DE10323317A1 - Car object detection or distance measurement optical system path folding unit uses silicon micromirror reflectors - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung des Strahlenverlaufs in einem optischen System sowie die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.The The invention relates to a device for deflecting the beam path in an optical system and the use of such Contraption.
Bei optischen Systemen, wie z. B. Entfernungsmesssystemen in der Fahrzeugtechnik oder Kassensystemen an Supermarktkassen, bei denen eine Auswertung eines an einem Objekt reflektierten Lichtstrahls erfolgt, werden oftmals rotierende Polygonspiegel mit einer Mehrzahl von mit einem bestimmten Winkel geneigten Spiegelflächen zur Anwendung gebracht. Durch den rotierenden Polygonspiegel wird eine flächenhafte Bereichsabtastung erzielt.at optical systems, such as B. Distance measuring systems in vehicle technology or checkout systems at supermarket checkouts, where an evaluation of a light beam reflected from an object often rotating polygon mirrors with a plurality of with one certain angle inclined mirror surfaces applied. The rotating polygon mirror makes an areal Area scan achieved.
Nachteilig an Systemen mit rotierenden Polygonspiegeln ist zum einen, dass für die Lagerung des Polygonspiegels eine teure, nahezu spielfreie und robuste Präzisionsmechanik benötigt wird, und zum anderen, dass infolge des rauen Einsatzgebietes in der Fahrzeugtechnik bedingt durch Vibration, Motorgeräusche, Karosserieresonanzen, Fahrbahnunebenheiten, Schlaglöcher erhebliche mechanische Kräfte auf die relativ schwere Konstruktion einwirken, die sich negativ auf Messgenauigkeit und Lebensdauer des Systems auswirken.adversely in systems with rotating polygon mirrors, on the one hand, that for the Storage of the polygon mirror an expensive, almost free of play and robust precision mechanics needed and on the other hand that due to the rough application area in vehicle technology due to vibration, engine noise, body resonance, Road bumps, potholes considerable mechanical forces act on the relatively heavy construction, which is negative affect measurement accuracy and system life.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl derartiger Systeme bekannt, bei denen ein Lichtstrahl durch einen rotierenden Polygonspiegel abgelenkt wird.Out A large number of such systems are known from the prior art, where a beam of light through a rotating polygon mirror is distracted.
Beispielsweise
wird in der
Aus
Weiterhin sind aus dem Anwendungsgebiet des Laserfernsehens zur Laserstrahlablenkung Silizium-Mikrospiegel (so genannte Torsionsaktoren) bekannt. Einen Überblick über solche Silizium-Mikrospiegel bieten die Website http://www.infotech.tuchemnitz.de/~zfm/forschung/mikrospiegel.html sowie die Dissertation "Ein neuartiger Mikroaktor zur ein- und zweidimensionalen Ablenkung von Licht", vorgelegt am Fachbereich Elektrotechnik der Gerhard-Mercator-Universität Gesamthochschule Duisburg von Dipl.-Phys. Harald Schenk. Derartige Mikrospiegel weisen bei ebener Spiegelfläche maximale Auslenkwinkel von 2° bis 5° statisch bzw. 10° bis 40° in Resonanz auf. Die Ansteuerung zur Aullenkung des Strahlenverlaufes erfolgt durch elektro-statische Anregung.Farther are from the field of application of laser television for laser beam deflection Silicon micromirrors (so-called torsion actuators) are known. An overview of such Silicon micromirrors are available on the website http://www.infotech.tuchemnitz.de/~zfm/forschung/mikrospiegel.html as well as the dissertation "Ein Novel microactuator for one- and two-dimensional deflection of Light " at the Department of Electrical Engineering at the Gerhard Mercator University Comprehensive University Duisburg by Dipl.-Phys. Harald Schenk. Such micromirrors have with a flat mirror surface maximum deflection angle from 2 ° to 5 ° static or 10 ° to 40 ° in resonance on. The control for the external steering of the beam path takes place through electrostatic excitation.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Ablenkung des Strahlenverlaufs in einem optischen System, insbesondere in einem System zur Abstandsmessung oder zur Detektion von Gegenständen in einem wählbaren Bereich um ein bewegtes Fahrzeug, anzugeben, die kostengünstig herzustellen ist, keine Präzisionslagerung benötigt, eine hohe Verschleißfestigkeit, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aufweist sowie unempfindlich gegenüber mechanischen Störgrößen ist und mit geringem Energieaufwand regelbar ist.outgoing the present invention is based on this prior art the task of a device for deflecting the beam path in an optical system, in particular in a system for distance measurement or for the detection of objects in a selectable Area to indicate a moving vehicle that can be manufactured inexpensively is, no precision storage needed high wear resistance, high reliability and has a long service life and is insensitive to mechanical Is and can be regulated with little energy.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 8; vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.According to the Task solved by a device with the features of claim 1 and uses the device according to the invention according to claim 8; advantageous developments are the subject of Dependent claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ablenkung des Strahlenverlaufs in einem optischen System, insbesondere in einem System zur Abstandsmessung oder zur Detektion von Gegenständen in einem wählbaren Bereich um ein bewegtes Fahrzeug umfasst mindestens eine Lichtquelle, mindestens ein Detektorelement sowie mindestens ein Umlenkelement zur Umlenkung des Lichtstrahls, wobei als Umlenkelement ein Silizium-Mikrospiegel vorgesehen ist.The device according to the invention for deflecting the beam path in an optical system, in particular in a system for distance measurement or for the detection of objects in a selectable Area around a moving vehicle comprises at least one light source, at least one detector element and at least one deflection element for deflecting the light beam, using a silicon micromirror as the deflecting element is provided.
Zur Abstandsmessung bzw. zur Detektion von Objekten in der Umgebung der Vorrichtung sendet die Lichtquelle in bekannter Weise einen Lichtstrahl aus. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Laserdiode oder eine Gasentladungslampe mit einem vorgeschalteten Polarisationsfilter sein. Die Verwendung monochromatischen oder polarisierten Lichts steigert die Zuverlässigkeit der Objekterkennung.For distance measurement or for detection The light source emits a light beam from objects in the vicinity of the device in a known manner. The light source can be, for example, a laser diode or a gas discharge lamp with an upstream polarization filter. The use of monochromatic or polarized light increases the reliability of object detection.
Der Lichtstrahl wird von in der Umgebung befindlichen Objekten reflektiert und anschließend von dem Detektorelement erfasst. Als Detektorelement kann beispielsweise ein so genannter CCD-Sensor verwendet werden. Im Strahlengang des Licht strahls angeordnet umfasst die Vorrichtung außerdem mindestens ein Umlenkelement zur Umlenkung des Lichtstrahls.The The light beam is reflected by objects in the area and subsequently detected by the detector element. For example, as a detector element a so-called CCD sensor can be used. In the beam path of the Arranged in a light beam, the device also comprises at least a deflecting element for deflecting the light beam.
Prinzipiell kann das Umlenkelement zu zwei verschiedenen Zwecken alternativ oder kumulativ eingesetzt werden.in principle the deflecting element can alternatively be used for two different purposes or used cumulatively.
Zum einen ist es möglich, mit dem Umlenkelement oder einer Anordnung mehrerer Umlenkelement den Lichtstrahl vor dem Aussenden so zu beeinflussen, dass ein möglichst großer Bereich der Umgebung beleuchtet wird.To the one is possible with the deflecting element or an arrangement of several deflecting elements to influence the light beam before sending it out in such a way that greater Area around it is illuminated.
Hierzu wird mittels eines oder mehrerer Umlenkelement mit dem Lichtstrahl die Umgebung ein- oder zweidimensional abgetastet oder der Lichtstrahl gestreut. Hierzu wird das Umlenkelement oder die Anordnung von Umlenkelementen an einer vor dem Austritt des Lichtstrahls aus der Vorrichtung liegenden Position im Strahlengang angeordnet. Das von einem im Ausleuchtungsbereich befindlichen Objekt reflektierte Licht wird von dem Detektorelement erfasst und anschließend in bekannter Weise, etwa nach dem Laufzeitverfahren, der Abstand des reflektierenden Objekts ermittelt und/oder die Existenz eines Objekts festgestellt.For this is by means of one or more deflecting element with the light beam the surroundings are scanned in one or two dimensions or the light beam is scattered. For this purpose, the deflection element or the arrangement of deflection elements on one located before the light beam emerges from the device Position arranged in the beam path. That of one in the lighting area reflected object is reflected by the detector element captured and then the distance in a known manner, for example using the runtime method of the reflecting object and / or the existence of a Object detected.
Zum anderen kann zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Messgenauigkeit der Vorrichtung das einfallende reflektierte Licht mittels eines Umlenkelements oder einer Anordnung von Umlenkelementen so gebündelt werden, dass es dem Detektorelement zugeführt wird. Hierzu wird das Umlenkelement oder die Anordnung von Umlenkelementen an einer vor dem Detektorelement liegenden Position im Strahlengang angeordnet. Das reflektierte Licht wird von dem Detektorelement erfasst und anschließend wie oben beschrieben weiterverarbeitet.To the others can improve sensitivity and measurement accuracy the device the incident reflected light by means of a Deflecting elements or an arrangement of deflecting elements are bundled in such a way that it is fed to the detector element. For this purpose, the deflection element or the arrangement of deflection elements on one in front of the detector element lying position in the beam path. That reflected Light is detected by the detector element and then how processed as described above.
Beide Möglichkeiten der Anordnung des oder der Umlenkelement sind auch kumulativ in einer Vorrichtung einsetzbar, so dass der Lichtstrahl vor dem Austreten aus der Vorrichtung durch ein erstes Umlenkelement oder eine erste Anordnung von Umlen kelementen gestreut wird oder einen wählbaren Bereich der Umgebung abtastet und das reflektierte Licht nach dem Wiedereintreten in die Vorrichtung durch ein zweites Umlenkelement oder eine zweite Anordnung von Umlenkelementen auf das Detektorelement geleitet wird.Both possibilities the arrangement of the or the deflecting element are also cumulative in a device can be used so that the light beam before exiting out of the device by a first deflecting element or a first Arrangement of deflection elements is scattered or a selectable area scans the surroundings and the reflected light after re-entering into the device by a second deflection element or a second arrangement is guided by deflection elements onto the detector element.
Die Ablenkung des Lichtstrahls erfolgt vorzugsweise anstelle einer mechanisch aufwendigen Polygonspiegel-Konstruktion mittels eines Silizium-Mikrospiegels (eines so genannten Torsionsaktors) oder einer Anordnung solcher Silizium-Mikrospiegel. Diese stellen in der Vorrichtung das Umlenkelement dar. Alternativ kann der Silizium-Mikrospiegel auf einem als ASIC oder Halbleiterelement ausgebildeten Umlenkelement angeordnet sein. Durch Ansteuerung des oder der Silizium-Mikrospiegel mittels elektro-statischer Anregung zur Aullenkung des Strahlenverlaufes kann auf einfache Art und Weise eine Regelstrecke realisiert werden, damit der vorgegebene Soll-Auslenkungsbereich kontrolliert und gesteuert werden kann. Hierzu wird der abgelenkte Strahl z. B. an mindestens zwei Referenzpunkten kontrolliert und je nach dem aktuellen Ergebnis stärker oder schwächer abgelenkt. Dabei wird mittels Anlegen einer vorgegebenen Ablenkspannung in einer Prüf- oder Initialisierungsphase ermittelt, bei welchem Wert der Ablenkspannung die den Soll-Auslenkungsbereich begrenzenden oder einen Referenz-Ablenkwinkel bildenden Referenzpunkte erreicht sind. Anschließend kann kontinuierlich mittels eines Spannungshubes zwischen den ermittelten Werten für die Ablenkspannung ein beliebiger Auslenkungsbereich oder Ablenkwinkel eingestellt werden.The The light beam is preferably deflected instead of mechanically elaborate polygon mirror construction using a silicon micromirror (a so-called torsion actuator) or an arrangement of such Silicon micro-mirrors. These provide the deflecting element in the device Alternatively, the silicon micromirror on an ASIC or semiconductor element formed deflection element. By controlling the silicon micromirror or mirrors by means of electrostatic Suggestion for directing the beam path can be done easily Way a controlled system can be realized so that the given Target deflection range can be controlled and controlled. For this purpose, the deflected beam z. B. checked at at least two reference points and distracted more or less depending on the current result. Here, by applying a predetermined deflection voltage in a test or initialization phase determines at what value the deflection voltage those that limit the target deflection range or a reference deflection angle forming reference points are reached. Subsequently, continuously using a Any voltage swing between the determined values for the deflection voltage Deflection range or deflection angle can be set.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bedingt durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung unter Verwendung eines Silizium-Mikrospiegels als Umlenkelement ein besonders kostengünstiges System zur Abstandsmessung oder zur Detektion von Gegenständen in einem wählbaren Bereich um ein bewegtes Kraftfahrzeug ermöglicht ist, da keine Präzisionsmechanik in Form von Lagern etc. er forderlich ist. Weiterhin weist die Vorrichtung eine höhere Verschleißfestigkeit auf, da die beweglichen Teile ein deutlich geringeres Eigengewicht gegenüber einem Polygonspiegelsystem aufweisen, wodurch der Einfluss der Trägheitskräfte auf ein vernachlässigbar kleines Maß schrumpft. Das System ist weniger störanfällig und weist eine höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer als herkömmliche Systeme auf, da es unempfindlicher gegenüber mechanischen Störgrößen ist. Die Vorrichtung ist einfach und mit geringem Energieaufwand regelbar und realisiert eine kontinuierliche Umlenkung des Lichtstrahls.The Advantages achieved with the invention are in particular that due to the simple structure of the device using a Silicon micromirror as a deflecting element is a particularly cost-effective one System for measuring distance or for detecting objects in a selectable Area around a moving motor vehicle is possible because there is no precision mechanics in the form of bearings etc. he is required. Furthermore, the device a higher one wear resistance because the moving parts have a significantly lower weight across from have a polygon mirror system, whereby the influence of the inertial forces a negligible small size shrinks. The system is less prone to failure and exhibits greater reliability and longer Lifespan than conventional Systems because it is less sensitive to mechanical disturbances. The device is simple and can be regulated with little energy expenditure and realizes a continuous deflection of the light beam.
Die Vorrichtung kann für alle Arten optischer Erkennungsgeräte, wie Scannerkassen, Warenwirtschaftssysteme, Akten- oder Bibliothekenverwaltungssysteme, Pre-Crash-Systeme oder elektronische Deichseln zur Verwendung an Kraftfahrzeugen usw. eingesetzt werden.The device can be used for all types of optical recognition devices, such as scanner cash registers, merchandise management systems, files or libraries tion systems, pre-crash systems or electronic drawbars for use on motor vehicles, etc. are used.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:embodiments the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. In this demonstrate:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other Corresponding parts have the same reference symbols in all figures Mistake.
In
Die
Ablenkvorrichtung
Die
einzelnen Silizium-Mikrospiegel
Alternativ
können
die Silizium-Mikrospiegel
Nach
dem Ablenken durch die Silizium-Mikrospiegel
Trifft
das von der Ablenkvorrichtung
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sendet die Lichtquelle
Die
beschriebene Ablenkvorrichtung
In
Das
von der Lichtquelle
Trifft
das von der Ablenkvorrichtung
Die
einzelnen Silizium-Mikrospiegel
Alternativ
oder zusätzlich
können
die Silizium-Mikrospiegel
Nach
dem Ablenken durch die Silizium-Mikrospiegel
Die
Ablenkvorrichtung
Die
beschriebene Ablenkvorrichtung
Die
Ablenkvorrichtung
- 11
- Ablenkvorrichtungdeflector
- 22
- Umlenkelementdeflecting
- 33
- Silizium-MikrospiegelSilicon micromirror
- 44
- Lichtquellelight source
- 66
- Steuerleitungencontrol lines
- 88th
- Detektorelementdetector element
- 1010
- DatenschnittstelleData Interface
- LL
- ausgesendetes Lichtsent out light
- LRLR
- reflektiertes Lichtreflected light
- OO
- Objektobject
- RP1, RP2RP1, RP2
- Referenzpunktereference points
- UU
- Ablenkspannungdeflection
- αα
- Referenz-AblenkwinkelReference deflection angle
Claims (11)
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Applications Claiming Priority (1)
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