzte Richtungen auf (gezeigt durch die nach oben und unten weisenden Pfeile in 6, Mitte). Diese phasenverschobene Auslenkung 399 der Flügel 146 führt zu einer primären Rotation und einer geringen Translation der Basis 141, gezeigt durch die Bewegung des Zentrums, die durch das Fadenkreuz in 6 angezeigt wird). Die Rotationskomponente dieser Auslenkung der Basis 141 führt zu einer Torsion 502 der elastischen Halterung 111, kann also effektiv Energie in den oder aus dem Torsionseigenmodus der elastischen Halterung 111 bewegen; während die Translationskomponente dieser Auslenkung der Basis 141 zu einer Biegung der elastischen Halterung 111 führt, d.h. Energie in den oder aus der Biegemode der elastischen Halterung 111 bewegt.
6, rechts, zeigt eine phasengleiche Betätigung der Biegepiezos 310, 320 (vgl. 9). Hier wird eine translatorische Auslenkung der Basis 141 erreicht. Die phasengleiche Betätigung ist mit der Biegemode der elastischen Halterung 111 gekoppelt.
9 zeigt schematisch Aspekte in Bezug auf einen Zustand 800 des Spiegels 150. Der Zustand 800 wird durch zwei Parameter charakterisiert, d.h. durch die Rotation 851 und die Rotationsgeschwindigkeit 852. Dies ist bedingt durch die Torsion 502 der elastischen Halterung 111.
In der Regel könnte der Zustand 800 durch die Pose, d.h. Position und Rotation, sowie durch die Translations- und Rotationsgeschwindigkeit definiert werden. Der Einfachheit halber wird für die Diskussion von 9 angenommen, dass es keine Biegung 501 der elastischen Halterung gibt; entsprechend gibt es keinen translatorischen Versatz der Position und keine Translationsgeschwindigkeit.
Im Beispiel von 9 ist eine Oszillation gezeigt, bei der sich der Spiegel 150 durch periodische Änderung der Rotation 851 und der Geschwindigkeit 852 bewegt; die Trajektorie 801 ist gezeigt.
In 9 sind die 2-D-Datenpunkte 802 des Messsignals 178 gezeigt, wobei die Datenpunkte 802 den Zustand 800 durch Spezifizieren der Rotation 851 und der Geschwindigkeit 852 anzeigen.
Eine Dichte von Datenpunkten 802 kann entlang der Trajektorie 801 im Wesentlichen konstant sein (nur einige Datenpunkte 802 sind der Einfachheit halber in 9 gezeigt). Dies liegt daran, dass der Sensor 173 in der Lage ist, über den gesamten Bewegungsbereich des Spiegels 150 zu erfassen (vgl. 2).
10 zeigt schematisch Aspekte in Bezug auf die Steuereinheit 171. Die Steuereinheit 171 beinhaltet einen Prozessor 901, z.B. ein feldprogrammierbares Array oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung. Die Steuereinheit 171 beinhaltet auch einen Speicher 903, der Programmcode speichern kann, der vom Prozessor 901 ausführbar ist. Die Steuereinheit 171 beinhaltet auch eine Schnittstelle 902. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Messsignal 178 oder das Sensorsignal 177 über die Schnittstelle 902 empfangen wird und/oder dass das Steuersignal 179 über die Schnittstelle ausgegeben wird. Nach dem Laden von Programmcode aus dem Speicher 903 kann der Prozessor 901 eine oder mehrere der hier beschriebenen Techniken ausführen, z.B.: Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung des Scanners 90; Empfangen und Analysieren der Datenpunkte 802 des Messsignals 178; Bestimmen des Steuersignals 179 basierend auf dem Messsignal 178 und einer Übertragungsfunktion des Scanners 90; etc.
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach verschiedenen Beispielen. Das Verfahren von 11 könnte durch den Prozessor 901 der Steuereinheit 171 beim Laden von Programmcode aus dem Speicher 903 ausgeführt werden. Das Verfahren von 11 ermöglicht es, eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung zu implementieren.
In Box 1001 wird geprüft, ob ein nächstes Steuerereignis ausgeführt werden soll. Beispielsweise können Steuerereignisse in Übereinstimmung mit einem Steuertakt, z.B. im Bereich von 10 kHz bis 50 kHz, ausgeführt werden.
Wenn ja, wird in Box 1002 ein Datenpunkt erhalten, der den Zustand eines Spiegels anzeigt (vgl. 9: Datenpunkte 802).
In Box 1003 wird ein Referenzdatenpunkt erhalten. Der Referenzdatenpunkt zeigt einen Referenzzustand des Spiegels an.
Der Zustand des Spiegels, wie er durch den Datenpunkt und den Referenzzustand des Spiegels angezeigt wird, kann in Form eines oder mehrerer entsprechender Parameter ausgedrückt werden, z.B. Position und/oder Orientierung und/oder Geschwindigkeit, etc. Auf diese Weise ist es möglich, einen Vergleich zwischen dem Zustand und dem Referenzzustand durchzuführen.
Als nächstes wird in Box 1004 ein Steuersignal zur Steuerung der Bewegung des Spiegels bestimmt. Das Steuersignal wird an eine Betätigungsvorrichtung in Box 1005 ausgegeben.
In der Regel kann Box 1004 verschiedene Logiken beinhalten. Beispielsweise kann der Datenpunkt mit dem Referenzdatenpunkt verglichen werden. Dies kann eine Abweichung des Zustands vom Referenzzustand ergeben. Um die Abweichung auszugleichen, wird das Steuersignal entsprechend bestimmt. Um das Steuersignal zu bestimmen, ist es möglich, die Übertragungsfunktion zu berücksichtigen. Dadurch kann das Verhalten des Masse-Feder-Systems 199, das durch die elastische Halterung 111 und den Spiegel 150 gebildet wird, vorhergesagt werden. Das geeignete Steuersignal zur Reduzierung der Abweichung kann bestimmt werden.
Als nächstes werden im Zusammenhang mit 12 weitere Details zur Funktionsweise der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung erläutert.
12 zeigt Aspekte in Bezug auf die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500. Die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500 könnte in Software und/oder Hardware implementiert werden. Die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500 beinhaltet ein Steuermodul 602 und ein Analysemodul 601. Beispielsweise kann die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500 eine Funktionalität sein, die von der Steuereinheit 171 implementiert wird.
Wie in 10 gezeigt, gibt der Sensor 173 das Sensorsignal 177 aus. Das Sensorsignal 177 kann z.B. Rohmessdatenpunkte anzeigen. Ein Beispiel für rohe Messdatenpunkte würde der Orientierung eines Magnetfeldes entsprechen, z.B. wenn ein magnetischer Winkelsensor 173 verwendet wird.
Das Sensorsignal 177 zeigt den Zustand des Spiegels 150 an. Um einen oder mehrere Parameter des Zustands des Spiegels 150 zu bestimmen, wird das Analysemodul 601 verwendet. Das Analysemodul 601 könnte in Software implementiert werden, z.B. in der Steuereinheit 171.
Wie in 12 gezeigt, bestimmt das Analysemodul 601, basierend auf dem Sensorsignal 177 einschließlich roher Messdatenpunkte, Datenpunkte 802, die einen oder mehrere Parameter 851, 852 (vgl. 9) des Zustandes des Spiegels 150 anzeigen. (In der Regel könnte das Analysemodul 601 auch das Steuersignal 179 berücksichtigen, wie im Folgenden im Zusammenhang mit 13 beschrieben wird. Dies wird in 12 durch den gestrichelten Pfeil gezeigt). Das Analysemodul 601 gibt zwei Messsignale 178-1, 178-2 aus. Das Messsignal 178-1 zeigt die Rotation 851 des Spiegels 150 an; während das Messsignal 178-2 die Geschwindigkeit 852 des Spiegels 150 anzeigt.
Anstatt zwei verschiedene Messsignale 178-1, 178-2 zu verwenden, könnte ein einziges Messsignal verwendet werden, das mehrere Parameter 851, 852 digital kodiert.
In der Regel könnten weitere oder andere Zustandsparameter durch das Analysemodul 601 ausgegeben werden. Beispiele beinhalten, aber sind nicht beschränkt auf: Beschleunigung; Position; Orientierung; Energie; etc.
Der Sensor 173 kann das Sensorsignal 177 mit einer Sensorabtastrate aktualisieren; typischerweise kann die Sensorabtastrate im Bereich von 100 kHz - 500 kHz liegen. Das Analysemodul 601 kann die Messsignale 178-1, 178-2 mit einer Messabtastrate, z.B. im Bereich von 50 kHz bis 200 kHz, aktualisieren. Jede Aktualisierung der Messsignale 178-1, 178-2 stellt einen neuen Datenpunkt bereit, der den Zustand des Spiegels 150 anzeigt.
Die Messsignale 178-1, 178-2 werden den Komparatoren 550 der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung bereitgestellt. An den Komparatoren 550 werden die durch die Messsignale 178-1, 178-2 definierten Datenpunkte 802 mit den durch die Referenzsignale 501, 502 definierten Referenzdatenpunkten verglichen. Im gezeigten Beispiel zeigt das Referenzsignal 501 eine Zielrotation des Spiegels 150 und das Referenzsignal 502 eine Zielgeschwindigkeit des Spiegels 150 an.
Die Referenzsignale 501, 502 können mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Messsignale 178-1, 178-2 aktualisiert werden. Ein Vergleich zwischen der Rotation des Spiegels 150 und der Zielrotation ist implementiert; ein weiterer Vergleich zwischen der Geschwindigkeit des Spiegels 150 und der Zielgeschwindigkeit ist implementiert. Die jeweiligen Steuerabweichungssignale 503, 504 werden dann vom Steuermodul 602 zur Bestimmung des Steuersignals 179 verwendet.
Das Steuermodul 602 könnte in Software implementiert werden, z.B. auf der Steuereinheit 171. Das Steuermodul 602 bestimmt das Steuersignal 179, das an die Betätigungsvorrichtung ausgegeben wird. Dies basiert auf den Steuerabweichungssignalen 503, 504. und einer Übertragungsfunktion 560. Das Steuermodul 602 könnte eine Systemverstärkung in Verbindung mit der Verstärkung der Bewegung des Spiegels 150 berücksichtigen, die durch die elastische Halterung 111 bereitgestellt wird (vgl. 1).
12 zeigt auch Aspekte in Bezug auf die Übertragungsfunktion 560. Die Übertragungsfunktion 560 beschreibt die Abhängigkeit zwischen dem Steuersignal 179, das an die Betätigungsvorrichtung 172 ausgegeben wird, und der Pose und Geschwindigkeit des Spiegels 150. Die Übertragungsfunktion 560 wird vom Steuermodul 602 verwendet, um die Steuerabweichungen zu reduzieren.
Darüber hinaus zeigt 12 eine optionale Zielbeschleunigungseingabe als weiteres Referenzsignal 511 an das Steuermodul 602.
Das Steuermodul 602 ist so gestaltet, um basierend auf der Übertragungsfunktion 560 die Steuerabweichung zu erhalten, die aus dem Vergleich zwischen der Rotation und der Zielrotation ermittelt wird, und basierend auf der Steuerabweichung, die aus dem Vergleich zwischen der Geschwindigkeit des Spiegels 150 und der Zielgeschwindigkeit erhalten wird, das Steuersignal 179. Das Steuersignal 179 wird dann an die Betätigungsvorrichtung 172 ausgegeben, um die Bewegung des Spiegels 150 durch Verformung der elastischen Halterung 111 bereitzustellen. Insbesondere ist das Steuermodul 602 so gestaltet, um das Steuersignal 179 so zu bestimmen, dass die Steuerabweichungen minimiert werden. Aus verschiedenen Gründen, z.B. durch externe Störungen 514, können die Steuerabweichungen 503, 504 jedoch auf einer kleinen, aber endlichen Zahl bleiben.
13 zeigt Aspekte in Bezug auf das Analysemodul 601. 13 zeigt Details in Bezug auf die Funktionsweise des Analysemoduls 601. Das Analysemodul 601 in 13 implementiert einen Beobachter zur Bestimmung der Datenpunkte der Messsignale 178-1, 178-2 basierend auf den Rohmessdatenpunkten des Sensorsignals 177. Dies hilft bei der Bestimmung des einen oder mehrerer Messsignale 178-1, 178-2, die den Zustand des Spiegels 150 mit hoher Genauigkeit anzeigen. Beispielsweise wäre es möglich, Mehrdeutigkeiten zwischen dem Sensorsignal 179 und dem Zustand des Spiegels 150 zu berücksichtigen. Beispielsweise könnten kurze Unterbrechungen des Sensors kompensiert werden. Auch das Rauschen auf dem Sensorsignal 177 kann reduziert werden.
In der Regel wäre es möglich, einen linearen oder einen nicht-linearen Beobachter zu verwenden. Ein linearer Beobachter wird manchmal auch als Luenberger-Beobachter bezeichnet.
Um ein Beispiel für Mehrdeutigkeiten des Sensorsignals 179 zu geben: Bei der in 2 gezeigten Anordnung des Sensors 173 ist es manchmal nicht möglich, zwischen Zuständen eindeutig zu unterscheiden. Um ein Beispiel zu geben: Biegung 501 und Torsion 502 der elastischen Halterung 111 können überlagert sein. Manchmal ist es möglicherweise nicht möglich, zwischen (i) einem ersten Zustand, der durch einen ersten Wert der Biegung 501 und einen ersten Wert der Torsion 502 gekennzeichnet ist, und (ii) einem zweiten Zustand, der durch einen zweiten Wert der Biegung 501 und einen zweiten Wert der Torsion 502 gekennzeichnet ist, zu unterscheiden. Derartige Mehrdeutigkeiten können vom Beobachter aufgelöst werden, wie im Folgenden erläutert wird.
Als nächstes werden Details in Bezug auf den Beobachter (manchmal auch als Zustandsbeobachter bezeichnet) beschrieben, die durch das Analysemodul 601 implementiert werden. Der Beobachter ist so gestaltet, um das Verhalten der Scaneinheit 100 und des Sensors 173 zu modellieren: Zu diesem Zweck beinhaltet der Beobachter des Analysemoduls 601 ein Scaneinheitmodul 621 und ein Sensormodul 622. Dieser Zweig des Beobachters ist parallel zu der Scaneinheit 100 und dem Sensor 173 angeordnet. D.h. ein Steuersignal 179 wird sowohl der Scaneinheit 100 als auch dem Scaneinheitmodul 621 zugeführt. Die Antwort der Scaneinheit 100 wird dann durch das Scaneinheitmodul 621 modelliert, unter Verwendung eines entsprechenden Teils der Übertragungsfunktion 560. Dann wird, basierend auf der modellierten Antwort der Scaneinheit 100, ein modelliertes Sensorsignal 177-1 vom Sensormodul 622 ausgegeben; zu diesem Zweck modelliert das Sensormodul 622 die Antwort des Sensors 173 unter Verwendung eines entsprechenden Teils der Übertragungsfunktion 560.
Das Scaneinheitmodul 621 modelliert den Zustand des Spiegels 150. Die Messsignale 178-1, 178-2, die die Pose und Geschwindigkeit des Spiegels 150 anzeigen, werden so vom Scaneinheitmodul 621 erhalten.
Um einen Modellierungsfehler des Beobachters zu reduzieren, beinhaltet der Beobachter einen Rückkopplungszweig 656. Der Rückkopplungszweig 656 beinhaltet ein Verstärkungsmodul 623, das eine Verstärkung auf eine Abweichung zwischen dem modellierten Sensorsignal 177-1 und dem tatsächlichen Sensorsignal 177 anwendet, das von einem Komparator 655 erhalten wird. Genauer gesagt wird die Differenz zwischen einem Rohmessdatenpunkt des Sensorsignals 177 und einem modellierten Rohmessdatenpunkt des modellierten Sensorsignals 177 durch den Komparator 655 bestimmt. Die Verstärkung kann so bemessen werden, dass der Beobachter als Kalman-Filter wirkt. Eine automatische Abstimmung ist möglich.
Unter Verwendung des Rückkopplungszweigs kann eine Entwicklung des Zustands des Spiegels 150 bei der Bestimmung der Messsignale 178-1, 178-2 berücksichtigt werden. Mit anderen Worten: der Datenpunkt 802 der Messsignale 178-1, 178-2 wird basierend auf mehreren Rohmessdatenpunkten bestimmt. Dadurch können die Mehrdeutigkeiten im Sensorsignal 173 reduziert werden. Ebenso ist es möglich, das Rauschen des Sensorsignals 173 zu reduzieren.
Wie aus den obigen Ausführungen zu ersehen ist, wird die Übertragungsfunktion 560 sowohl im Analysemodul 601 als auch im Steuermodul 602 verwendet. Somit hilft eine genaue Übertragungsfunktion 560 die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung und hohe Genauigkeit zu implementieren.
Als nächstes werden Details in Bezug auf die Übertragungsfunktion 560 erläutert. Die Übertragungsfunktion 560 kann mehrere Modellteile beinhalten. Die Modellteile können durch lineare oder nichtlineare Funktionen implementiert werden. Beispielsweise kann ein Modellteil in Verbindung mit der Scaneinheit 100 und ein anderes Modellteil mit dem Sensor 173 verbunden werden. Beispielsweise kann das mit der Scaneinheit 100 verbundene Modellteil in mehrere (Unter-)Modellteile zerlegt werden. Beispielsweise kann ein Modellteil mit einer Kopplungsstruktur verbunden werden, die den Kraftfluss von der Betätigungsvorrichtung 172 zum Federelement 111 bereitstellt, z.B. über eine entsprechende Basis 141 gegen das Ende 111A des Federelements 111. Ein anderes Modellteil könnte mit dem Verhalten des Federelements 111 verbunden werden. Wieder ein weiteres Modellteil könnte mit dem Verhalten der Biegepiezos 310, 320 verbunden werden.
Die spezielle Implementierung der Übertragungsfunktion 560 kann von der geometrischen und/oder elektrischen Gestaltung der Scaneinheit 100 und/oder des Sensors 173 abhängen. Als nächstes wird eine Beispielimplementierung der Übertragungsfunktion 560 für die Gestaltung gemäß 2-6 erläutert. In einem solchen Szenario ist es möglich, dass ein Modellteil der Übertragungsfunktion 560 die Translation und die Rotation der Basis 141 berücksichtigt und die Kopplungsstruktur zwischen den Biegepiezos 310, 320 und der elastischen Halterung 111 implementiert (vgl. 6, Mittelteil; und 7). Insbesondere die Einschränkungen in Bezug auf die reine Rotation der Basis 141 (ohne Translation) implizieren, dass neben einer Torsion 502 der elastischen Halterung 111 zusätzlich die Biegung 501 der elastischen Halterung 111 betätigt wird.
Ein weiterer Modellteil der Übertragungsfunktion 560 kann sich auf eine Kopplung zwischen der Biegeeigenmode und der Torsionseigenmode des Masse-Feder-Systems 199 beziehen, die durch den Spiegel 150 in Kombination mit der elastischen Halterung 111 gebildet wird. Diese Kopplung kann auf Nichtlinearitäten des zugeordneten Oszillators zurückzuführen sein. Die Kopplung kann mehrere Ursachen haben. Ein Ursprung, der durch den jeweiligen Modellteil der Übertragungsfunktion 560 modelliert werden kann, wird im Folgenden erläutert: Bezogen auf 2, da der Spiegel 150 um 45° gekippt ist (siehe Spiegelnormalachse 151A und Mittelachse 119), fällt der Schwerpunkt des Spiegels 150 nicht mit der Rotationsachse 119 zusammen. Die Hauptträgheitsachse ist in Bezug auf die Rotationsmittelachse 119 geneigt. Dementsprechend hängt das Massenträgheitsmoment in Bezug auf die Rotationsachse vom Torsionswinkel 502 ab. Daraus ergibt sich wiederum eine Kopplung zwischen der Biege- und der Torsionseigenmode; z.B. durch Vorgänge eines parametrischen Oszillators: Das Massenträgheitsmoment wird durch die Torsion der Torsionseigenmode periodisch verändert, wodurch die Biegeeigenmode gepumpt wird. Auf diese Weise kann das Modellteil die Abweichung der Hauptträgheitsachse von der Rotationsmittelachse 119 berücksichtigen.
Wie aus den obigen Ausführungen zu ersehen sein wird, ist es möglich, den Zustand des Spiegels 150 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dies erleichtert die genaue Steuerung des Spiegels 150. Die Bewegung des Spiegels 150 kann entlang einer vordefinierten Referenztrajektorie eingestellt werden. Dazu werden Referenzdatenpunkte von einem oder mehreren Referenzsignalen 501, 502 erhalten. Die Referenzdatenpunkte werden aus einem vordefinierten Satz erhalten, der die vordefinierte Referenztrajektorie definiert. Details bezüglich der Referenzdatenpunkte und der Referenztrajektorie sind in 14 gezeigt.
14 zeigt schematisch Aspekte in Bezug auf die Referenzdatenpunkte 880. Die Referenzdatenpunkte 880 sind entlang einer Referenztrajektorie 881 angeordnet. Dabei kann die Bewegung des Spiegels 150 so gestaltet werden, dass die Trajektorie 801 des Spiegels 150 der Referenztrajektorie 881 ähnelt.
14 entspricht im Allgemeinen 9; aber in 14 wird der Einfachheit halber nur die (Referenz-)Rotation 851 des Spiegels 150 gezeigt. Es wäre möglich, auch die Geschwindigkeit 851 zu berücksichtigen.
In 14 werden die Referenzdatenpunkte 880 aus einem Satz erhalten, der durch eine geordnete Folge 889 (gezeigt durch die Pfeile in 14) der Rotation 851 des Spiegels 150 implementiert wird. Die Referenzdatenpunkte 880 des Referenzsignals 501 werden durch iteratives Schalten durch diese Folge 889 erhalten. Die durch die Datenpunkte 802 gezeigte tatsächliche Rotation 851 des Spiegels 150 folgt somit der Referenzrotation 851 der Referenzdatenpunkte 880.
In der Regel wird eine signifikante Rotation 851 wünschenswert sein. Größere Rotationen 851 führen zu größeren Variationen des Transmissionswinkels 181; dadurch kann das FOV größer sein. Als nächstes werden Techniken beschrieben, die größere Rotationen 851 erleichtern.
Verschiedene Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass die Amplitude der Torsion 502 der elastischen Halterung 111 und damit die Amplitude der Rotation 851 des Spiegels von einer Amplitude des Steuersignals 179, d.h. von einer Amplitude der Auslenkung 399 abhängen kann. Es besteht aber auch die Tendenz, dass grö-ßere Auslenkungen 399 zu unerwünschten Effekten führen können: z.B. kann die Biegemode der elastischen Halterung 111 angeregt werden (vgl. 6, Mittelteil; 7); und/oder die Schnittstelle zwischen den Flügeln 146 und der Basis 141 kann brechen oder an struktureller Zersetzung leiden. Weiterhin könnte die maximale Auslenkung 399 auch durch die Fähigkeiten der Biegepiezos 310, 320 begrenzt sein, z.B. durch deren maximalen Schwung, etc. Dieses Problem des Konflikts zwischen (i) begrenzten Amplituden des Steuersignals 179 und (ii) großen Amplituden der Torsion 502 kann gemildert werden durch den Betrieb des Masse-Feder-Systems 199, das durch den Spiegel 150 und die elastische Halterung 111 gebildet wird, in Resonanz, d.h. für die Scaneinheit 100 von 2 durch Betrieb in der Nähe oder bei der Eigenfrequenz der Torsionseigenmode. Dann kann Energie effizient von der Betätigungsvorrichtung 310, 320 in das Masse-Feder-System 199 eingekoppelt werden. Große Rotationen 851 werden möglich.
Um einen solchen Betrieb bei oder nahe der Eigenfrequenz der Torsionseigenmode zu erreichen, ist es möglich, dass die Referenzdatenpunkte 880 aus der geordneten Folge 889 zu einem Zeitverhalten erhalten werden, so dass die resultierende Bewegung Frequenzkomponenten nahe oder bei der Eigenfrequenz der Torsionseigenmode hat. In 14 ist eine jeweilige Periodizität 870 der sinusförmigen Referenztrajektorie 881 gezeigt; diese Periodizität 870 ist mit der Eigenfrequenz der Torsionseigenmode des Masse-Feder-Systems 199 abgestimmt, das durch den Spiegel 150 und die elastische Halterung 111 gebildet wird. Allgemeiner ausgedrückt kann die Trajektorie 881 eine oder mehrere Frequenzkomponenten aufweisen, die mit einer Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems 199 abgestimmt sind.
Um dies zu implementieren, kann jedem einzelnen Referenzdatenpunkt 880 ein entsprechendes Zeitverhalten zugeordnet werden; beim Erhalten der Referenzdatenpunkte 880 kann dies in Übereinstimmung mit diesem Zeitverhalten erfolgen. Beispielsweise könnten die Referenzsignale in Übereinstimmung mit diesem Zeitverhalten abgetastet werden. Das Zeitverhalten könnte eine Verweilzeit für jeden Referenzdatenpunkt definieren, d.h. wie lange der jeweilige Referenzdatenpunkt aktiv ist. Das Zeitverhalten könnte durch geeignete Gestaltung einer Abtastrate für die Referenzsignale 501-502 implementiert werden (vgl. 12).
Wie zu schätzen ist, wird in einem solchen Szenario die Referenztrajektorie 881 in Zusammenhang mit der Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems 199 definiert. Die zugeordnete Übertragungsfunktion 560 wird im Zusammenhang mit 15 unten diskutiert.
15 zeigt schematisch die Übertragungsfunktion 560 im Frequenzbereich. In 15 ist die Amplitude der Torsion 502 der elastischen Halterung 111 (und dementsprechend die Rotation 851 des Spiegels 150) in Abhängigkeit von der Frequenz des Steuersignals 179 gezeigt (unter der Annahme einer festen Amplitude des Steuersignals 179).
Wie gezeigt, gibt es eine Eigenfrequenzspitze 561 im Zusammenhang mit der Torsionseigenmode des Masse-Feder-Systems 199. Typischerweise wird die Referenztrajektorie 881 Frequenzen definieren, die in den Flanken oder Seitensteigungen 562-563 der Eigenfrequenzspitze 561 liegen (gezeigt durch die Periodizität 870).
Manchmal kann sich die Eigenfrequenzspitze 561 verschieben, z.B. während des Betriebs des Scanners 90 (Links-Rechts-Pfeile in 15). Gründe dafür können beinhalten: Umwelteinflüsse, z.B. Feuchtigkeit, Temperatur. Die Verschiebung der Eigenfrequenzspitze 561 kann bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden, indem die Amplitude des Steuersignals 179 vergrößert/verkleinert wird.
Manchmal kann die Verschiebung der Eigenfrequenzspitze 561 jedoch signifikant sein. Um solche Szenarien zu kompensieren, kann selektiv eine Kalibrierungsphase aktiviert werden. Dies ist in 16 gezeigt.
16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach verschiedenen Beispielen. 16 zeigt Aspekte in Bezug auf eine Betriebsphase, die in Box 1021 ausgeführt wird, und eine Kalibrierungsphase, die in Box 1023 ausgeführt wird. Die Kalibrierungsphase ist im Zeitbereich mit der Betriebsphase verschränkt.
Die Betriebsphase, die bei Box 1021 ausgeführt wird, kann gemäß dem Flussdiagramm von 11 im Allgemeinen den Boxen 1001-1005 entsprechen oder diese beinhalten.
Bei Box 1022 wird geprüft, ob eine Kalibrierung erforderlich ist. Für die Implementierung von Box 1022 gibt es verschiedene Möglichkeiten. In einem einfachen Beispiel wäre es möglich, ein festes Zeitintervall für die Auslösung der Kalibrierung zu verwenden. Zum Beispiel wäre es nach einigen Stunden der Ausführung von Box 1021 möglich, die Kalibrierung bei Box 1023 auszuführen. Ein zweites Beispiel würde die Berücksichtigung eines oder mehrerer Umgebungsparameter beinhalten. Beispielsweise wäre es möglich, dass der Scanner 90 in einem Fahrzeug befestigt ist. Dann könnten ein oder mehrere Fahrzeugumgebungsparameter bei der Entscheidung, ob die Kalibrierung durch die Ausführung von Box 1023 ausgelöst werden soll oder nicht, berücksichtigt werden. Beispielhafte Fahrzeugumgebungsparameter könnten sein: das Fahrzeug, das an einer Ampel anhält; die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, das unter einen Schwellenwert fällt; das Fahrzeug, das auf einem Parkplatz steht; etc. Dies basiert auf der Feststellung, dass während solcher Fahrsituationen eine Unterbrechung des Betriebs akzeptabel sein kann. Noch ein weiteres drittes Beispiel für den Entscheidungsprozess in Box 1022 beinhaltet das Beobachten einer Amplitude des Steuersignals 179. Wenn beispielsweise die Amplitude des Steuersignals 179 einen Schwellenwert überschreitet, kann beurteilt werden, dass sich die Eigenfrequenzspitze 561 von der Periodizität 870 der Referenztrajektorie 881 weg verschoben hat. Dann kann die Kalibrierungsphase aktiviert werden, indem Box 1023 basierend auf einem solchen Beobachten ausgeführt wird.
Nach Aktivieren der Kalibrierungsphase ist es durch Ausführen von Box 1023 möglich, die Übertragungsfunktion 560 abzutasten. Dieses Abtasten könnte z.B. beinhalten: Ausgeben von Kalibrierungssteuersignalen 179 mit unterschiedlichen Frequenzen und Beobachten der zugeordneten Amplitude der Torsion 502. Dadurch wird ein frequenzaufgelöstes Abtasten implementiert. Es wäre auch möglich, eine Zeitbereichsschrittfunktion als Steuersignal 179 zu verwenden, um mehrere Frequenzen parallel zu testen. Dann könnten die Frequenzbeiträge der dadurch angeregten Torsion 502 getestet werden, z.B. durch Anwenden einer Fourier-Transformation.
Nachdem die Übertragungsfunktion 560 abgetastet wurde, ist es möglich, eine Referenztrajektorie 881 entsprechend anzupassen. Beispielsweise könnte das Zeitverhalten der Referenzdatenpunkte 880 angepasst werden. D.h., die Periodizität 870 der Referenztrajektorie 881 könnte angepasst werden (vgl. 14). Dies kann in Übereinstimmung mit der identifizierten Eigenfrequenzspitze 561 der Übertragungsfunktion 560 erfolgen.
Die Übertragungsfunktion 560 kann auch basierend auf diesem Abtasten für die zukünftige Verwendung im Analysemodul 601 und im Steuermodul 602 angepasst werden.
Diese angepasste Referenztrajektorie 881 kann dann zu Beginn der Betriebsphase durch erneutes Ausführen von Box 1021 verwendet werden.
Wie zu würdigen ist, steuert die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500, die basierend auf einer Folge von Referenzdatenpunkten 880 arbeitet, welche die Referenztrajektorie 881 definiert, während der Betriebsphase nicht aktiv das Masse-Feder-System 199, um bei der Eigenfrequenzspitze 561 zu arbeiten. Vielmehr wird die (halb-)statische Referenztrajektorie 881 verfolgt; da die Referenztrajektorie 881 wiederum mit der Eigenfrequenzspitze 561 abgestimmt ist, können signifikante Amplituden der Bewegung des Spiegels 150 erreicht werden. Ein solcher Betrieb unterscheidet sich jedoch grundlegend von z.B. einer PLL-Steuerung mit geschlossenem Regelkreis: Hier wird die Phase der Bewegung des Spiegels 150 während der Betriebsphase aktiv beobachtet und so gesteuert, um bei der Eigenfrequenzspitze 561 zu arbeiten. Die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500 hat gegenüber der PLL-Steuerung mit geschlossenem Regelkreis gewisse Vorteile. Beispielsweise ist es möglich, die Amplitude der Bewegung des Spiegels 150 genau zu steuern. Dies ist in 17 gezeigt.
17 zeigt schematisch Aspekte in Bezug auf die Referenztrajektorie 881 (die Referenzdatenpunkte 880 werden in 17 der Einfachheit halber nicht gezeigt). 17 zeigt im Detail die Torsion 502, die die Pose des Spiegels 150 in Abhängigkeit von der Zeit in Übereinstimmung mit der Referenztrajektorie 881 definiert.
Wie in 17 gezeigt, variieren die Amplitude der Referenztrajektorie 881 und dementsprechend die Amplitude der Torsion 502 in Abhängigkeit von der Zeit. Die Amplitude wird allmählich hochgefahren und dann schnell verringert.
Ein solches Szenario kann insbesondere dann hilfreich sein, wenn zum Scannen die Scaneinheit 100-1, 100-2 in Folge verwendet werden (vgl. 18). Dann kann die Torsion 502-1 der elastischen Halterung 111 der Scaneinheit 100-1 durch entsprechende Einstellung der jeweiligen Referenztrajektorie 881 konstant gehalten werden, während die Torsion 502-2 der elastischen Halterung 111 der Scaneinheit 100-2 in Abhängigkeit von der Zeit variiert werden kann (vgl. 17). Dann wird ein Scanmuster 580 wie in 19 gezeigt erhalten. Das Scanmuster 580 ist spiralförmig und ermöglicht ein effizient abgetastetes FOV 581, z.B. für LIDAR-Messungen.
Wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich wird, ist es unter Verwendung der Referenztrajektorie 881, die durch die Referenzdatenpunkte 880 einer geordneten Folge 889 definiert ist und ein Zeitverhalten beinhaltet, möglich, eine effiziente Ansteuerung des Spiegels 150 nahe oder bei der Eigenfrequenzspitze 561, z.B. der Torsionseigenmode, zu implementieren.
In einigen Beispielen mag es nicht wünschenswert sein, den Satz der Referenzdatenpunkte 880 als geordnete Folge zu implementieren. Insbesondere können, wie oben erläutert, manchmal Verschiebungen in der Eigenfrequenzspitze 561 auftreten; da dann eine geordnete Folge 889 verwendet wird, die erforderlich sein kann, um die Referenztrajektorie 881 anzupassen, z.B. durch Änderung des Zeitverhaltens der Referenzdatenpunkte 880 in einer Kalibrierungsphase. In anderen Beispielen kann es möglich sein, die Selbstkalibrierung des Masse-Feder-Systems 199 zu verwenden. Ein solches Beispiel ist im Zusammenhang mit 20 gezeigt.
20 zeigt Aspekte in Bezug auf eine Referenztrajektorie 891 (nur einige Referenzdatenpunkte 880, die auf der Referenztrajektorie 891 angeordnet sind, sind der Einfachheit halber in 20 gezeigt). Im Beispiel von 20 wird der Satz der Referenzdatenpunkte 880 durch eine ungeordnete Menge implementiert. D.h. es ist keine Folge der Referenzdatenpunkte 880 definiert und dementsprechend gibt es auch kein Zeitverhalten im Zusammenhang mit den Referenzdatenpunkten 880. Dies impliziert, dass die Bewegung entlang der Referenztrajektorie 891 nicht der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Nachverfolgung 500 unterliegt; sondern vielmehr auf die Selbstkalibrierung des Masse-Feder-Systems 199 zurückzuführen ist.
Dies wird im Folgenden ausführlich erläutert: Das Masse-Feder-System 199 implementiert einen Oszillator, der periodisch kinetische Energie in potentielle Energie umwandelt und umgekehrt. Die kinetische Energie ist proportional zur quadrierten Geschwindigkeit; während die potentielle Energie proportional zur quadrierten Position/Stellung des Spiegels 150 ist. Dies ist in 20 durch die Parabel (gestrichelte Linie) gezeigt.
In 20 ist auch ein Beispieldatenpunkt 802 der Messsignale 178-1, 178-2 gezeigt, der den gemessenen Zustand des Spiegels 150 anzeigt; genauer gesagt, der Messdatenpunkt 802 zeigt den Zustand des Spiegels 150 durch Spezifizieren der Energie 853 des Spiegels 150 an (auch dieser Parameter konnte aus dem Analysemodul 601 erhalten werden; vgl. 12-13). Wie in 20 gezeigt, gibt es einen Abstand 845 zwischen dem Messdatenpunkt 802 und der Referenztrajektorie 891 (oder, genauer gesagt, einen entsprechenden Referenzdatenpunkt 880, der in 20 nicht gezeigt ist). Somit weicht das tatsächliche Verhalten des Spiegels 150 vom beabsichtigten Verhalten ab.
Die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis 500 ist so gestaltet, um das Steuersignal 179 so zu bestimmen, dass der Zustand des Spiegels 150 irgendwo auf der Referenztrajektorie 891 liegt (d.h. an einer beliebigen Position auf der Referenztrajektorie 891). Dies wird manchmal auch als Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zur Regulierung 500 bezeichnet. Beispielsweise könnte der kürzeste Abstand zwischen dem Messdatenpunkt 802 und der Referenztrajektorie 891 bestimmt werden, d.h. es wäre möglich, die Abstände zwischen dem Messdatenpunkt 802 und jedem Referenzdatenpunkt 880 (nicht in 20 gezeigt) zu vergleichen und den kürzesten Abstand zu wählen, z.B. indem man die Summe aus potentieller und kinetischer Energie als Maß für den kürzesten Abstand nimmt. Dann könnte das Steuersignal basierend auf dem kürzesten Abstand bestimmt werden.
Aufgrund der Konfiguration des Masse-Feder-Systems 199 ist die oszillatorische Bewegung entlang der Referenztrajektorie 891 inhärent implementiert. Dies kann als Selbstkalibrierung bezeichnet werden. Dann müssten z.B. Verschiebungen in der Eigenfrequenzspitze 561 nicht durch Ausführen einer Kalibrierphase kompensiert werden; vielmehr wird das Masse-Feder-System 199 das Zeitverhalten der Bewegung des Spiegels 150 entlang der Referenztrajektorie 891 automatisch anpassen.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Äquivalente und Modifikationen für andere, die sich auf diesem Gebiet auskennen, beim Lesen und Verstehen der Spezifikation auftreten. Die vorliegende Erfindung beinhaltet alle derartigen Äquivalente und Modifikationen und ist nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt.
Zur Veranschaulichung wurden verschiedene Beispiele beschrieben, in denen die Betätigungsvorrichtung Biegepiezos beinhaltet. Andere Arten und Typen von Betätigungsvorrichtungen sind denkbar, z.B. magnetische Antriebe, etc.
Zur weiteren Veranschaulichung wurden verschiedene Beispiele beschrieben, in denen der Sensor durch einen magnetischen Winkelsensor implementiert ist. Andere Arten und Typen von Sensoren sind denkbar, z.B. lichtbasierte Sensoren, etc.
Zur weiteren Veranschaulichung sind verschiedene Beispiele beschrieben worden, bei denen die Biegung der elastischen Halterung unterdrückt wird, während die Torsion der elastischen Halterung resonant angetrieben wird. Dies ist nur ein Beispiel. Andere Gestaltungen von Scaneinheiten können vom Unterdrücken der Torsion profitieren, und vielmehr vom Antreiben der Biegung. Beispielsweise können Blattfedern verwendet werden.
Zur weiteren Veranschaulichung sind verschiedene Beispiele für ein Szenario beschrieben worden, in dem eine Steuereinheit eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis implementiert. In anderen Beispielen können andere Arten und Typen von Vorrichtungen eine solche Funktionalität implementieren.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Lichtscanners (90) unter Verwendung einer Steuerung (500, 550, 601-602) mit geschlossener Regelschleife, wobei der Lichtscanner (90) einen Spiegel (150), eine Betätigungsvorrichtung (172, 310, 320) und eine elastische Halterung (111) des Spiegels (150) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: - Erhalten eines Datenpunktes (802), welcher einen Zustand des Spiegels (150) anzeigt, - Erhalten eines Referenzdatenpunktes (880), welcher einen Referenzzustand des Spiegels (150) anzeigt, aus einem vordefinierten Satz von Referenzdatenpunkten (880), - abhängig von einer vordefinierten Übertragungsfunktion (560) des Lichtscanners (90) und eines Vergleichs zwischen dem Zustand und dem Referenzzustand: Bestimmen eines Steuersignals (179) der Betätigungsvorrichtung (172, 310, 320), und Ausgeben des Steuersignals (179) an die Betätigungsvorrichtung (172, 310, 320), um eine Bewegung des Spiegels (150) bereitzustellen, indem sich ein Federelement (112-115) der elastischen Halterung (111) verformt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Satz von Referenzdatenpunkten (880) durch eine geordnete Folge (889) von Referenzdatenpunkten (880) implementiert ist, welche eine Folge (889) von einem oder von mehreren Parametern (851, 852, 853) des Zustands des Spiegels (150) definiert, wobei der Referenzdatenpunkt (880) erhalten wird, indem iterativ durch die geordnete Folge (889) von Referenzdatenpunkten (880) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der eine oder die mehreren Parameter (851, 852, 853) eine Pose (851) des Spiegels (150) und eine Geschwindigkeit (852) des Spiegels (150) umfassen, wobei der Datenpunkt (802) den Zustand des Spiegels (150) anzeigt, indem die Pose (851) und die Geschwindigkeit (852) des Spiegels (150) spezifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei jeder Referenzdatenpunkt (880) des Satzes von Referenzdatenpunkten (880) einem Zeitverhalten zugeordnet ist, wobei der Referenzdatenpunkt (880) gemäß dem zugeordneten Zeitverhalten erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Referenzdatenpunkte (880) eine Referenztrajektorie (881) definieren, wobei eine oder mehrere Frequenzkomponenten der Referenztrajektorie (881) mit einer Eigenfrequenz eines Masse-Feder-Systems (199) abgestimmt ist, welches durch den Spiegel (150) und die elastische Halterung (111) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, darüber hinaus umfassend: - selektives Aktivieren einer Kalibrierungsphase (1023); und - während der Kalibrierungsphase (1023): Abtasten der Übertragungsfunktion (560) und Einstellen der Referenztrajektorie (881) abhängig von dem Abtasten der Übertragungsfunktion (560).
Verfahren nach Anspruch 6, darüber hinaus umfassend: - Beobachten einer Amplitude des Steuersignals (179), wobei die Kalibrierungsphase (1023) abhängig von dem Beobachten der Amplitude des Steuersignals (179) selektiv aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Satz von Referenzdatenpunkten (880) durch eine nicht geordnete Menge von Referenzdatenpunkten (880) implementiert ist, welche einen oder mehrere Parameter (851, 852, 853) des Spiegels (150) definiert, wobei der Referenzdatenpunkt (880) abhängig von einer Entfernung (845) zwischen dem Datenpunkt (802) und den Referenzdatenpunkten (880) der Menge der Referenzdatenpunkte (880) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der eine oder die mehreren Parameter (851, 852, 853) eine Energie (853) des Spiegels (150) umfassen, wobei der Datenpunkt (802) den Zustand des Spiegels (150) anzeigt, indem die Energie (853) des Spiegels (150) spezifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, darüber hinaus umfassend: - Empfangen von einem oder von mehreren Rohmessdatenpunkten von einem Sensor (173), welche den Zustand des Spiegels (150) erfasst, und - Bestimmen des Datenpunkts (802) abhängig von dem einen oder den mehreren Rohmessdatenpunkten.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Datenpunkt (802) abhängig von einem Beobachter (621, 622, 623, 656) bestimmt wird, welcher abhängig von dem Rohmessdatenpunkt arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Beobachter (621, 622, 623, 656) einen Rückkopplungszweig (656) umfasst, welcher einer Differenz zwischen dem Rohmessdatenpunkt und einem modellierten Rohmessdatenpunkt des Beobachters (621, 622, 623, 656) zugeordnet ist, der von der Übertragungsfunktion (560) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Rückkopplungszweig eine Verstärkung aufweist, welche so bemessen ist, dass der Beobachter ein Kalman-Filter bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsfunktion (560) einen oder mehrere der folgenden Abschnitte umfasst: einen ersten Abschnitt, welcher einer Kopplungsstruktur (141, 146) zugeordnet ist, welche einen Kraftfluss von der Betätigungsvorrichtung (172, 310, 320) zu der elastischen Halterung (111) bereitstellt; einen zweiten Abschnitt, welcher der elastischen Halterung (111) zugeordnet ist; und einen dritten Abschnitt, welcher einem Sensor (173) zugeordnet ist, der den Zustand des Lichtscanners (90) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Betätigungsvorrichtung (172, 310, 320) ein oder mehrere piezoelektrische Biegeelemente (310, 320) umfasst, wobei der erste Abschnitt der Übertragungsfunktion (560) eine Verschiebung und eine Drehung einer Basis (141)der Kopplungsstruktur (141, 146)zwischen dem einen oder den mehreren piezoelektrischen Elementen (310, 320) und der elastischen Halterung (111) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der zweite Abschnitt der Übertragungsfunktion (560) eine Kopplung zwischen einem Biegeeigenmode und einem Torsionseigenmode eines Masse-Feder-Systems (199), welches durch den Spiegel (150) und die elastische Halterung (111) ausgebildet ist, berücksichtigt.