DE10341429A1

DE10341429A1 - IR-Sichtsystem und Verfahren zum Betreiben eines IR-Sichtsystems

Info

Publication number: DE10341429A1
Application number: DE10341429A
Authority: DE
Inventors: Björn Abel
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

Bekannte IR-Sichtsysteme weisen zur Erzeugung eines Bildes von einer Fläche mit Hilfe von IR-Strahlen sowohl eine zweidimensionale Anordnung von IR-Sendeelementen zur Bestrahlung der Fläche als auch eine zweidimensionale Anordnung von Empfangselementen zum Empfangen der reflektierten IR-Strahlen auf. Es soll ein IR-Sichtsystem und ein entsprechendes Verfahren entwickelt werden, bei dem die Erzeugung eines Bildes mit wenigen Bauteilen ermöglicht werden soll. DOLLAR A Bei einem erfindungsgemäßen IR-Sichtsystem sind alle IR-Sendeelemente in einer Reihe angeordnet, wobei jedes IR-Sendeelement durch ein Optikelement einen senkrecht zu der Reihe der IR-Sendeelemente verlaufenden Streifen bestrahlt. Auch alle Empfangselemente sind in einer Reihe angeordnet, die senkrecht zur Reihe der IR-Sendeelemente verläuft. Die Empfangselemente empfangen mit Hilfe von Optikelementen IR-Strahlen eines parallel zur Reihe der IR-Sendeelemente verlaufenden Streifens. Die streifenweise Ausrichtung der IR-Sendeelemente und der Empfangselemente ermöglicht bei einer pulsweisen Ansteuerung der IR-Sendeelemente die Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes. DOLLAR A Nicht-Sichtsystem z. B. für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft ein IR-Sichtsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines IR-Sichtsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Ein gattungsgemäßes IR-Sichtsystem und ein gattungsgemäßes Verfahren, ein IR-Sichtsystem zu betreiben, ist aus der DE 101 29 743 A1 bekannt. In dieser Schrift ist ein Fahrzeugscheinwerfer mit einem zweidimensionalen Array aus einer Vielzahl von elektronischen Leuchtelementen und einer Ansteuerelektronik für die Leuchtelemente beschrieben. Die Leuchtelemente können als IR-Sendeelemente, z.B. als Laserdioden ausgebildet sein. Laserdioden können gepulst betrieben werden. Zum Empfangen von emittierten und reflektierten IR-Strahlen kann eine CCD-Kamera eingesetzt werden. Eine CCD-Kamera weist eine zweidimensionale Anordnung von Empfangselementen, Pixel genannt, auf.

Zur Erzeugung eines Bildes einer Fläche mit Hilfe von IR-Strahlen wird bei dem in der DE 101 29 743 A1 beschriebenen Sichtsystem eine zweidimensionale Anordnung von IR-Sendeelementen zur Bestrahlung der Fläche als auch eine zweidimensionale Anordnung von Empfangselementen zum Empfangen der reflektierten IR-Strahlen eingesetzt. Sowohl der Sender als auch der Empfänger besteht aus vielen Bauteilen und ist aufwändig herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein IR-Sichtsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines IR-Sichtsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 zu entwickeln, wobei die Erzeugung eines Bildes von einer bestrahlten Fläche mit wenigen Bauteilen ermöglicht werden soll.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß sind alle IR-Sendeelemente des IR-Sichtsystems in einer Reihe angeordnet. Sie sind jeweils mit einem Optikelement versehen, durch das die IR-Strahlen derart geformt werden, dass sie auf einen Streifen der Fläche auftreffen. Diese Streifen verlaufen senkrecht zu der Reihe der IR-Sendeelemente. Sie liegen nebeneinander und erstrecken sich über die gesamte Fläche.

Auch alle Empfangselemente sind in einer Reihe angeordnet, wobei diese Reihe senkrecht zur Reihe der IR-Sendeelemente verläuft. Die Empfangselemente sind jeweils mit einem Optikelement versehen. Durch das Optikelement werden die von einem parallel zur Reihe der IR-Sendeelemente verlaufenden Streifen der Fläche reflektierten IR-Strahlen geformt, so dass sie auf das Empfangselement treffen. Diese Streifen liegen ebenfalls nebeneinander und erstrecken sich über die gesamte Fläche.

Als Fläche ist der durch das IR-Sichtsystem zu erkennende Bildausschnitt bezeichnet.

Die Fläche ist in einer Richtung in die Streifen der IR-Sendeelemente und in eine dazu senkrechten Richtung in die Streifen der Empfangselemente unterteilt. Bei einer pulsweisen Ansteuerung der IR-Sendeelemente empfangen die Empfangselemente IR-Strahlen von Teilfächen, die sich aus den Schnittflächen der Streifen der IR-Sendeelemente und der Streifen der Empfangselemente ergeben. Diese streifenweise Ausrichtung der IR-Sendeelemente und der Empfangselemente ermöglicht bei einer pulsweisen Ansteuerung der IR-Sendeelemente die Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes. Es werden nur Bauteile für eine eindimensionale Anordnung der IR-Sendeelemente und der Empfangselemente benötigt.

Die Optikelemente sind gemäß Anspruch 2 als Zylinderlinsen ausgebildet. Bevorzugt weisen die IR-Sendeelemente gemäß Anspruch 3 IR-Laserdioden auf. Mit Hilfe einer zusätzlichen Einheit zur Ermittlung der Laufzeit der IR-Strahlen gemäß Anspruch 4 kann von der Fläche ein dreidimensionales Bild aufgenommen werden.

Ein IR-Sichtsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4 kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 5 betrieben werden. Dabei werden die IR-Sendeelemente gemäß Anspruch 6 mit einer Impulsfrequenz von 10 bis 100 kHz, bevorzugt von 15 bis 40 kHz, betrieben. Die Impulsfrequenz ist umso größer je größer die Anzahl der vorgesehenen IR-Sendeelemente ist, wobei der Aufbau eines gesamten Bildes z.B. mit einer Frequenz von 25 bis 50 Hz erfolgen sollte. Die Empfangselemente werden gemäß Anspruch innerhalb einer Zeit von 0 bis 50 μs (0 bis 50 × 10^–6 s), bevorzugt von 5 bis 10 μs, nach jedem Impuls geöffnet. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 ist besonders zum Betreiben eines IR-Sichtsystems nach Anspruch 4 geeignet.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Beispiels weiter erläutert. 1 zeigt eine Funktionsweise, 2 eine Anordnung und 3 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen IR-Sichtsystems.

Ein erfindungsgemäßes IR-Sichtsystem weist eine Steuereinrichtung 1, n IR-Sendeelemente 2 und m Empfangselemente 3, die an die Steuereinrichtung 1 angeschlossen sind; und eine ebenfalls an die Steuereinrichtung 1 angeschlossene Anzeigeeinheit 4 auf. Von den n IR-Sendeelementen 2 und den m Empfangselementen 3 sind in den 1 und 2 nur 5 dargestelit.

Die n IR-Sendeelemente 2 sind in einer horizontalen Reihe nebeneinander angeordnet. Jedes IR-Sendeelement 2 ist mit einem Optikelement, und zwar einer Zylinderlinse 5, versehen. Die m Empfangselemente 3 sind in einer vertikalen Reihe, d.h. in einer zu der Reihe der IR-Sendeelemente 2 senkrechten Reihe angeordnet. Jedes Empfangselement 3 ist mit einem Optikelement und zwar einer Zylinderlinse 6 versehen. Die Achsen der Zylinderlinsen 5, 6 verlaufen parallel zu den Richtungen der Reihen der IR-Sende- und der Empfangselemente 2, 3; d.h. die Achsen der Zylinderlinsen 5 der IR-Sendeelemente 2 horizontal und die der Zylinderlinsen 6 der Empfangselemente 3 vertikal. Die Steuereinrichtung 1 weist eine Steuereinheit 7 mit einem Mikroprozessor, eine Speichereinheit 8 und eine Ausleseeinheit für die Speichereinheit 8 mit einer Adressierung 9 und einem Multiplexer 10 auf.

Die IR-Sendeelemente 2 sind als Halbleiterlaser, und zwar als oberflächenemittierende Laserdioden, VCSEL-S genannt, ausgebildet. Die IR-Sendeelemente 2 emittieren Licht im nahen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 800 bis 1200 nm. Die Empfangselemente 3 sind als Halbleiter-Empfangselemente ausgebildet, und zwar als Fotodioden. Sie weisen in der Zeichnung nicht dargestellte Analog/Digitalwandler auf. Sie sind mit der Steuereinheit 7 und mit der Speichereinheit 8 verbunden. Die IR-Sendeelemente 2 sind ebenfalls mit der Speichereinheit 8 verbunden. Die Speichereinheit weist n × m Speicherplätze x₁, y₁ bis x_n, y_m auf. Die Anzahl der n IR-Sendeelemente 2 und m Empfangselemente ist 20 bis 500.

Alternativ können die IR-Sendeelemente 2 als IR-Dioden und die Empfangselemente 3 als Fototransistoren ausgebildet sein.

Im Betrieb werden die IR-Sendeelemente 2 durch Impulse der Steuereinheit 8 der Steuereinrichtung 1 nacheinander angesteuert. Dabei emittieren sie IR-Strahlen 11, die durch die Zylinderlinsen 5 zu vertikalen Streifen gebündelt werden und nacheinander in nebeneinanderliegenden Streifen auf eine Fläche 12 treffen. Die durch die Zylinderlinsen 6 jeweils auf einen horizontalen Streifen der Fläche 12 ausgerichteten Empfangselemente 3 empfangen die von den nacheinander bestrahlten vertikalen Streifen reflektierten IR-Strahlen 13.

Die IR-Sendeelemente 2 werden mit einer Frequenz der Impulse von 20 kHz angesteuert. Mit einer Verzögerung von 10 μs werden die Empfangselemente 3 durch die Steuereinheit 1 angesteuert. Die in den Empfangselementen 3 erzeugten Ströme werden in den Analog/Digitalwandlern in digitale Werte umgewandelt und in der Speichereinheit 8 gespeichert, mit Hilfe der Ausleseeinheit aus der Speichereinheit 8 ausgelesen und in der Anzeigeeinheit 4 in ein Bild der Fläche 12 umgewandelt und angezeigt.

Zur Erzeugung eines Bildes der Fläche erhält zunächst das erste IR-Sendeelement 2 einen Impuls und bestrahlt den ersten vertikalen Streifen der Fläche 12. In 1 ist dies der äußere linke, vertikale Streifen. Kurze Zeit, d.h. 10 μs nach diesem Impuls werden die Empfangselemente 3 gleichzeitig angesteuert. Das erste Empfangselement 3 ist auf den ersten, horizontalen Streifen ausgerichtet. In 1 ist dies der obere, horizontale Streifen. Das erste Empfangselement 3 empfängt die IR-Strahlen 13 von einer Teilfäche x₁, y₁ der Fläche 12, die die Schnittfläche des ersten, in 1 linken, vertikalen Streifens und des ersten, in 1 oberen, horizontalen Streifens ist. Der in dem ersten Empfangselement 3 erzeugte Strom wird in einen digitalen Wert umgewandelt und im Speicherplatz x₁, y₁ der Speichereinheit 8 gespeichert. Das zweite Empfangselement 3 empfängt die IR-Strahlen 13 von einer Teilfäche x₁, y₂ und der aus seinem Strom gewonnene digitale Wert wird im Speicherplatz x₁, y₂ gespeichert. Entsprechendes gilt für das dritte bis m-te Empfangselement 3 und die Speicherplätze x₁, y₃ bis x₁, y_m. Der nächste Impuls der Steuereinheit 8 aktiviert das zweite IR-Sendeelement 2. Die Empfangselemente 3 empfangen die IR-Strahlen 13 von den Teilfächen x₂, y₁ bis x₂, y_m. Die entsprechenden digitalen Werte werden in den Speicherplätzen x₂, y₁ bis x₂, y_m gespeichert. Der Vorgang wird für das dritte bis n-te IR-Sendeelement 2 wiederholt. Nach dem Auslesen der Werte des ersten Bildes aus der Speichereinheit 8 wird das nächste Bild in gleicher Weise aufgebaut. Dieses IR-Sichtsystem ermöglicht eine zweidimensionale Darstellung der bestrahlten Fläche 12.

Bei einem alternativen IR-Sichtsystem ist die Speichereinrichtung mit einer Einheit zum Ermitteln der Laufzeiten der IR-Strahlen 11, 13 versehen. Diese Einheit weist eine zweite Steuereinheit und eine zweite Speichereinheit mit ebenfalls n × m Speicherplätzen auf. Die zweite Steuereinheit ist mit der Steuereinheit 8 und den Empfangselementen 3 verbunden. Die Anzeigeneinheit ist erweitert.

Die Einheit der Steuereinrichtung ermittelt die Laufzeiten der IR-Strahlen 11, 13, in dem in ihrer zweiten Steuereinheit die Zeit zwischen den Impulsen an die IR-Sendeelemente 2 und dem Stromanstieg in den Empfangselementen 3 ermittelt und entsprechende digitale Werte für jede Teilfläche x_i, y_j in den Speicherplätzen x_i, x_j abgelegt werden. Diese Werte werden gleichzeitig mit den Helligkeitswerten ausgelesen und mit diesen in der erweiterten Anzeigeeinheit zu einem dreidimensionalen Bild bearbeitet und angezeigt.

1: Steuereinrichtung
2: IR-Sendeelement
3: Empfangselement
4: Anzeigeeinheit
5: Zylinderlinse
6: Zylinderlinse
7: Steuereinheit
8: Speichereinheit
9: Adressierung
10: Multiplexer
11: emittierte IR-Strahlen
12: Fläche
13: reflektierte IR-Strahlen

Claims

IR-Sichtsystem mit einer Steuereinrichtung, mehreren IR-Sendeelementen zur Bestrahlung einer Fläche mit IR-Strahlen und mehreren Empfangselemente zum Empfangen von der Fläche reflektierten IR-Strahlen, dadurch gekennzeichnet, dass alle IR-Sendeelemente (2) in einer Reihe angeordnet sind, wobei jedes IR-Sendeelement (2) ein Optikelement aufweist, das zur Formung der IR-Strahlen (11) zu einem senkrecht zur Reihe der IR-Sendeelemente (2) verlaufenden Streifen ausgebildet ist, wobei sich die nebeneinanderliegenden Streifen über die gesamte Fläche (12) erstrecken, und alle Empfangselemente (3) in einer senkrecht zur Reihe der IR-Sendeelemente (2) verlaufenden Reihe angeordnet sind, wobei jedes Empfangselement (3) ein Optikelement aufweist, das zur Formung der reflektierten IR-Strahlen (13) eines parallel zur Reihe der IR-Sendeelemente (2) verlaufenden Streifens ausgebildet ist, wobei sich die Streifen über die gesamte Fläche (12) erstrecken.
IR-Sichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikelemente Zylinderlinsen (5, 6) aufweisen.
IR-Sichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Sendeelemente IR-Laserdioden aufweisen.
IR-Sichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) eine Einheit zur Ermittlung der Laufzeiten der IR-Strahlen (11, 13) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines IR-Sichtsystems, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem durch eine Steuereinrichtung mehrere IR-Sendeelemente gepulst angesteuert werden, durch die IR-Sendeelemente eine Fläche bestrahlt wird, und die von der Fläche reflektierten IR-Strahlen durch mehrere Empfangselemente empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch aufeinanderfolgende Impulse der Steuereinrichtung (1) die in einer Reihe angeordneten IR-Sendeelememnte (2) nacheinander angesteuert werden, wobei die IR-Sendeelemente (2) senkrecht zur Reihe der IR-Sendeelemente (2) verlaufende, nebeneinanderliegende Streifen der Fläche (12) nacheinander bestrahlen, und die reflektierten IR-Strahlen (13) von den in einer Reihe senkrecht zur Reihe der IR-Sendeelemente (2) angeordneten Empfangselementen (3) empfangen werden, wobei die Empfangselemente (3) die von der Fläche (12) reflektierten IR-Strahlen (13) in parallel zur Reihe der IR-Sendeelemente (2) verlaufenden, nebeneinanderliegenden Streifen empfangen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Impulse der Steuereinrichtung (1) zur Ansteuerung der IR-Sendeelemente 10 bis 100 kHz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung (1) die Empfangselemente (3) innerhalb einer Zeit von 0 bis 50 μs nach jedem Impuls angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Einheit der Steuereinrichtung (1) die Laufzeiten der IR-Strahlen (11, 13) ermittelt werden.