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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messstand zur Untersuchung eines optischen Sensors, wobei der Messstand einen Detektor umfasst, um den optischen Sensor auf Verschmutzung zu untersuchen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Untersuchung eines optischen Sensors, umfassend den Schritt Bereitstellen eines Messstandes, der einen Detektor umfasst, um den optischen Sensor auf Verschmutzung zu untersuchen.
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Stand der Technik
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Bekannte LiDAR-Systeme, die bevorzugte optische Sensoren sind, sind üblicherweise als rotierende Macroscanner, Microscanner oder Flash-Systeme ausgeführt.
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Sowohl die Reichweite als auch das Auflösungsvermögen des LiDAR-Systems können bei Verschmutzung signifikant beeinträchtigt werden. Für automatisierte Fahrfunktionen ist die Kenntnis darüber, welche Art und Menge an Verschmutzung für welche Performanceeinbußen verantwortlich ist, wichtig. Z.B. kann ein Abdeckfenster des LiDAR-Systems bereits im Gerätedesign für bestimmte Verschmutzungsarten abweisend gestaltet werden oder die Detektion einer bestimmten Verschmutzungsart und -menge für die Aktivierung eines Reinigungssystems oder zur Reduktion der Fahrgeschwindigkeit genutzt werden. Der Systemanwender erhält zudem eine Abschätzung darüber, welche mittlere und minimale Performance vom LiDAR-System zu erwarten ist.
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Bei der Verschmutzungsmessung von solchen Abdeckfenstern wird häufig eine Präzisionswaage als Gewichtsdetektor für das Abdeckfenster verwendet, um den optischen Sensor auf Verschmutzung zu untersuchen. Dies ist aufgrund des geringen Verschmutzungsgewichts, das in der Regel nur wenige Gramm beträgt, im Vergleich zum hohen Gewicht des LiDAR-Systems, oftmals etwa 3 kg, aufgrund der Skalierung des Messfehlers der Waage mit dem Gesamtgewicht nicht zielführend.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Messstand zur Untersuchung eines optischen Sensors zur Verfügung gestellt, wobei der Messstand einen Detektor umfasst, um den optischen Sensor auf Verschmutzung zu untersuchen, und der Messstand dafür eingerichtet ist, optisch mittels des Detektors eine Verschmutzungscharakterisierung des optischen Sensors zu erstellen.
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Vorteile der Erfindung
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Für die Entwicklung optischer Sensoren, insbesondere von LiDAR-Systemen, ist die Kenntnis eines Degradationsmodells bei Verschmutzung notwendig, da eine Verschmutzung des zu untersuchenden optischen Sensors, insbesondere eines LiDAR-Sensors bei Automotive-Anwendungen, mit zunehmender Betriebsdauer sehr wahrscheinlich ist und berücksichtigt werden muss. Der Messstand nach der Erfindung hat den Vorteil, dass mit ihm ermittelt werden kann, welche Verschmutzungsart und -menge auf dem optischen Sensor vorhanden ist, um dann ihren Einfluss auf die Sensorperformance zu ermitteln. Auf eine Präzisionswaage als Detektor, die dennoch im vorliegenden Anwendungsfall nicht ausreichend genau ist, kann somit verzichtet werden.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung bedeuten, dass eine Verschmutzungscharakterisierung vorgenommen wird, also insbesondere die charakteristischen Eigenschaften einer vorhandenen Verschmutzung ermittelt werden. Bei den charakteristischen Eigenschaften kann es sich vorzugsweise um einen Bedeckungsgrad oder auch eine lokalisierte Verteilung von Verschmutzung auf dem optischen Sensor handeln. Das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung kann vorzugsweise auch als Verschmutzungscharakterisieren bezeichnet werden.
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Vorzugsweise kann der vollständige optische Sensor mittels des Messstands auf Verschmutzung untersucht werden. Dies ermöglicht erstmalig die Verschmutzungscharakterisierung auf einem vollständigen optischen Sensor, wie beispielsweise einem LiDAR-System, was bisher aufgrund des Messfehlers der Präzisionswaage nicht möglich war.
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Unter optischem Erstellen kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung vorzugsweise das Verwenden eines optischen Detektors zur Untersuchung des optischen Sensors auf Verschmutzung verstanden werden. Statt eines mechanischen Detektors, wie beispielsweise einer Waage, kann der optische Detektor verwendet werden, um die Untersuchung des optischen Sensors auf Verschmutzung gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Der Detektor, der zur Erstellung der Verschmutzungscharakterisierung bereitgestellt ist, ist vorzugsweise ein Lichtsensor, insbesondere eine Photodiode. So kann der Messstand mittels des Lichtsensors den zu untersuchenden optischen Sensor optisch auf Verschmutzung untersuchen und die Verschmutzungscharakteristik basierend auf den mit dem Lichtsensor empfangenen Lichtsignalen berührungsfrei erstellen.
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In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Messstand ein Stellglied umfasst, das dafür eingerichtet ist, den Detektor translatorisch zweidimensional zu verlagern. Dies kann Messungen an unterschiedlichen Relativpositionen zwischen Detektor und optischem Sensor ermöglichen. So kann der Detektor insbesondere gegenüber dem optischen Sensor verschoben werden und an jeder einnehmbaren Relativposition des Detektors kann ein Messpunkt gewonnen werden, um die Verschmutzungscharakterisierung zu erzeugen. Vorzugsweise trägt das Stellglied den Detektor. Das Stellglied kann beispielsweise ein 2D-Translationsträger sein. Statt einer translatorischen Bewegung des zusätzlichen Messequipments auf dem Stellglied kann in alternativen Ausführungsformen auch der zu untersuchende optische Sensor bewegt werden, insbesondere durch seine Positionierung auf einer RotGon (Rotationstisch-Goniometerkombination zum Kippen und Schwenken des zu untersuchenden optischen Sensors) als Stellglied für den optischen Sensor. In diesem Fall wäre die Beziehung zum Messstand durch zwei Rotationsachsen statt zweier Translationsachsen gegeben.
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Manche Ausführungsformen sehen vor, dass der Messstand dafür eingerichtet ist, anhand der Verlagerung basierend auf Stellinformation eine Ortsauflösung zu realisieren. So kann eine ortsaufgelöste Verschmutzungscharakteristik des optischen Sensors erzeugt werden, was mittels Präzisionswaage gänzlich unmöglich wäre, da diese allenfalls ein Gesamtgewicht der Verschmutzung ermitteln kann. Die Stellinformationen können insbesondere aus der jeweils eingestellten Relativposition des Stellglieds in Bezug auf den optischen Sensor abgeleitet werden, sodass jeder eingestellten Position des Stellglieds ein Verschmutzungswert des optischen Sensors zugeordnet wird, der an der jeweils untersuchten Stelle des optischen Sensors durch den Detektor gemessen wird.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Messstand eine Referenzlaserquelle, die dafür eingerichtet ist, Referenzlicht mit einer Referenzwellenlänge bereitzustellen, die vorzugsweise mit einer Wellenlänge, insbesondere von Licht einer Lichtquelle, des optischen Sensors übereinstimmt. So kann der optische Sensor in einem ausgeschalteten Zustand untersucht werden. Außerdem kann so sichergestellt werden, dass das Referenzlicht den Detektor tatsächlich erreicht und nicht auf dem optischen Pfad blockiert wird, falls es von der Wellenlänge der Lichtquelle des optischen Sensors abweichen würde. Vorzugsweise trägt das Stellglied die Referenzlaserquelle. Vorzugsweise ist ein Winkel zwischen Referenzlaserquelle und Detektor einstellbar eingerichtet. Um eine möglichst hohe Ortsauflösung zu bekommen, ist es vorteilhaft, den Winkel zwischen Referenzlaserquelle und Detektor zu minimieren. Bei minimalem Winkel zwischen Referenzlaserquelle und Detektor geht der Laserstrahl der Referenzlaserquelle zwei Mal durch dieselbe Stelle des optischen Sensors, hierdurch erhöht sich vorteilhaft die Messempfindlichkeit. In manchen Ausführungsformen ist der Winkel zwischen Referenzlaserquelle und Detektor daher minimiert eingerichtet. Manche Ausführungsformen sehen keine Referenzlaserquelle vor, sondern nur den Detektor. Als Messsignal wird dann vorzugsweise vom optischen Sensor emittiertes Licht genutzt, vorzugsweise Licht der im zu untersuchenden optischen Sensor bereitgestellten Lichtquelle. Dann muss die Untersuchung jedoch in einem eingeschalteten Zustand des optischen Sensors erfolgen. Die Lichtquelle des optischen Sensors ist vorzugsweise eine Laserquelle.
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Der Messstand ist vorzugsweise dafür eingerichtet, einen Transmissionsmessaufbau für ein Abdeckfenster des optischen Sensors bereitzustellen. So kann vorteilhaft die Transmissionsfähigkeit des Abdeckfensters als Maß für die Verschmutzung herangezogen werden. Das Abdeckfenster ist vorzugsweise ein optisches Fenster, durch das optische Strahlen in den optischen Sensor ein- und/oder aus dem optischen Sensor auskoppelbar sind. Der Transmissionsaufbau kann eine Zweiwegmessung und/oder eine Einwegmessung ermöglichen. Abdeckfenster, die den optischen Sensor nach außen gegen Umwelteinflüsse abschließen und einen Durchtritt von Licht erlauben, sind besonders häufig von Verschmutzung betroffen, insbesondere bei LiDAR-Systemen, und Transmissionsmessungen können eine besonders geeignete Lösung sein, um die Verschmutzung des Abdeckfensters zu charakterisieren. Aufgrund der bekannten Intensität der Referenzlaserquelle, sofern vorhanden, kann anhand der im Detektor ermittelten Leistung der Verlust von Signalstärke über einen Pfad Abdeckfenster-Drehspiegel-Abdeckfenster bestimmt werden, wobei der Drehspiegel vorzugsweise ein Bauteil des zu untersuchenden optischen Sensors ist. Da es sich bei dieser Variante um die Zweiwegmessung handelt, ist die aufgenommene Intensität immer eine Mittelung aus den zwei Durchtritten durch das Abdeckfenster. Das Abdeckfenster ist vorzugsweise ein Abdeckglas, das aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein kann. Das Abdeckfenster kann gekrümmt oder plan sein. Besonders bevorzugt ist, dass das Stellglied dafür eingerichtet ist, den Detektor und vorzugsweise auch die Referenzlaserquelle in Bezug auf das Abdeckfenster zu verlagern, insbesondere translatorisch zweidimensional zu verlagern bzw. zu verschieben, um basierend auf der so gewonnenen Stellinformation die Ortsauflösung der Verschmutzung zu realisieren. In manchen Ausführungsformen sind Einwegmessungen vorgesehen, was die Messzeit verkürzen kann. Dann durchtritt das Licht auf dem Weg zum Detektor nur einmal das Abdeckglas, zum Beispiel von einer Lichtquelle des optischen Sensors kommend. Vorzugsweise ist das Abdeckfenster hermetisch mit dem optischen Sensor verbunden. So kann ein besonders dichter Halt des Abdeckfensters am optischen Sensor erreicht werden.
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Bevorzugt ist, dass der Messstand dafür eingerichtet ist, sowohl eine Ermittlung einer ortsaufgelösten Transmission und einer Streuung wie auch nur der Streuung durchzuführen. Manchmal ist es hinreichend, nur die Streuung zu untersuchen, während manchmal zusätzlich auch die ortsaufgelöste Transmission ermittelt werden soll. Wird, wann immer möglich, auf die Messung der ortsaufgelösten Transmission verzichtet, können Messzeit oder auch Rechenleistung reduziert werden. Eine bevorzugte, zu ermittelnde Streuung ist transmittierte Streuung. Eine andere bevorzugte, zu ermittelnde Streuung ist reflektierte Streuung. Die Messung der Streuung erfolgt vorzugsweise entweder durch Bewegen des Detektors um einen spekularen Reflexionswinkel herum oder mit Hilfe einer U-Kugel, die direkt am Abdeckfenster angeordnet sein kann. Hierbei kann der spekulare Reflex durch Anbringen eines Absorbers weggeschaltet werden. Somit ist bei diesem Messaufbau sowohl die Messung der Transmission und Streuung als auch nur der Streuung möglich. Auch eine Differenzmessung mit normalem Detektor und U-Kugel ist in Ausführungsformen vorgesehen und erlaubt die Ermittlung der ortsaufgelösten Transmission und Streuung. Eine Referenzmessung bei einem sauberen optischen Sensor ermöglicht eine Normierung auf eine Referenzleistung im Detektor, so dass eine Abweichung hiervon als Degradation, also insbesondere Verschmutzung, interpretiert werden kann.
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Der optische Sensor ist vorzugsweise ein LiDAR-System. Hier ist besonders häufig im Automotive-Bereich die Problematik von Verschmutzungen zu beobachten. Alternative optische Sensoren können aber ganz allgemein optische Sensoren und Instrumente, die das Abdeckfenster aufweisen, sein, wie z.B. Kameras. Dabei ist es unerheblich, ob das Abdeckfenster plan oder rund ausgeführt ist.
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Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zur Untersuchung eines optischen Sensors bereit, umfassend den Schritt Bereitstellen eines Messstandes, der einen Detektor umfasst, um den optischen Sensor auf Verschmutzung zu untersuchen, weiter umfassend den Schritt optisches Erstellen einer Verschmutzungscharakterisierung des optischen Sensors mittels des Detektors.
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Für die Entwicklung optischer Sensoren, insbesondere von LiDAR-Systemen, ist die Kenntnis eines Degradationsmodells bei Verschmutzung notwendig, da eine Verschmutzung des zu untersuchenden optischen Sensors, insbesondere eines LiDAR-Sensors bei Automotive-Anwendungen, mit zunehmender Betriebsdauer sehr wahrscheinlich ist und berücksichtigt werden muss. Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vorteil, dass mit ihm ermittelt werden kann, welche Verschmutzungsart und -menge auf einem optischen Sensor vorhanden ist, um dann ihren Einfluss auf die Sensorperformance zu ermitteln. Auf eine Präzisionswaage als Detektor, die dennoch im vorliegenden Anwendungsfall nicht ausreichend genau ist, kann somit verzichtet werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung eines Abdeckfensters des optischen Sensors durch Transmissionsmessung mittels einer Einwegmessung und/oder einer Zweiwegmessung. So kann vorteilhaft die Transmissionsfähigkeit des Abdeckfensters als Maß für die Verschmutzung herangezogen werden. Die Zweiwegmessung nutzt zur Messung einen zweifachen Durchtritt von Referenzlaserlicht durch das Abdeckfenster. Die Einwegmessung nutzt zur Messung hingegen einen einfachen Durchtritt von Licht des zu untersuchenden optischen Sensors durch das Abdeckfenster. Sofern es sich um eine Zweiwegmessung handelt, ist die durch den Detektor aufgenommene Intensität immer eine Mittelung aus den zwei Durchtritten durch das Abdeckfenster, sodass mögliche Messfehler herausgemittelt werden. Sofern es sich um eine Einwegmessung handelt, kann die Messzeit gegenüber einer Zweiwegmessung halbiert sein.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren mittels Zweiwegmessung den Schritt Erzeugen eines Referenzlaserstrahls mit einer Referenzlaserquelle, die Teil des Messstands ist. Ein bevorzugter späterer Schritt ist das Durchführen einer Zweiwegmessung mit dem Referenzlaserstrahl, der über den Drehspiegel auf den Detektor gelenkt wird. Besonders bevorzugt ist das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung des Abdeckfensters des optischen Sensors mittels einer Zweiwegmessung über einen Pfad Abdeckfenster-Drehspiegel-Abdeckfenster. Ein bevorzugter späterer Schritt ist gemeinsames Translatieren des Detektors und der Referenzlaserquelle mittels eines Stellglieds des Messstands in Bezug auf das Abdeckfenster und erneutes Durchführen der Zweiwegmessung, so lange bis eine ausreichende Vielzahl von Messpunkten erzeugt worden ist. Ein bevorzugter späterer Schritt ist das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung aus den mit dem Detektor erzeugten Messpunkten. Die genannten Schritte werden also vorzugsweise in der genannten Reihenfolge ausgeführt.
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Besondere Verfahren sehen das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung im laufenden Betrieb des optischen Sensors vor. Dies ist insbesondere bei Messständen ohne Referenzlaserquelle vorgesehen, da hier üblicherweise das emittierte Licht der Lichtquelle des zu untersuchenden optischen Sensors selbst zur Messung verwendet wird. Dazu muss die Lichtquelle des optischen Sensors in Betrieb sein. Vorzugsweise umfasst das Verfahren mittels Einwegmessung den Schritt Erzeugen eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit der Lichtquelle, die Teil des zu untersuchenden optischen Sensors ist. Ein bevorzugter späterer Schritt ist das Durchführen der Einwegmessung mit dem Laserstrahl der Lichtquelle, der von der Lichtquelle kommend über den Drehspiegel auf den Detektor gelenkt wird. Ein bevorzugter späterer Schritt ist das Translatieren des Detektors mittels eines Stellglieds des Messstands in Bezug auf das Abdeckfenster und erneutes Durchführen der Einwegmessung, so lange bis eine ausreichende Vielzahl von Messpunkten erzeugt worden ist. Ein bevorzugter späterer Schritt ist das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung aus den mit dem Detektor erzeugten Messpunkten. Die genannten Schritte werden also vorzugsweise in der genannten Reihenfolge ausgeführt.
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Vorzugsweise sieht das Verfahren ein Erstellen einer Karte des Abdeckfensters vor, vorzugsweise mittels positionsbezogener Transmission. So kann genau bestimmt werden, welche Abschnitte des Abdeckfensters verschmutzt sind und wie sich das auf die Leistung des optischen Sensors auswirkt. Ein bevorzugtes Verfahren sieht weiter eine Analyse der Karte vor, um eine Aussage über den Verschmutzungsgrad zu treffen. Weiter sieht das Verfahren vorzugsweise ein ortsaufgelöstes Bewerten der Streuung am Abdeckfenster vor. So kann bestimmt werden, wie eine lokale Verschmutzung die Streuung am Abdeckfenster beeinflusst. Bevorzugt ist, dass alle Verfahrensschritte durch eine Recheneinheit des Messstandes durchgeführt werden, wie beispielsweise einen Computer. Sofern hier von Laserstrahlen die Rede ist, kann es sich entweder um Dauerstrichlaserstrahlen oder separate Laserimpulse handeln, je nach Ausführungsform der Lichtquelle bzw. der Referenzlichtquelle.
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Die Verschmutzungscharakterisierung wird also vorzugsweise nicht durch den Detektor alleine erstellt, sondern wahlweise zusätzlich durch Vergleichen der detektierten Strahlung mit einer Messung eines sauberen Sensors oder auch mit der emittierten Strahlung. Dies erfolgt vorzugsweise in einer elektronischen Auswerteeinheit, die insbesondere durch die Recheneinheit des Messstandes gebildet sein kann oder eine zum Messstand externe Recheneinheit sein kann.
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Weitere mögliche Verfahrensschritte und deren Vorteile ergeben sich aus der obigen Beschreibung des Messstandes und seiner möglichen Ausführungsformen, auf die hier verwiesen wird, sodass auf Wiederholungen an dieser Stelle verzichtet wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Messstands nach der Erfindung in einer Draufsicht,
- 2 eine zweite Ausführungsform des Messstands nach der Erfindung in einer Draufsicht,
- 3 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung und
- 4 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines Messstands 1 nach der Erfindung gezeigt. Der Messstand 1 ist ein Messstand 1 zur Untersuchung eines optischen Sensors 2. Der optische Sensor 2 ist hier beispielhaft ein LiDAR-System. Der Messstand 1 umfasst einen Detektor 3, um den optischen Sensor 2 auf Verschmutzung zu untersuchen. Wie im Folgenden näher erläutert wird, ist der Messstand 1 dafür eingerichtet, optisch mittels des Detektors 3 eine Verschmutzungscharakterisierung des optischen Sensors 2 zu erstellen. Optische Pfade 4, 5, nämlich TX-Pfad 4, der Sendepfad, und RX-Pfad 5, der Empfangspfad, des optischen Sensors 2, sind mittels gestrichelter Linien schematisch dargestellt.
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Der Messstand 1 umfasst ein Stellglied 6, das dafür eingerichtet ist, den Detektor 3 translatorisch zweidimensional zu verlagern. Zwei Translationsachsen T1, T2 werden zu diesem Zweck durch das Stellglied 6 bereitgestellt und sind in den 1 und 2 veranschaulicht. Die Translationsachsen T1, T2 stehen senkrecht zueinander und sind dafür angeordnet, den Detektor 3 seitlich in Bezug auf den optischen Sensor 2, die Transaktionsachse T2, bzw. hin zu und weg vom optischen Sensor 2, die Translationsachse T1, zu bewegen. Das Stellglied 6 ist hier eine zweidimensional verlagerbare Montageplattform, die den Detektor 3 trägt. Der Detektor 3 ist hier ein Lichtsensor. Der Messstand 1 ist dafür eingerichtet, anhand der Verlagerung des Detektors 3 basierend auf der Stellinformation eine Ortsauflösung zu realisieren, nämlich eine Ortsauflösung der Verschmutzung des optischen Sensors 2.
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Der Messstand 1 umfasst weiter eine Referenzlaserquelle 7, die dafür eingerichtet ist, Referenzlicht mit einer Referenzwellenlänge bereitzustellen. Der Detektor 3 ist dafür eingerichtet, das Referenzlicht zu erfassen. Das Stellglied 6 trägt zusätzlich zum Detektor 3 auch die Referenzlaserquelle 7. So ist der Detektor 3 gemeinsam mit der Referenzlaserquelle 7 in Bezug auf den optischen Sensor 2 zweidimensional verlagerbar eingerichtet. Der Messstand 1 ist dafür eingerichtet, einen Transmissionsmessaufbau für ein Abdeckfenster 8 des optischen Sensors 2 bereitzustellen. Dazu weist der Messstand 1 eine Aufnahmeeinrichtung 9 für den optischen Sensor 2, der das Abdeckfenster 8 aufweist, auf. Die Aufnahmeeinrichtung 9 ist beispielhaft als Sensorhalterung ausgeführt. Die Referenzlaserquelle 7 und der Detektor 3 sind in einem Winkel so zu einem Drehspiegel 10 des optischen Sensors 2 ausgerichtet, dass sowohl eine Ermittlung einer ortsaufgelösten Transmission und einer Streuung wie auch nur der Streuung mittels des Messstands 1 durchführbar ist. Die Referenzwellenlänge stimmt mit einer Wellenlänge des optischen Sensors 2 überein, nämlich mit einer Wellenlänge von Licht einer Lichtquelle 11 des optischen Sensors 2. So ist sichergestellt, dass der Drehspiegel 10 die Referenzwellenlänge reflektieren kann und das Abdeckfenster 8 die Referenzwellenlänge transmittieren kann. Der Detektor 3 ist in einem Winkel so zu dem Drehspiegel 10 des optischen Sensors 2 ausgerichtet, dass eine Ermittlung der Transmissionsfähigkeit durch das Abdeckfenster 8 hindurch mittels des Messstands 1 durchführbar ist. Der Messstand 1 ist dafür eingerichtet, mittels der Referenzlaserquelle 7 einen Laserstrahl auf den Drehspiegel 10 zu senden, von dem aus der reflektierte Laserstrahl auf den Detektor 3 trifft, wobei der Laserstrahl in Form einer Zweiwegmessung das Abdeckfenster 8, das hier aus Glas besteht, zweimal durchtritt, nämlich einmal zwischen Referenzlaserquelle 7 und Drehspiegel 10 und einmal zwischen Drehspiegel 10 und Detektor 3. Aufgrund der bekannten Intensität des Referenzlasers kann anhand der im Detektor 3 ermittelten Leistung der Verlust von Signalstärke über den Pfad Abdeckglas-Drehspiegel-Abdeckglas bestimmt werden. So kann die Transmissionsfähigkeit des Abdeckfensters 8 als Maß für die Verschmutzung herangezogen werden. Die Messung kann bei eingeschaltetem zu untersuchendem Sensor 2, d.h. drehendem Drehspiegel 10, durchgeführt werden. Wenn der Drehspiegel 10 rotiert, wird der Detektor 3 nur detektieren, wenn der Winkel des Drehspiegels 10 zu der Geometrie von Referenzlaserquelle 7 und Detektor 3 passt. Somit wird also ein Transmissionsmessaufbau für das Abdeckfenster 8 realisiert. Die Messung der Streuung erfolgt entweder durch Bewegen des Detektors 3 um den spekularen Reflexionswinkel herum oder mit Hilfe einer U-Kugel (nicht gezeigt) direkt am Abdeckfenster 8. Hierbei kann der spekulare Reflex durch einen Absorber (nicht gezeigt) weggeschaltet werden. Somit ist bei diesem Messstand 1 sowohl die Messung der Transmission und Streuung als auch nur der Streuung möglich. Der Detektor 3 und die Referenzlaserquelle 7 werden gemeinsam translatorisch vor dem Abdeckfenster 8 bewegt, um nacheinander eine Vielzahl von Messpunkten zu erhalten, einen pro eingenommener Relativposition des Detektors 3 vor dem Abdeckfenster 8. Eine Referenzmessung bei einem sauberen zu untersuchenden optischen Sensor 2 ermöglicht eine Normierung auf eine Referenzleistung im Detektor 3, so dass eine Abweichung hiervon als Degradation, insbesondere Verschmutzung des Abdeckfensters 8, interpretiert werden kann. Details zum Verfahren mittels dieser Zweiwegmessung werden weiter unten anhand von 3 erläutert.
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In der 2 ist eine zweite Ausführungsform des Messstands 1 nach der Erfindung gezeigt. Der Messstand 1 ist wieder ein Messstand 1 zur Untersuchung eines optischen Sensors 2. Der optische Sensor 2 ist hier beispielhaft erneut ein LiDAR-System. Der Messstand 1 umfasst wiederum den Detektor 3, um den optischen Sensor 2 auf Verschmutzung zu untersuchen. Wie im Folgenden näher erläutert wird, ist auch diese Ausführungsform des Messstands 1 dafür eingerichtet, optisch mittels des Detektors 3 eine Verschmutzungscharakterisierung des optischen Sensors 2 zu erstellen.
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Der Messstand 1 umfasst wieder ein Stellglied 6, das dafür eingerichtet ist, den Detektor 3 translatorisch zweidimensional zu verlagern. Das Stellglied 6 ist hier wieder eine Montageplattform, die den Detektor 3 trägt. Der Detektor 3 ist hier erneut ein Lichtsensor. Der Messstand 1 ist wieder dafür eingerichtet, anhand der Verlagerung des Detektors 3 basierend auf Stellinformation eine Ortsauflösung zu realisieren.
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Der Messstand 1 umfasst hier keine Referenzlaserquelle 7, sondern nutzt die Lichtquelle 11, die in dem zu untersuchenden optischen Sensor 2 selbst bereitgestellt ist. Die Lichtquelle 11 ist ein Dauerstrichlaser. Da die Lichtquelle 11 in Betrieb sein muss, wird mit diesem Messstand 1 die Verschmutzungscharakterisierung auf jeden Fall im laufenden Betrieb des optischen Sensors 2 erstellt. Der Detektor 3 ist dafür eingerichtet, das Licht der Lichtquelle 11, die in dem optischen Sensor 2 selbst bereitgestellt ist, zu erfassen. Der Messstand 1 ist somit gleichfalls dafür eingerichtet, einen Transmissionsmessaufbau für ein Abdeckfenster 8 des optischen Sensors 2 bereitzustellen. Dazu weist der Messstand 1 wieder eine Aufnahmeeinrichtung 9 für den optischen Sensor 2, der das Abdeckfenster 8 aufweist, auf. Die Aufnahmeeinrichtung 9 ist erneut beispielhaft als Sensorhalterung ausgeführt. Der Detektor 3 ist wieder in einem Winkel so zu dem Drehspiegel 10 des optischen Sensors 2 ausgerichtet, dass eine Ermittlung einer Transmissionsfähigkeit durch das Abdeckfenster 8 hindurch mittels des Messstands 1 durchführbar ist. Der optische Sensor 2 ist dafür eingerichtet, mittels der Lichtquelle 11 einen Laserstrahl auf den Drehspiegel 10 zu senden, von dem aus der reflektierte Laserstrahl auf den Detektor 3 trifft, wobei der Laserstrahl in Form einer Einwegmessung das Abdeckfenster 8, das hier wieder aus Glas besteht, nur einmal durchtritt, nämlich zwischen Drehspiegel 10 und Detektor 3. Bei dieser Variante wird also keine zusätzliche Referenzlaserquelle 7 verwendet, sondern nur der Detektor 3 auf dem Stellglied 6. Als Messsignal wird das vom zu untersuchenden Sensor 2 emittierte Licht genutzt. Der Detektor 3 wird translatorisch vor dem Abdeckfenster 8 bewegt, um nacheinander eine Vielzahl von Messpunkten zu erhalten, einen pro eingenommener Relativposition des Detektors 3 vor dem Abdeckfenster 8. Details zum Verfahren mittels Einwegmessung werden weiter unten anhand von 4 erläutert.
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Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform des Messstands 1 wird die reflektierte Streuung gemessen, während bei der zweiten Ausführungsform in 2 die transmittierte Streuung gemessen wird. Somit sind die beiden Ausführungsformen komplementär und in gewissen Fällen vorzugsweise beide zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung anzuwenden.
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In der 3 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung gezeigt. Der Messstand 1 aus 1 ist dafür eingerichtet, die erste Ausführungsform des Verfahrens durchzuführen. Das Verfahren zur Untersuchung eines optischen Sensors 2 umfasst, unter Berücksichtigung auch von 1, den Schritt S31 eines Bereitstellens eines Messstandes 1, der einen Detektor 3 umfasst. Weiter sieht das Verfahren den Schritt S32 eines optischen Erstellens einer Verschmutzungscharakterisierung des optischen Sensors 2 mittels des Detektors 3 vor. Genauer erfolgt das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung des Abdeckfensters 8 des optischen Sensors 2 durch Transmissionsmessung, in dieser Ausführungsform mittels einer Zweiwegmessung.
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Das Verfahren mittels Zweiwegmessung umfasst hier beispielhaft den Unterschritt U311 eines Erzeugens des Referenzlaserstrahls mit der Referenzlaserquelle 7, die Teil des Messstands 1 ist. Ein weiterer, dem nachfolgender Unterschritt U312 ist Durchführen der Zweiwegmessung mit dem Referenzlaserstrahl, der über den Drehspiegel 10 auf den Detektor 3 gelenkt wird, über einen Pfad Abdeckfenster-Drehspiegel-Abdeckfenster. Ein weiterer, dem nachfolgender Unterschritt U313 ist gemeinsames Translatieren des Detektors 3 und der Referenzlaserquelle 7 mittels des Stellglieds 6 des Messstands 1 in Bezug auf das Abdeckfenster 8 und erneutes Durchführen der Zweiwegmessung, so lange bis eine ausreichende Vielzahl von Messpunkten erzeugt worden ist. Ein weiterer, dem nachfolgender Unterschritt U314 ist ein Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung aus den mit dem Detektor 3 erzeugten Messpunkten.
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Da es sich bei dieser Variante um die Zweiwegmessung handelt, ist die aufgenommene Intensität immer eine Mittelung aus den zwei Durchtritten durch das Abdeckfenster 8 hindurch. Um eine möglichst hohe örtliche Auflösung zu erhalten, ist es vorteilhaft den Winkel zwischen Referenzlaserquelle 7 und Detektor 3 zu minimieren. Bei minimalem Winkel zwischen Referenzlaserquelle 7 und Detektor 3 geht der Laserstrahl zwei Mal durch dieselbe Stelle des Abdeckfensters 8, hierdurch erhöht sich die Messempfindlichkeit.
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In der 4 ist eine zweite Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung gezeigt. Im Vergleich zur in 3 erläuterten Ausführungsform handelt es sich bei dieser Messung um die Einwegmessung, da das Abdeckfenster 8 nur einmal passiert wird. Der Messstand 1 aus 2 ist dafür eingerichtet, die zweite Ausführungsform des Verfahrens durchzuführen. Das Verfahren zur Untersuchung eines optischen Sensors 2 umfasst, unter Berücksichtigung auch von 2, den Schritt S41 eines Bereitstellens des Messstandes 1, der den Detektor 3 umfasst. Weiter sieht das Verfahren den Schritt S42 eines Erstellens der Verschmutzungscharakterisierung des optischen Sensors 2 durch Transmissionsmessung mittels des Detektors 3 vor. Genauer erfolgt das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung des Abdeckfensters 8 des optischen Sensors 2 durch Transmissionsmessung mittels der Einwegmessung und im laufenden Betrieb des optischen Sensors 2.
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Dies ist insbesondere bei solchen Messständen 1 wie in 2, die keine Referenzlaserquelle 7 aufweisen, vorgesehen, da hier das emittierte Licht der Lichtquelle 11 des zu untersuchenden optischen Sensors 2 selbst zur Messung verwendet wird. Für die Messung ist es also bei dieser Ausführungsform zwingend erforderlich, dass der optische Sensor 2 angeschaltet ist und sowohl der Drehspiegel 10 dreht als auch die Lichtquelle 11 des optischen Sensors 2 schießt. In der in 4 gezeigten Ausführungsform umfasst das Verfahren mittels Einwegmessung den Unterschritt U411 Erzeugen des Laserstrahls mit der Lichtquelle 11, die Teil des zu untersuchenden optischen Sensors 2 ist. Ein weiterer, dem nachfolgender Unterschritt U412 ist Durchführen der Einwegmessung mit dem Laserstrahl der Lichtquelle 11, der von der Lichtquelle 11 kommend über den Drehspiegel 10 auf den Detektor 3 gelenkt wird. Ein weiterer, dem nachfolgender Unterschritt U413 ist Translatieren des Detektors 3 mittels des Stellglieds 6 des Messstands in Bezug auf das Abdeckfenster 8 und erneutes Durchführen der Einwegmessung, so lange bis eine ausreichende Vielzahl von Messpunkten erzeugt worden ist. Ein weiterer, dem nachfolgender Unterschritt U414 ist Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung aus den mit dem Detektor 3 erzeugten Messpunkten. Im Vergleich zur in 3 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich hierbei also um die Einwegmessung, da das Abdeckfenster 8 von dem Laserstrahl nur einmal passiert wird, auf dem Pfad vom Drehspiegel 10 zum Detektor 3.
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Bei beiden hier veranschaulichten Varianten, Zweiwegmessung und Einwegmessung, ist eine Referenzmessung bei sauberem optischem Sensor 2 erforderlich, wenn die Ergebnisse normiert werden sollen. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhaft anhand eines LiDAR-B-Musters (mit einem Drehspiegel 10) erläutert, die Erfindung ist aber insbesondere auf alle anderen Konzepte für LiDAR-Sensoren bzw. allgemein optische Sensoren 2 mit Abdeckfenster 8 übertragbar. In nicht gezeigten Ausführungsformen kann in Schritt S32 zusätzlich oder alternativ das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung des Abdeckfensters 8 mittels reflektierter Streuung vorgesehen sein. In Schritt S42 kann in nicht gezeigten Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ das Erstellen der Verschmutzungscharakterisierung des Abdeckfensters 8 mittels transmittierter Streuung vorgesehen sein.
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Wie anhand der Ausführungsformen veranschaulicht, wird vorliegend ein neues Verfahren zur Verschmutzungscharakterisierung bei optischen Sensoren 2, insbesondere LiDAR-Systemen, vorgestellt, das ein Verfahren zur Untersuchung eines optischen Sensors 2 ist. Dabei kann insbesondere ermittelt werden, welche Verschmutzungsart und -menge auf dem Abdeckfenster 8 eines vollständigen LiDAR-Systems vorhanden ist, um dann ihren Einfluss auf die LiDAR-Geräteperformance zu ermitteln. Beispielsweise könnten vor Durchführung der beiden oben beschriebenen Messungen saubere LiDAR-Systeme an Versuchsträgern, vorzugsweise Testfahrzeugen, montiert werden und nach einer Fahrt durch verschmutztes Gelände wieder abmontiert werden, um die Performanceeinbußen im dargestellten Laborversuch nachvollziehen zu können. Zu diesem Zweck können die LiDAR-Systeme dann als Ganzes auf den Messstand 1 nach der Erfindung montiert und optisch untersucht werden, ohne dass das LiDAR-System fehlerbehaftet mittels Präzisionswaage untersucht werden müsste.
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In einem anderen Anwendungsfall können im Labor Normschmutzarten auf einen optischen Sensor 2, insbesondere ein LiDAR-System, aufgebracht werden, um die Performanceeinbußen mit der Erwartung über diese zu korrelieren. Die Messung im Laborversuch mittels des Messstandes 1 kann auf dem Abdeckfenster 8 lokal aufgelöst sein und somit ein ortsaufgelöstes Transmissionsverhalten des Abdeckfensters 8 darstellen. Dies ermöglicht erstmalig die Verschmutzungscharakterisierung auf einem vollständigen LiDAR-System, wie es bisher aufgrund des Messfehlers der Präzisionswaage unmöglich war. Als Ergebnis der Messung kann in nicht gezeigten Ausführungsformen eine Karte des Abdeckfensters 8 mit positionsbezogener Transmission erzeugt werden, sowie über eine Analyse auch eine Aussage über den Verschmutzungsgrad getroffen werden. Zudem kann in nicht gezeigten Ausführungsformen auch die Streuung am Abdeckfenster 8 ortsaufgelöst bewertet werden.
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Die vorgestellten Messstände 1 und die vorgestellten Messverfahren zur Untersuchung eines optischen Sensors 2 können zur Ermittlung von Degradationsmodellen insbesondere im LiDAR-Bereich eingesetzt werden. Sie bieten eine deutlich verbesserte Messgenauigkeit im Vergleich zum Präzisionswaagenansatz. Eine ortsaufgelöste Messung der Transmission und der Streuung am verschmutzten Abdeckfenster 8 sind möglich. Eine direkte Übersetzbarkeit der verschmutzungsabhängigen Transmissionsfähigkeit auf die Reichweite und der Streuung auf die Winkelauflösung durch Modellwissen über den zu untersuchenden optischen Sensor 2, z.B. Strahlprofil, kann erreicht werden. Eine genaue Vorhersage der verschmutzungsabhängigen Performanceeinbußen ist möglich. Der Messstand 1 und das Messverfahren erlauben jeweils eine Erkenntnis über Performanceeinbußen bei realem Straßenschmutz. Wiederholbare Normverschmutzung kann in Ausführungsformen mit Performanceeinbußen in der Anwendung verglichen werden. Dabei sind der Messstand 1 und das Messverfahren unabhängig von der Form des vorzugsweise zu untersuchenden Abdeckfensters 8, das insbesondere plan oder rund sein kann.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
