DE102019206360A1

DE102019206360A1 - Entfernungsmessvorrichtung sowie Verfahren zum Bestimmen von Entfernungsdaten eines Objekts mittels einer derartigen Entfernungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102019206360A1
Application number: DE102019206360.8A
Authority: DE
Inventors: Markus KLUG; Tobias Scheu; Johannes Scheuchenpflug
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmessvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Entfernungsdaten eines Objekts (30) mittels der Entfernungsmessvorrichtung (10). Die Entfernungsmessvorrichtung (10) umfasst zumindest eine Sensoreinrichtung (11), eine Auswerteeinheit (13) sowie ein flächiges Trägermedium (12), wobei das flächige Trägermedium (12) als Lichtleiter ausgebildet ist, an dem ein Einkoppelbereich (16) und ein Auskoppelbereich (18) bereitgestellt sind. Licht (100), das aus einer Umgebung auf den Einkoppelbereich (16) fällt, wird in das flächige Trägermedium (12) eingekoppelt, mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich (16) an den Auskoppelbereich (18) übertragen und dort ausgekoppelt. Die zumindest eine Sensoreinrichtung (11) ist dazu ausgebildet, das ausgekoppelte Licht (100) zu erfassen und Sensordaten, die mit dem erfassten Licht (100), korreliert sind, bereitzustellen. Die Auswerteeinheit (13) ist dazu ausgebildet, die Sensordaten zum Erkennen eines Objekts (30) in der Umgebung auszuwerten und unter Anwendung eines Fokuskriteriums Entfernungsdaten zu erzeugen, die eine Entfernung des Objekts (30) von der Entfernungsmessvorrichtung (10) beschreiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmessvorrichtung mit zumindest einer Sensoreinrichtung, einer Auswerteeinheit sowie einem flächigen Trägermedium, wobei die Entfernungsmessvorrichtung dazu ausgelegt ist, Entfernungsdaten zu erzeugen, die die Entfernung des Objekts mit der Entfernungsmessvorrichtung beschreiben. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von Entfernungsdaten eines Objekts mittels einer derartigen Entfernungsmessvorrichtung.
Entfernungsdaten, die eine Entfernung eines Objekts von einem Bezugspunkt beschreiben, werden für eine Durchführung von verschiedenen Anwendungen im täglichen Leben hinzugezogen. Zum Beispiel sind automatische Funktionen bekannt, die immer dann ausgelöst werden, wenn die Entfernung des Objekts von dem Bezugspunkt eine vorgegebene Minimalentfernung unterschreitet oder eine vorgegebene Maximalentfernung überschreitet. Beispielsweise kommt es in einem derartigen Fall zum Aussenden eines Alarmsignals, das beispielsweise einen Benutzer der Anwendung über die kritische Entfernung des Objekts von dem Bezugspunkt informiert. Dies ist beispielsweise bei einer Alarmanlage oder einer automatischen sensorbasierten Türöffnungs- oder Lichteinschalteinrichtung einer Wohnung der Fall. Des Weiteren werden im Zusammenhang mit Fotografie Entfernungsdaten bestimmt und ausgewertet, um beispielsweise eine Autofokusfunktion durchzuführen. Eine hierfür durchgeführte Entfernungsmessung kann zum Beispiel mittels eines Näherungssensors erfolgen, wobei die entsprechende Entfernungsmessung beispielsweise auf Infrarotstrahlung, Stereobildern, Sonar, Ultraschall, Kapazitätsmessungen, Induktionsmessungen oder Messung von magnetischen Messsignalen basiert. Für die entsprechenden Messungen wird jedoch jeweils eine spezielle Hardware benötigt, beispielsweise eine Vorrichtung umfassend Lautsprecher, Drahtverbindungen, spezifische Sensoren und Lichtquellen.
Die DE 10 2007 058 779 A1 beschreibt eine Einrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Erzeugung eines für eine Bildanalyse geeigneten Bildes einer mindestens teilweise bewegten Szene, wobei sich die Szene von einem Nahbereich bis zu einem Fernbereich erstreckt. Hierbei wird von einer Auswerteeinheit eine Bildanalyse von Bildern der Einrichtung durchgeführt, wobei die Schärfe von im Bild vorhandenen Kanten ermittelt und daraus eine Tiefeninformation gewonnen wird.
Hierfür muss jedoch in einer geeigneten Einbauposition am Kraftfahrzeug eine aufwendige Erfassungseinrichtung, wie beispielsweise eine Videokamera, positioniert werden. Eine derartige lokal positionierte Entfernungsmessvorrichtung kann jedoch beispielsweise leicht verdeckt werden, wenn zum Beispiel ein Erfassungssensor von dem Benutzer mit einer Hand verdeckt wird. Des Weiteren ist eine Größe der nutzbaren Optik der Videokamera limitiert, was zu einer eingeschränkten Messqualität führt.
Aus dem Stand der Technik sind optische Beugungsgitter bekannt, die holographisch hergestellt werden und daher als holografische Gitter bezeichnet werden. Diesbezüglich ist aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Volume-phase holographic gratings and their potential for astronomical applications“ (S. C. Barden, J. A. Arns und W. S. Colburn, Proceedings SPIE 3355, Optical Astronomical Instrumentation, 1998) bekannt, dass Licht, das auf ein derartiges holografisches Gitter in einem Winkel trifft, der deutlich außerhalb des Winkelbereichs liegt, der die Bragg-Bedingung erfüllt, ungebeugt das holografische Gitter passiert. Trifft jedoch Licht aus einem Winkel auf das holografische Gitter, sodass die Bragg-Bedingung zumindest in etwa erfüllt ist, wird das Licht in einem Winkel gebeugt. Ein ähnliches Verhalten zeigt sich bezüglich einer Wellenlängenabhängigkeit des Einflusses des holografischen Gitters auf Licht. Denn Licht mit einer Wellenlänge, die deutlich außerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, der durch die Bragg-Bedingung als sogenannte Bragg-Wellenlänge vorgegeben wird, passiert ebenfalls das holografische Gitter ohne gebeugt zu werden und lediglich Licht mit einer Wellenlänge, die die Bragg-Bedingung zumindest in etwa erfüllt, wird am holografischen Gitter gebeugt. Mittels komplexer holografischer Gitterstrukturen ist es somit beispielsweise möglich, dass Licht mit zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen in jeweils demselben Winkel gebeugt wird. Außerdem kann durch ein holografisches Gitter beispielsweise Licht mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedene Lichtwege aufgeteilt werden, sodass mithilfe eines holografischen Gitters ein dispersiver Strahlteiler realisiert werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels der eine unscheinbare Messvorrichtung für die Bestimmung einer Entfernung eines Objekts von der Messvorrichtung bereitgestellt wird.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung umfasst zumindest eine Sensoreinrichtung, eine Auswerteeinheit sowie ein Trägermedium. Das Trägermedium ist beispielsweise als Platte aus transparentem Kunststoff oder Glas realisiert, wobei das Trägermedium zusätzlich Licht aus der Umgebung an die zumindest eine Sensoreinrichtung weiterleitet. Das Trägermedium ist somit als Lichtleiter ausgebildet, das heißt das Trägermedium stellt ein Lichtleitmedium dar. Das heißt, das Trägermedium kann Licht, welches in das Trägermedium eingekoppelt ist, mittels interner Reflexion, bevorzugt Totalreflexion, an die Bilderfassungseinrichtung weiterleiten. Die Sensoreinrichtung kann dann das weitergeleitete Licht, wenn es wieder aus dem Trägermedium ausgekoppelt ist, erfassen und daraus Sensordaten erzeugen oder generieren. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung als Bildsensor oder Kamera, jeweils mit oder ohne abbildende Optik (wie zum Beispiel einer Linse oder einem Linsensystem) realisiert sein. Die Sensoreinrichtung kann also beispielsweise zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung ausgelegt. Das hierfür benötigte Licht wird an einer Oberfläche des lichtleitenden Trägermediums erfasst oder eingefangen.
Zum Einkoppeln oder Auskoppeln des Lichts sind an dem Trägermedium ein Einkoppelbereich und ein Auskoppelbereich angeordnet. Der Einkoppelbereich umfasst zumindest denjenigen Teilbereich einer Oberfläche der Entfernungsmesseinrichtung, die in eine Richtung gerichtet ist, in der eine Entfernung zu einem Objekt in einer Umgebung der Entfernungsmesseinrichtung gemessen werden soll. Der Einkoppelbereich ist als holografisches Element mit einer ersten Ablenkstruktur ausgebildet. Eine Beschreibung einer Funktionsweise eines derartigen holografischen Elements, das häufig als optisches Gitter bezeichnet wird und das mittels holografischer Methoden hergestellt werden kann, findet sich beispielsweise in der oben zitierten wissenschaftlichen Publikation. Der Einkoppelbereich kann entsprechend zum Beispiel als Beugungsgitter realisiert sein. Die erste Ablenkstruktur des Einkoppelbereichs ist dazu ausgebildet, Licht, das aus der Umgebung auf die erste Ablenkstruktur fällt, in das Trägermedium einzukoppeln und dabei derart weit oder stark umzulenken, dass das eingekoppelte Licht die Grenzwinkelbedingung erfüllt.
Das Trägermedium ist entsprechend dazu ausgebildet, das eingekoppelte Licht dann mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich an den Auskoppelbereich zu übertragen. Das Licht, das aus der Umgebung auf die erste Ablenkstruktur fällt und in das Trägermedium eingekoppelt wird, kann somit innerhalb des Trägermediums in zick-zack-artigen Bewegungen entlang einer Richtung parallel zu einer Ebene der Oberfläche der Entfernungsmessvorrichtung geleitet werden. Schließlich weist der Auskoppelbereich, der ebenfalls als holografisches Element ausgebildet ist, eine zweite Ablenkstruktur auf, die dazu ausgebildet ist, das mittels des Trägermediums übertragene Licht, das auf die zweite Ablenkstruktur fällt, aus dem Trägermedium auszukoppeln. Die zweite Ablenkstruktur des Auskoppelbereichs kann beispielsweise ebenfalls als Beugungsgitter realisiert sein.
Mit anderen Worten kann insgesamt das Licht aus der Umgebung an der ersten Ablenkstruktur des Einkoppelbereichs abgelenkt oder gebeugt und in das Trägermedium eingekoppelt werden. Entsprechend kann das von dem Trägermedium übertragene Licht an der zweiten Ablenkstruktur abgelenkt oder gebeugt und dort wieder aus dem Trägermedium ausgekoppelt werden. Somit kann das Licht vor oder an der Oberfläche der Entfernungsmessvorrichtung, an der der Einkoppelbereich angeordnet ist, erfasst oder abgegriffen werden.
Zum Erfassen des aus dem Trägermedium ausgekoppelten Lichts, liegt die zumindest eine Sensoreinrichtung an dem Auskoppelbereich an. Wie oben beschrieben ist die zumindest eine Sensoreinrichtung dazu ausgebildet, das aus dem Trägermedium ausgekoppelte Licht zu erfassen und in Form von Sensordaten bereitzustellen. Die Sensordaten sind dabei mit dem einfallenden Licht der Umgebung korreliert. Zum Befestigen der zumindest einen Sensoreinrichtung an dem Trägermedium kann die Sensoreinrichtung beispielsweise an das Trägermedium angeklebt werden. Alternativ kann auch das Trägermedium in eine Halteeinrichtung der Sensoreinrichtung eingespannt werden. Die Sensoreinrichtung kann insbesondere als Bildsensor, beispielsweise als CCD-Sensor (Charged Coupled Device - ladungsgekoppelte Vorrichtung) oder als CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor - komplementärer Metalloxid-Halbleiter), ausgebildet sein. Bei dieser exemplarischen Ausgestaltung der Sensoreinrichtung als Bildsensor kann das Trägermedium, an dem der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich angeordnet sind, zusätzlich die Aufgabe eines Objektivs, also einer abbildenden Optik, übernehmen. Alternativ kann die Sensoreinrichtung zum Beispiel auch als Kamera oder Fotoapparat, insbesondere als Mikrokamera, wie sie beispielsweise in einem Smartphone ausgebildet ist, mit eigener abbildender Optik realisiert sein.
Der gesamte Einkoppelbereich der Erfassungsvorrichtung dient also als Erfassungsbereich für das Licht, das letztendlich an die zumindest eine Sensoreinrichtung weitergeleitet und dort als mit dem Licht korrelierte Sensordaten bereitgestellt wird. Der Einkoppelbereich bildet folglich eine Art Kameraobjektiv oder Lichteinlass für die Sensoreinrichtung. Der Einkoppelbereich umfasst daher beispielsweise eine gesamte Außenseite des Trägermediums der Entfernungsmessvorrichtung.
Die Auswerteeinheit der Entfernungsmessvorrichtung ist dazu ausgebildet, die bereitgestellten Sensordaten zur Erkennung eines Objekts in der Umgebung auszuwerten. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn es sich bei der zumindest einen Sensoreinrichtung, wie bereits exemplarisch beschrieben, um eine Bilderfassungseinrichtung, das heißt beispielsweise um eine Kameraeinrichtung, handelt. Die Auswerteeinheit weist hierfür beispielsweise eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, das Erkennen des Objekts durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, das Erkennen des Objekts durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Das Objekt, bei dem es sich beispielsweise um die Hand einer Person handelt, die sich der Entfernungsmessvorrichtung bis zu einer vorgegebenen Entfernung angenähert hat, kann beispielsweise anhand von einem Kantenverlauf, Farbverlauf, einer Ausdehnung oder einem anderen Kriterium, das zur Objekterkennung hinzugezogen werden kann, von der Auswerteeinheit erkannt werden. Hierbei ist eine Identifizierung des Objekts, das heißt beispielsweise die Identifizierung der Hand des Benutzers als Hand des entsprechenden Benutzers, nicht nötig. Es reicht vielmehr aus, dass Umrisse und Begrenzungen eines zusammenhängenden Objekts erkannt werden, das heißt einzelne Bildpixel des von der Sensoreinrichtung erfassten Sensordatenabbilds darauf schließen lassen, wo sich in der erfassten Umgebung das zusammenhängende Objekt, das heißt die Hand des Benutzers, befindet.
Die Auswerteeinheit ist außerdem dazu ausgebildet, unter Anwendung eines Fokuskriteriums Entfernungsdaten zu erzeugen, die ein Entfernen des Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung beschreiben. Dies erfolgt beispielsweise ebenfalls mittels einer dazu ausgelegten Prozessoreinrichtung, wie sie oben bereits analog beschrieben wurde. Das Fokuskriterium umfasst beispielsweise in einer in der Entfernungsmessvorrichtung hinterlegten Datenbank abgespeicherte Daten, die beschreiben, welcher Kontrast in dem Abbild der Umgebung mit welcher Entfernung des auf dem Abbild erfassten Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung korreliert ist. Als Kontrast kann beispielsweise ein Farbkontrast oder ein Dynamikumfang, das heißt ein Helligkeitskontrast, berücksichtigt werden. Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich je nach Entfernung des Objekts von einer voreingestellten Fokusebene der Sensoreinrichtung, eine Schärfe verändert, mit der das erfasste Objekt aufgenommen wird. Daher kann beispielsweise anhand von Kontrastverhältnissen festgestellt werden, ob sich das erkannte Objekt in der Fokusebene befindet oder nicht. Je nachdem, wie stark und ausgeprägt die Unschärfe des Objekts ist, kann nun auf die Entfernung des Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung selbst, das heißt zum Beispiel von der Oberfläche des Trägermediums mit dem Einkoppelbereich, geschlossen werden. Die hierfür nötigen Daten, das heißt die den korrelierten Entfernungsdaten entsprechenden Kontrastdaten, die den Sensordaten zu entnehmen sind, sind mithilfe des Fokuskriteriums in der Auswerteeinheit hinterlegt.
Die beschriebene Entfernungsmessvorrichtung ermöglicht insgesamt, dass mit technisch einfachen Mitteln Sensordaten bereitgestellt werden, aus denen auf die Entfernung des mithilfe der Sensordaten abgebildeten Objekts von einem Bezugspunkt, der hier als die Entfernungsmessvorrichtung selbst angenommen wird, ermöglicht wird. Unter der Entfernung des Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung ist also eine Distanz des zuvor erkannten Objekts von einem Bezugspunkt, der beispielsweise mit der Oberfläche des Trägerelements, an dem der Einkoppelbereich angeordnet ist, zusammenfällt, gemeint. Der lichtaufnehmende Bereich der Entfernungsmessvorrichtung, das heißt das flächige Trägermedium mit dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich, kann beispielsweise als transparente Folie ausgebildet sein, die beispielsweise auf einer Wand, einer Glasplatte oder einem anderen Objekt angeordnet ist. Lediglich in einem Randbereich dieses flächigen Trägermediums ist die zumindest eine Sensoreinrichtung der Auswerteeinheit positioniert, mithilfe derer letztendlich die Sensordatenerfassung, die Objekterkennung sowie die Bestimmung der Entfernungsdaten erfolgen. Die Entfernungsmessvorrichtung kann somit besonders unscheinbar gestaltet sein, sodass diese in beliebige Oberflächen integriert werden kann.
Beispielsweise kann die Entfernungsmessvorrichtung in eine Wand um ein Kunstobjekt integriert sein, sodass eine Person, wenn sie sich beispielsweise mit ihrer Hand der Wand nähert, stets hinsichtlich der Entfernung der Hand zu der Wand überwacht wird. Nähert sich beispielsweise die Hand des Benutzers näher an die Wand an, als es ein vorgegebener Minimalabstand vorsieht, kann zum Beispiel von der Auswerteeinheit ein entsprechendes Signal an eine Alarmeinrichtung weitergeleitet werden. Eine derartige Warnfunktion basiert dabei letztendlich darauf, dass die Auswerteeinheit das Objekt, das heißt die Hand, erkennt und die Entfernung dieser Hand von der Entfernungsmessvorrichtung selbst mithilfe der Entfernungsdaten quantifizieren kann. Durch die Vergrößerung des Erfassungsbereichs auf die gesamte Fläche des flächigen Trägermediums mit dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich wird außerdem eine Verdeckung, also eine Abschattung, eines Messbereichs der Entfernungsmessvorrichtung, beispielsweise durch eine ungünstig gewählte Positionierung einer Hand des Benutzers, unwahrscheinlich, da insgesamt auf einer größeren Fläche Licht für die gewünschte Sensordatenauswertung aufgenommen wird als es bei einer herkömmlichen Videokameraeinrichtung, wie sie beispielsweise von üblichen Entfernungsmessvorrichtungen verwendet wird, der Fall ist. Die Entfernungsmessvorrichtung ist daher insgesamt unscheinbar ausgestaltet, zuverlässig in ihren Messergebnissen und leicht in beliebige Umgebungen integrierbar.
Zu der Erfindung gehören auch Ausgestaltungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausgestaltungsform sieht vor, dass der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich als Ablenkstruktur zumindest ein optisches Gitter, insbesondere ein holografisches Oberflächengitter oder ein holografisches Volumengitter, aufweisen. In diesem Zusammenhang kann die Erfassungsvorrichtung auch als HoloCam, kurz für holografische Kamera, bezeichnet werden.
Ein optisches Gitter, auch Beugungsgitter genannt, sowie dessen Wirkungsweise und Herstellungsverfahren ist, wie bereits erwähnt, allgemein bekannt, wie es beispielsweise aus der oben zitierten wissenschaftlichen Publikation hervorgeht. Grundsätzlich kann ein optisches Gitter auf zumindest abschnittsweise periodischen Strukturen, einer sogenannten Gitterstruktur, in einem Substrat beruhen. Mittels einer solchen Gitterstruktur kann ein optisches Gitter durch den physikalischen Effekt der Beugung eine Lichtlenkung, wie sie zum Beispiel von Spiegeln, Linsen oder Prismen bekannt ist, herbeiführen. Fällt Licht, das heißt fallen Lichtstrahlen auf das optische Gitter, wobei die einfallenden Lichtstrahlen insbesondere die Bragg-Gleichung erfüllen, werden die Lichtstrahlen durch das optische Gitter gebeugt oder abgelenkt. Die Lichtlenkung kann somit insbesondere durch Interferenzerscheinungen der durch das optische Gitter gebeugten Lichtstrahlen erfolgen. Die Ablenkstruktur des Einkoppelbereichs oder Auskoppelbereichs kann dementsprechend auch als Beugungsstruktur bezeichnet werden.
Vorzugsweise kann ein optisches Gitter gegenüber dem einfallenden Licht richtungsselektiv oder winkelselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesondere ein Anteil des Lichts, das aus einer vorbestimmten Einfallsrichtung, zum Beispiel in einem vorbestimmten Winkel, auf ein optisches Gitter fällt, abgelenkt werden. Licht, insbesondere ein Anteil des Lichts, das aus einer anderen Richtung auf das optische Gitter fällt, wird vorzugsweise nicht abgelenkt oder umso weniger, je größer der Unterschied zur vorbestimmten Einfallsrichtung ist. Der Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Einfallsrichtung oder Optimaleinfallsrichtung abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren.
Zusätzlich oder alternativ kann ein optisches Gitter noch wellenlängenselektiv oder frequenzselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesondere ein erster Anteil des Lichts mit einer vorbestimmten Wellenlänge von dem optischen Gitter in einem bestimmten Beugungswinkel abgelenkt oder gebeugt werden. Licht, insbesondere ein zweiter Anteil des Lichts mit einer anderen als der vorbestimmten Wellenlänge wird vorzugsweise nicht abgelenkt, oder umso weniger je größer der Unterschied zur vorbestimmten Wellenlänge ist. Der zweite Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Wellenlänge oder Optimalwellenlänge abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren. Dadurch kann beispielsweise von polychromatischem Licht, welches auf das optische Gitter trifft, wenigstens ein monochromatischer Lichtanteil abgespaltet werden. In vorteilhafter Weise ist der Ablenkeffekt für die Optimalwellenlänge maximal und fällt zu längeren und kürzeren Wellenlängen hin, beispielsweise gemäß einer Gaußglocke, ab oder wird schwächer. Insbesondere wirkt der Ablenkeffekt nur auf einen Bruchteil des sichtbaren Lichtspektrums und/oder in einem Winkelbereich kleiner als 90 Grad.
Eine Herstellung eines optischen Gitters kann insbesondere mittels Belichtung eines Substrats, also beispielsweise fotolithografisch oder holografisch, erfolgen. In diesem Zusammenhang kann das optische Gitter dann auch als holografisches oder holografisch-optisches Gitter bezeichnet werden. Es sind zwei Arten von holografisch-optischen Gittern bekannt: holografische Oberflächengitter (surface holografic gratings, kurz: SHG) und holografische Volumengitter (volume holografic gratings, kurz: VHG). Bei einem holografischen Oberflächengitter kann die Gitterstruktur durch optisches Verformen einer Oberflächenstruktur des Substrats erzeugt werden. Durch die veränderte Oberflächenstruktur kann auftreffendes Licht abgelenkt, zum Beispiel reflektiert werden. Beispiele für holografische Oberflächengitter sind sogenannte Sägezahn- oder Blazegitter. Im Gegensatz dazu kann die Gitterstruktur bei holografischen Volumengittern in das ganze Volumen oder einen Teilbereich des Volumens des Substrats eingearbeitet sein. Holografische Oberflächengitter und holografische Volumengitter sind in der Regel frequenzselektiv. Es sind jedoch auch optische Gitter bekannt die polychromatisches Licht beugen können. Diese werden als holografische Mehrfachvolumengitter (multiplexed volume holografic gratings, kurz: MVHG) bezeichnet und können beispielsweise durch Verändern der Periodizität der Gitterstruktur eines optischen Gitters oder durch Anordnen mehrerer holografisches Volumengitter hintereinander hergestellt werden.
Als Material für das besagte Substrat zum Einarbeiten eines optischen Gitters eignet sich besonders ein Polymer, insbesondere ein Fotopolymer, oder eine Folie, insbesondere eine fotosensitive Folie, zum Beispiel aus Kunststoff oder organischen Stoffen. Substrate die eine Ablenkstruktur zum Beugen von Licht, beispielsweise in Form eines optischen Gitters aufweisen, können auch als holografisch-optische Elemente (HOE) bezeichnet werden.
Durch die beschriebene Ausbildung des Einkoppelbereichs und des Auskoppelbereichs wird daher das Beugen des auf den Einkoppelbereich fallenden Lichts zur beispielsweise seitlich des Trägermediums angeordneten Sensoreinrichtung möglich, wodurch die Entfernungsmessvorrichtung derart gestaltet sein kann, dass diese großflächig Licht erfasst und folglich von einer großen Fläche Sensordaten zur Entfernungsmessung bereitgestellt werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zumindest eine Sensoreinrichtung als eine Bilderfassungseinrichtung ausgestaltet ist. Wie oben bereits als Beispiel erwähnt, ist also die Sensoreinrichtung zum Beispiel als Kameraeinrichtung ausgebildet. Die Bilderfassungseinrichtung ist nun dazu ausgebildet, als Sensordaten Bilddaten bereitzustellen, die mit dem erfassten Licht korrelieren. Die Auswerteeinheit ist ferner dazu ausgebildet, die bereitgestellten Bilddaten zum Erkennen des Objekts auszuwerten. Es wird also darauf zurückgegriffen, dass basierend auf mithilfe von fotografischen oder videobasierten Erfassungsmethoden erfasstem Licht eine Objekterkennung besonders leicht und zuverlässig durchführbar ist. Der Grund hierfür ist, dass die Bilddaten beispielsweise einen Farbkontrast-, Helligkeitskontrast- sowie einen ausführlichen Schärfeverlauf innerhalb des Abbilds umfassen. Bildpixel, die zu dem Objekt, das in den abgebildeten Bilddaten dargestellt ist, gehören, sind somit besonders schnell und zuverlässig ermittelbar, sodass letztendlich der Bildbereich identifiziert werden kann, in dem sich das Objekt befindet, sodass als nächstes dessen Entfernung zu der Entfernungsmessvorrichtung ermittelt werden kann. Die Bilderfassungseinrichtung kann hierbei Licht verschiedener Wellenlängenbereiche erfassen und darstellen, zum Beispiel Licht eines sichtbaren Wellenlängenbereichs oder Infrarotlicht, das beispielsweise Informationen über eine Temperatur des Objekts liefern kann, um zum Beispiel eine Person eindeutig erkennen zu können. Mithilfe der Bilderfassungseinrichtung kann folglich die Objekterkennung zuverlässig und umfangreich erfolgen.
Eine zusätzliche Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, Schärfedaten zu bestimmen, die eine Kantenschärfe des in den Bilddaten erkannten Objekts beschreiben. Die Auswerteeinheit ist außerdem dazu ausgebildet, die bestimmten Schärfedaten zum Erzeugen der Entfernungsdaten für das Objekt auszuwerten. Die Auswerteeinheit ist also dazu ausgelegt, eine Kontrastmessung durchzuführen, wie sie beispielsweise im Rahmen einer Autofokusfunktion einer Bilderfassungseinrichtung durchgeführt wird. Als Kantenkontrastmessung wird allgemein eine Methode zum automatischen Fokussieren auf ein Objekt bezeichnet, bei der die Schärfe von Konturkanten in Abbildern berücksichtigt wird, wobei die Schärfe beispielsweise mittels Anwenden von Methoden digitaler Bildverarbeitung erfasst wird. Eine derartige Kantenkontrastmessung ist bei geeigneter Wahl des HOE sowie der Bilderfassungseinrichtung, das heißt der Sensoreinrichtung selbst, realisierbar.
Mittels des Fokuskriteriums ist einem somit erkannten Kantenschärfeverlauf eine vorgegebene Entfernung von der Entfernungsmessvorrichtung zugeordnet, sodass anhand der Schärfedaten die Entfernung zu dem von der Bilderfassungseinrichtung erkannten Objekt beziffert werden kann. Letztendlich kann folglich aus den Bilddaten die Entfernung des in den Bilddaten dargestellten Objekts von dem Bezugspunkt, das heißt der Entfernungsmessvorrichtung, ermittelt werden. Denn je kleiner die Entfernung zu dem Objekt ist, desto schärfer wird dessen Kontur, das heißt dessen Kanten, erfasst. Die Schärfedaten enthalten folglich Informationen über die Distanz des Objekts zum Trägermedium, das heißt die Entfernung des Objekts. Hierdurch wird eine kostengünstige, da auf eine aufwendige Optik verzichtet werden kann, und außerdem schnelle Methode bereitgestellt, mit der die Entfernungsmessdaten bestimmt werden können.
Die Auswerteeinheit kann beispielsweise in die Bilderfassungseinrichtung selbst integriert sein und folglich eine Auswerteeinheit der Sensoreinrichtung selbst sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteeinheit als eigenständige Komponente in der Entfernungsmessvorrichtung vorgesehen sein.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Entfernungsmessvorrichtung zwei Sensoreinrichtungen umfasst. Die zwei Sensoreinrichtungen sind jeweils dazu ausgebildet, als jeweilige Sensordaten jeweilige Lichtintensitätsverteilungsdaten der Umgebung bereitzustellen, die mit dem von der jeweiligen Sensoreinrichtung erfassten Licht korreliert sind. Bei den zwei Sensoreinrichtungen kann es sich somit beispielsweise um jeweilige CCD-Kameras handeln. Der Lichtintensitätsverlauf ist hierbei nicht zeitlich zu verstehen, sondern als räumliche Lichtintensitätsverteilung über die abgebildete Umgebung. Die Auswerteeinheit ist nun dazu ausgebildet, eine Abweichung zwischen den jeweiligen Lichtintensitätsverteilungsdaten festzustellen und die festgestellten Abweichungen zum Erzeugen der Entfernungsdaten für das erkannte Objekt auszuwerten. Hierbei wird letztendlich ein sogenannter Phasenvergleich durchgeführt. Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine Methode, die oftmals in Kameraeinrichtungen zum Erreichen einer Autofokusfunktion verwendet wird.
Der Phasenvergleich basiert darauf, dass von mindestens zwei zueinander versetzt angeordneten Sensoreinrichtungen jeweilige Sensordaten bereitgestellt werden. Jede dieser Sensoreinrichtungen erfasst das Licht aus der Umgebung selbstständig, wobei ein von den jeweiligen Sensoreinrichtungen aufgenommenes Lichtintensitätsverteilungsbild immer dann mit dem jeweiligen anderen Lichtintensitätsverteilungsbild der jeweiligen anderen Sensoreinrichtung deckungsgleich ist, wenn sich das Objekt in einer vorgegebenen Fokusentfernung befindet. Sobald die von den beiden Sensoreinrichtungen aufgenommenen Lichtintensitätsverteilungsbilder voneinander abweichen, weicht die Entfernung des Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung von der vorgegebenen Fokusentfernung ab. Das Fokuskriterium enthält nun entsprechende Daten, die jeweilige Unterschiede in den Lichtintensitätsverteilungsbildern und somit letztendlich in den Lichtintensitätsverteilungsdaten mit jeweiligen Objektentfernungen korrelieren, sodass durch Anwenden des Fokuskriteriums letztendlich die Entfernungsdaten des Objekts erzeugt werden können.
Die Auswerteeinheit ist hierbei nicht nur dazu ausgelegt, zu erkennen, dass sich das Objekt nicht in der vorgegebenen Fokusentfernung befindet, sondern kann auch den Grad der Abweichung von dieser Fokusentfernung bestimmen, woraus letztendlich die Entfernung des Objekts ermittelt werden kann. Indem zumindest zwei Sensoreinrichtungen verwendet werden, kann also alternativ zu der oben beschriebenen Auswertung der Kantenschärfe mittels einer unabhängigen zweiten Methode die Entfernung des Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung gemessen und in Form der Entfernungsdaten bereitgestellt werden. Die Entfernungsmessvorrichtung ist somit prinzipiell mit verschiedenen Methoden zur eigentlichen Entfernungsmessung ausgestaltbar, sodass stets zuverlässig und genau die Entfernungsdaten erzeugt und bereitgestellt werden können.
Des Weiteren ist es, wenn die Entfernungsmessvorrichtung zumindest zwei Sensoreinrichtungen umfasst, in einer weiteren Ausgestaltungsform vorgesehen, dass die zwei Sensoreinrichtungen jeweils als Liniensensor und/oder Kreuzsensor ausgebildet sind. Mithilfe derartiger Sensoren kann ein Vergleich der Lichtintensitätsverteilungsdaten der Umgebung durchgeführt werden. Hierbei kann die Sensoreinrichtung entweder eine Linienempfindlichkeit für Licht in einer Dimension, wie dies bei einem Liniensensor der Fall ist, oder eine Linienempfindlichkeit in zwei Dimensionen aufweisen, wie dies bei einem Kreuzsensor der Fall ist. Mithilfe geeigneter Wahl der entsprechenden Sensoreinrichtungen kann letztendlich erreicht werden, dass die Entfernungsmessvorrichtung die Auflösung und Qualität aufweist, die für die Entfernungsbestimmung gewünscht ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das flächige Trägermedium zwischen dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich als transparente Platte, Folie oder Lack ausgebildet ist. Das flächige Trägermedium kann also mit einer kleinen Dicke ausgebildet sein, sodass die Länge und Breite des flächigen Trägermediums im Vergleich zu dieser kleinen Dicke des Trägermediums, die senkrecht zur flächigen Oberfläche des flächigen Trägermediums steht, groß ist. Das flächige Trägermedium kann beispielsweise zwischen einem halben Millimeter und fünf Millimeter dick sein. Falls das flächige Trägermedium als transparente Folie ausgebildet ist, ist es außerdem biegbar ausgebildet, das heißt es kann zerstörungsfrei verformt werden, wobei als zerstörungsfreies Verformen ein zerstörungsfreies Verbiegen der Folie um einen Biegeradius von kleiner als zwei Zentimetern verstanden wird. Falls das flächige Trägermedium als transparenter Lack ausgebildet ist, kann es eine Dicke im Mikrometerbereich und folglich kleiner als einen Millimeter aufweisen. Hierdurch wird erreicht, dass das flächige Trägermedium mit dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich an zahlreichen Positionen, beispielsweise innerhalb eines Kraftfahrzeugs oder an einer Wand, unauffällig angeordnet sein kann, ohne dort beispielsweise ein dahinter angeordnetes Objekt zu verdecken, sodass beispielsweise eine Anordnung auf einer Fensterscheibe des Kraftfahrzeugs denkbar ist. Hierdurch wird die Entfernungsmessvorrichtung in eine beliebige Umgebung integrierbar.
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich einstückig mit dem Trägermedium ausgebildet sind oder das Trägermedium als separates Element zu dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich ausgebildet ist. Im ersten Fall können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich somit beispielsweise direkt in eine Oberfläche des Trägermediums eingearbeitet sein. Das heißt, die Ablenkstruktur kann beispielsweise in die Oberfläche des Trägermediums geätzt oder gelasert sein. Somit kann das Trägermedium selbst als HOE ausgebildet sein. Im zweiten Fall können Einkoppelbereich, Auskoppelbereich und Trägermedium separat ausgebildet sein. Dabei können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich beispielsweise wenigstens ein erstes Element bilden und das Trägermedium kann ein zweites Element bilden, welches an dem ersten Element anliegt. Somit können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in wenigstens einem HOE ausgebildet sein. Beispielsweise können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in unterschiedlichen Abschnitten einer holografischen Folie oder Platte ausgebildet sein. Zum Befestigen der Folie oder Platte an dem Trägermedium kann die Folie oder Platte an das Trägermedium angeklebt sein. Alternativ kann die holografische Folie auch als Adhäsionsfolie ausgebildet sein und direkt, also ohne Klebstoff, durch molekulare Kräfte an der Oberfläche des Trägermediums haften. Das Trägermedium mit dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich ist somit auf verschiedene Arten und insbesondere kostengünstig herstellbar.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum Bestimmen von Entfernungsdaten eines Objekts mittels einer Entfernungsmessvorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde. Das heißt, die Entfernungsmessvorrichtung umfasst zumindest eine Sensoreinrichtung, eine Auswerteeinheit sowie ein flächiges Trägermedium. Das flächige Trägermedium ist als Lichtleiter ausgebildet, an dem ein Einkoppelbereich, der als holografisches Element mit einer ersten Ablenkstruktur ausgebildet ist, und ein Auskoppelbereich, der als holografisches Element mit einer zweiten Ablenkstruktur ausgebildet ist, bereitgestellt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: Einkoppeln von Licht, das aus einer Umgebung auf die erste Ablenkstruktur fällt, in das flächige Trägermedium mittels der ersten Ablenkstruktur; Übertragen des eingekoppelten Lichts mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich an den Auskoppelbereich mittels des flächigen Trägermediums; Auskoppeln des übertragenen Lichts aus dem flächigen Trägermedium mittels der zweiten Ablenkstruktur; Erfassen des ausgekoppelten Lichts und Bereitstellen von Sensordaten, die mit dem erfassten Licht korrelieren, mittels der zumindest einen Sensoreinrichtung; Auswerten der bereitgestellten Sensordaten zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung und Erzeugen von Entfernungsdaten, die ein Entfernen des Objekts von der Entfernungsmessvorrichtung beschreiben, unter Anwendung eines Fokuskriteriums mittels der Auswerteeinheit.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines flächigen Trägermediums einer Entfernungsmessvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer Entfernungsmessvorrichtung, vor der eine Hand eines Benutzers angeordnet ist, die unscharf von der Sensoreinrichtung der Entfernungsmessvorrichtung erfasst wird, und
3 eine schematische Darstellung einer Entfernungsmessvorrichtung, vor der eine Hand angeordnet ist, die mit einer Sensoreinrichtung der Entfernungsmessvorrichtung scharf abgebildet wird.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden.
Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In 1 ist eine Entfernungsmessvorrichtung 10 skizziert, die eine Sensoreinrichtung 11, eine Auswerteeinheit 13 sowie ein flächiges Trägermedium 12 umfasst. Das flächige Trägermedium 12 ist als Lichtleiter ausgebildet, an dem ein Einkoppelbereich 16 und ein Auskoppelbereich 18 bereitgestellt sind. Der Einkoppelbereich 16 ist hierbei als holografisches Element 14 mit einer ersten Ablenkstruktur 20 ausgebildet und der Auskoppelbereich 18 als holografisches Element 14 mit einer zweiten Ablenkstruktur 22.
Die Entfernungsmessvorrichtung 10 ist dazu ausgelegt, Entfernungsdaten zu erzeugen, die eine Entfernung 32 eines Objekts 30 (jeweils dargestellt mit den Bezugszeichen 30 und 32 in 2) von der Entfernungsmessvorrichtung 10 beschreiben. Für die Bestimmung der Entfernungsdaten des Objekts 30 werden die folgenden Schritte durchgeführt: Zunächst erfolgt in einem Schritt S1 das Einkoppeln von Licht 100, das aus einer Umgebung auf die erste Ablenkstruktur 20 fällt, in das flächige Trägermedium 12 mittels der ersten Ablenkstruktur 20. In einem nächsten Schritt S2 erfolgt ein Übertragen des eingekoppelten Lichts 100 mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich 16 an den Auskoppelbereich 18 mittels des flächigen Trägermediums 12. In einem Schritt S3 wird das übertragene Licht 100 aus dem flächigen Trägermedium 12 mittels der zweiten Ablenkstruktur 22 ausgekoppelt. Daraufhin erfolgt in einem Schritt S4 ein Erfassen des ausgekoppelten Lichts 100 und in einem Schritt S5 ein Bereitstellen von Sensordaten, die mit dem erfassten Licht 100 korreliere. Die Schritte S4 und S5 werden jeweils mittels der Sensoreinrichtung 11 durchgeführt. Daraufhin erfolgt mittels der Auswerteeinheit 13 in einem Schritt S6 ein Auswerten der bereitgestellten Sensordaten zum Erkennen des Objekts 30 in der Umgebung und in einem Schritt S7 ein Erzeugen von Entfernungsdaten, die die Entfernung 32 des Objekts 30 von der Entfernungsmessvorrichtung 10 beschreiben. Diese Auswertung erfolgt mittels der Auswerteeinheit 13 und unter Anwendung eines Fokuskriteriums.
Der Einkoppelbereich 16 und der Auskoppelbereich 18 weisen als Ablenkstruktur 20, 22 zumindest ein optisches Gitter, insbesondere ein holografisches Volumengitter oder ein holografisches Oberflächengitter, auf. Das flächige Trägermedium 12 mit dem Einkoppelbereich 16 und dem Auskoppelbereich 18 ist als transparente Platte, Folie oder Lack ausgebildet. Der Einkoppelbereich 16 und der Auskoppelbereich 18 sind außerdem einstückig mit dem flächigen Trägermedium 12 ausgebildet oder das flächige Trägermedium 12 ist als separates Element mit dem Einkoppelbereich 16 und dem Auskoppelbereich 18 ausgebildet.
Die Sensoreinrichtung 11 ist beispielsweise als Bilderfassungseinrichtung ausgestaltet, die dazu ausgebildet ist, als Sensordaten Bilddaten bereitzustellen, die mit dem erfassten Licht 100 korrelieren. Die Auswerteeinheit 13 ist dazu ausgebildet, die bereitgestellten Bilddaten zum Erkennen des Objekts 30 auszuwerten.
In 2 ist die Entfernungsmessvorrichtung 10 erneut skizziert. Hierbei ist vor dem flächigen Trägermedium 12 mit dem Einkoppelbereich 16 und dem Auskoppelbereich 18 als Objekt 30 eine Hand eines Benutzers positioniert. Dieses Objekt 30 befindet sich in einer Entfernung 32 von der Oberfläche des flächigen Trägermediums 12. Mittels der Bilderfassungseinrichtung als Sensoreinrichtung 11 wird ein Abbild 31 des Objekts 30 aufgenommen, das auf einem beispielsweise hinter dem flächigen Trägermedium 12 positionierten Bildschirm 33 als Abbild 31 des Objekts 30 angezeigt wird. Hierbei wird in 2 das unscharfe Abbild 31 des Objekts 30 auf dem Bildschirm 33 angezeigt. Die Auswerteeinheit 13 ist dazu ausgebildet, Schärfedaten zu bestimmen, die eine Kantenschärfe des erkannten Objekts 30 in den Bilddaten, die von der Bilderfassungseinrichtung als Sensoreinrichtung 11 bereitgestellt wurden, beschreiben. Die bestimmten Schärfedaten werden daraufhin zum Erzeugen der Entfernungsdaten für das Objekt 30 ausgewertet. Hierfür liegen der Auswerteeinheit 13 durch das Fokuskriterium Zusammenhänge zwischen Schärfedaten und Entfernung 32 des Objekts 30 vor, sodass anhand eines Kantenschärfeverlaufs innerhalb des Abbilds 31 des Objekts 30 die tatsächliche Entfernung 32 des Objekts 30 von der Entfernungsmessvorrichtung 10, das heißt beispielsweise von einer Oberfläche des flächigen Trägermediums 12, festgestellt werden kann.
In 3 ist erneut die Hand des Benutzers skizziert, die als Objekt 30 vor der Entfernungsmessvorrichtung 10 positioniert ist, jedoch in einer größeren Entfernung 32` verglichen mit der in 2 skizzierten Hand. Mit dieser grö-ßeren Entfernung 32` wird das Objekt 30 scharf auf dem Bildschirm 33 abgebildet, das heißt das Abbild 31 des Objekts 30 weist eindeutig erkennbare Konturen der Hand auf. Im Vergleich zu dem in 2 skizzierten Abbild 31 wird deutlich, dass abhängig von der Entfernung 32 des Objekts 30 von der Entfernungsmessvorrichtung 10 unterschiedliche Kantenschärfen vorliegen, sodass anhand der Schärfedaten eindeutig die Entfernung 32 des Objekts 30 von der Entfernungsmessvorrichtung 10 bestimmbar, das heißt die Entfernungsdaten erzeugbar sind.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Entfernungsmessvorrichtung 10 zumindest zwei Sensoreinrichtungen 11 umfassen, die jeweils dazu ausgebildet sind, als jeweilige Sensordaten jeweilige Lichtintensitätsverteilungsdaten der Umgebung bereitzustellen. Hierfür eignen sich beispielsweise ein Liniensensor und/oder ein Kreuzsensor als Sensoreinrichtung 11. Die Lichtintensitätsverteilungsdaten der Umgebung sind mit dem von der jeweiligen Sensoreinrichtung 11 erfassten Licht 100 korreliert. Die Auswerteeinheit 13 ist nun dazu ausgebildet, eine Abweichung zwischen jeweiligen Lichtintensitätsverteilungsdaten festzustellen und die festgestellte Abweichung zum Erzeugen der Entfernungsdaten das erkannte Objekt 30 auszuwerten. Es ist also möglich, dass mittels eines sogenannten Phasenvergleichs anhand der Lichtintensitätsverteilungsdaten ebenfalls durch Anwendung des Fokuskriteriums erfasst wird, bei welcher Lichtintensitätsverteilung welche Entfernung 32 des Objekts 30 von der Entfernungsmessvorrichtung 10 anzunehmen ist.
Eine derartige Entfernungsmessvorrichtung 10 kann zum Beispiel mit dem flächigen, bevorzugt transparent ausgebildeten Trägermedium 12 auf einer Glasscheibe eines Hauses angeordnet sein und somit durch Bereitstellen der Entfernungsdaten dazu beitragen, dass, wenn sich beispielsweise ein Objekt 30, wie eine Person, dieser Glasscheibe näher annähert, als es eine vorgegebene Minimalentfernung vorsieht, ein Alarmsignal, das beispielsweise vor einem Einbrecher oder einem unerwünschten Eindringen warnt, ausgegeben. Eine derartige Entfernungsmessvorrichtung 10 kann außerdem in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, beispielsweise integriert in eine Windschutzscheibe, ein Seitenfenster, ein Armaturenbrett, einen Seitenspiegel oder einen Rückspiegel des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise kann mittels der Entfernungsmessvorrichtung 10 ein Abstand des Fahrers von einem Lenkrad des Kraftfahrzeugs bestimmt und beispielsweise an eine automatische Fahrersitzeinstellungseinrichtung übermittelt werden. Außerdem kann eine Entfernungsüberwachung der Umgebung des Kraftfahrzeugs selbst mittels der Entfernungsmessvorrichtung 10, die beispielsweise in der Windschutzscheibe oder den Seitenfenstern des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, bereitgestellt werden, die die Entfernung 32 des Kraftfahrzeugs zu dem Objekt 30 in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Derartige Entfernungsmessungen sind außerdem beispielsweise im Rahmen von zumindest teilautonomen Fahrerassistenzfunktionen relevant, bei denen stets überprüft wird, ob sich ein Hindernis in der Umgebung des Kraftfahrzeugs befindet. Der Vorteil der Entfernungsmessvorrichtung 10 ist hierbei, dass über eine relativ große Fläche mithilfe des flächigen Trägermediums 12 Licht 100 eingekoppelt wird, sodass stets eine große Fläche, die außerdem nur schwer zu verdecken ist, da sie so groß ist, erfasst wird. Hierdurch wird eine besonders zuverlässige und großskalige Überwachung der Entfernungen zu Objekten 30 in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs möglich.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Entfernungssensorfunktion für holografisch-optische Elemente durch Kontrasterkennung bereitgestellt werden kann. Die Idee dahinter ist, dass ein Kontrast eines von beispielsweise einer Bilderfassungseinrichtung als Sensoreinrichtung 11 aufgenommenes Abbildes der Umgebung mit dem Objekt 30 dazu verwendet wird, zu bestimmen, wie weit das aufgenommene Objekt 30 entfernt ist. Letztendlich kann also mithilfe der Entfernungsmessvorrichtung 10 und einer entsprechenden Softwarelösung, die in die Auswerteeinheit 13 implementiert ist, die Entfernung 32 des Objekts 30 von der Entfernungsmessvorrichtung 10 abgeschätzt werden und eine Näherungserkennung realisiert werden. Es kann also beispielsweise erfasst werden, wann sich das Objekt 30 an die Entfernungsmessvorrichtung 10 annähert und wann es sich von dieser entfernt.
Je nach Entfernung 32 des Objekts 30 von einer voreingestellten Fokusebene, die durch die Wahl des flächigen Trägermediums 12 mit dem daran angeordneten Einkoppelbereich 16 und dem Auskoppelbereich 18 bereitgestellt wird, verändert sich die Kantenschärfe des erfassten Objekts 30. Analog zu einer Kameraeinrichtung kann nun anhand des Kontrastverhältnisses, das heißt anhand der bestimmten Schärfedaten, festgestellt werden, ob das Objekt 30 im Fokus liegt oder nicht. Der Schärfeverlauf, das heißt die Schärfedaten an sich geben Aufschluss darüber, wie weit das Objekt 30 von der Oberfläche des flächigen Trägermediums 12 und somit von der Entfernungsmessvorrichtung 10 entfernt ist. Die Funktionsweise kann man sich hierbei anhand eines Schattenentwurfs des Objekts 30 auf einer Wand vorstellen, das von einer flächigen Lichtquelle, das heißt sogenanntem Area Light, angestrahlt wird. Je näher das Objekt 30 an die Wand rückt, desto schärfer wird seine Kontur. Liegt das Objekt 30 auf der Wand auf, ist das Maximum an Kantenschärfe erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007058779 A1 [0003]

Claims

Entfernungsmessvorrichtung (10) mit zumindest einer Sensoreinrichtung (11), einer Auswerteeinheit (13) sowie einem flächigen Trägermedium (12), wobei das flächige Trägermedium (12) als Lichtleiter ausgebildet ist, an dem ein Einkoppelbereich (16) und ein Auskoppelbereich (18) bereitgestellt sind, wobei - der Einkoppelbereich (16) als holografisches Element (14) mit einer ersten Ablenkstruktur (20) ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, Licht (100), das aus einer Umgebung auf die erste Ablenkstruktur (20) fällt, in das flächige Trägermedium (12) einzukoppeln; - das flächige Trägermedium (12) dazu ausgebildet ist, das eingekoppelte Licht (100) mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich (16) an den Auskoppelbereich (18) zu übertragen; - der Auskoppelbereich (18) als holografisches Element (14) mit einer zweiten Ablenkstruktur (22) ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, das übertragene Licht (100), das auf die zweite Ablenkstruktur (22) fällt, aus dem flächigen Trägermedium (12) auszukoppeln; - die zumindest eine Sensoreinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, das ausgekoppelte Licht (100) zu erfassen und in Form von Sensordaten, die mit dem erfassten Licht (100) korrelieren, bereitzustellen; und - die Auswerteeinheit (13) dazu ausgebildet ist, die bereitgestellten Sensordaten zum Erkennen eines Objekts (30) in der Umgebung auszuwerten und unter Anwendung eines Fokuskriteriums Entfernungsdaten zu erzeugen, die eine Entfernung des Objekts (30) von der Entfernungsmessvorrichtung (10) beschreiben.
Entfernungsmessvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Einkoppelbereich (16) und der Auskoppelbereich (18) als Ablenkstruktur (20, 22) zumindest ein optisches Gitter, insbesondere ein holografisches Volumengitter oder ein holografisches Oberflächengitter, aufweisen.
Entfernungsmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Sensoreinrichtung (11) als eine Bilderfassungseinrichtung ausgestaltet ist, die dazu ausgebildet ist, als Sensordaten Bilddaten bereitzustellen, die mit dem erfassten Licht (100) korrelieren, und die Auswerteeinheit (13) dazu ausgebildet ist, die bereitgestellten Bilddaten zum Erkennen des Objekts (30) auszuwerten.
Entfernungsmessvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (13) dazu ausgebildet ist, Schärfedaten zu bestimmen, die eine Kantenschärfe des erkannten Objekts (30) in den Bilddaten beschreiben, und die bestimmten Schärfedaten zum Erzeugen der Entfernungsdaten für das Objekt (30) auszuwerten.
Entfernungsmessvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Entfernungsmessvorrichtung (10) zumindest zwei Sensoreinrichtungen (11) umfasst, die jeweils dazu ausgebildet sind, als jeweilige Sensordaten jeweilige Lichtintensitätsverteilungsdaten der Umgebung bereitzustellen, die mit dem von der jeweiligen Sensoreinrichtung (11) erfassten Licht (100) korreliert sind, und die Auswerteeinheit (13) dazu ausgebildet ist, eine Abweichung zwischen den jeweiligen Lichtintensitätsverteilungsdaten festzustellen und die festgestellte Abweichung zum Erzeugen der Entfernungsdaten für das erkannte Objekt (30) auszuwerten.
Entfernungsmessvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zwei Sensoreinrichtungen (11) jeweils als Liniensensor und/oder Kreuzsensor ausgebildet sind.
Entfernungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das flächige Trägermedium (12) mit dem Einkoppelbereich (16) und dem Auskoppelbereich (18) als transparente Platte, Folie oder Lack ausgebildet ist.
Entfernungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einkoppelbereich (16) und der Auskoppelbereich (18) einstückig mit dem flächigen Trägermedium (12) ausgebildet sind oder das flächige Trägermedium (12) als separates Element zu dem Einkoppelbereich (16) und dem Auskoppelbereich (18) ausgebildet ist.
Verfahren zum Bestimmen von Entfernungsdaten eines Objekts (30) mittels einer Entfernungsmessvorrichtung (10), die zumindest eine Sensoreinrichtung (11), eine Auswerteeinheit (13) sowie ein flächiges Trägermedium (12) umfasst, wobei das flächige Trägermedium (12) als Lichtleiter ausgebildet ist, an dem ein Einkoppelbereich (16), der als holografisches Element (14) mit einer ersten Ablenkstruktur (20) ausgebildet ist, und ein Auskoppelbereich (18), der als holografisches Element (14) mit einer zweiten Ablenkstruktur (22) ausgebildet ist, bereitgestellt sind, umfassend folgende Schritte. - Einkoppeln von Licht (100), das aus einer Umgebung auf die erste Ablenkstruktur (20) fällt, in das flächige Trägermedium (12) mittels der ersten Ablenkstruktur (20) (S1); - Übertragen des eingekoppelten Lichts (100) mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich (16) an den Auskoppelbereich (18) mittels des flächigen Trägermediums (12) (S2); - Auskoppeln des übertragenen Lichts (100) aus dem flächigen Trägermedium (12) mittels der zweiten Ablenkstruktur (22) (S3); - Erfassen des ausgekoppelten Lichts (100) (S4) und Bereitstellen von Sensordaten, die mit dem erfassten Licht (100) korrelieren, mittels der zumindest einen Sensoreinrichtung (11) (S5); und - Auswerten der bereitgestellten Sensordaten zum Erkennen eines Objekts (30) in der Umgebung (S6) und Erzeugen von Entfernungsdaten, die eine Entfernung des Objekts (30) von der Entfernungsmessvorrichtung (10) beschreiben, unter Anwendung eines Fokuskriteriums mittels der Auswerteeinheit (13) (S7).