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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserscanner nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin einen verbesserten Laserscanner bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch einen Laserscanner mit mehreren Lichtsendern und mehreren Lichtempfängern und einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Lichtlaufzeit von Lichtstrahlen vom Lichtsendern über ein Objekt zum Lichtempfängern, wobei eine Mehrzahl von Lichtsendern und eine Mehrzahl von Lichtempfängern jeweils kreisabschnittsförmig, bogenförmig oder entlang einer gekrümmten Linie in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig durch eine konvexe Frontscheibe an einer Außenseite des Gehäuses ausgesendet und empfangen werden, wobei sich die Abstände der ausgesendeten Lichtstrahlen der Lichtsender mit größer werdendem Abstand zum Laserscanner vergrößern und/oder die Abstände der empfangenen Lichtstrahlen der Lichtempfänger mit kleiner werdendem Abstand zum Laserscanner verkleinern, wobei die optischen Achsen der Lichtsender und Lichtempfänger beabstandet zueinander sind, wobei die Lichtsender ausgebildet sind jeweils eine Beleuchtungslinie zu erzeugen, wobei die Lichtempfänger ausgebildet sind jeweils einen linienförmigen Empfangsbereich zu bilden.
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Der erfindungsgemäße Laserscanner benötigt vorteilhaft keine mechanisch beweglichen Teile. Damit ist der Laserscanner robust gegenüber negativen mechanischen Umgebungseinflüssen und weist eine hohe Lebensdauer auf, aufgrund fehlendem mechanischem Verschleiß.
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Mit dem Laserscanner wird in einem Überwachungsbereich ein Schutzfeld gebildet und das Schutzfeld überwacht. Insbesondere kann mindestens ein Objekt im Schutzfeld detektiert werden. Hierzu wird die Lichtlaufzeit ausgewertet die das Licht vom aussenden des Lichtsenders über eine Reflexion an einem Objekt zurück zum Lichtempfänger benötigt.
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Zur Auswertung der Lichtlaufzeit sind verschiedene Auswerteverfahren möglich. Ein bekanntes Verfahren für die optische Abstandserfassung ist die Lichtlaufzeitmessung. Man unterscheidet die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang des zurückkehrenden Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. Die Lichtlaufzeit wird dann über die Lichtgeschwindigkeit in einen Abstand umgerechnet.
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Eine Herausforderung bei der Lichtlaufzeitmessung ist die robuste Erfassung auch geringer Nutzlichtpegel. Dazu werden beispielsweise Lawinenphotodioden eingesetzt (APD, Avalanche Photo Diode). Das einfallende Licht löst hier einen kontrollierten Lawinendurchbruch (Avalanche Effect) aus. Dadurch werden die durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger vervielfacht, und es entsteht ein Photostrom, der zu der Lichtempfangsintensität proportional, dabei aber wesentlich größer ist als bei einer einfachen PIN-Diode.
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Die Lichtempfänger und/oder die Steuer- und Auswertungseinheit sind bevorzugt dafür ausgebildet, jeweils nacheinander mit einem Lichtempfangselement ein Lichtsignal zu empfangen. Der Lichtempfänger wird also beispielsweise sequentiell betrieben, in Analogie zu einem bisherigen Laserscanner nach dem Stand der Technik. Vorzugsweise werden Lichtempfänger bzw. Lichtempfangselemente, die jeweils gerade nicht an der Reihe sind, nicht nur nicht ausgelesen, sondern inaktiv geschaltet, um beispielsweise Fremdlichteinflüsse zu reduzieren.
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Der Laserscanner weist mehrere Lichtsender zum Aussenden eines Lichtsignals in den Überwachungsbereich auf. Vorzugsweise wird das Lichtsignal moduliert, um eine Lichtlaufzeitmessung zu ermöglichen, insbesondere indem Lichtpulse erzeugt werden, die von einem jeweils angetasteten Objekt zumindest teilweise zurückgeworfen werden und dann als remittierte Lichtpulse zurückkehren.
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Gemäß der Erfindung erzeugt jeweils jeder der Lichtsender eine Lichtlinie in dem Überwachungsbereich. Dazu kann eine entsprechende Sendeoptik eingesetzt werden, beispielsweise mit einer Zylinderlinse, einer Anordnung von Mikrozylinderlinsen, einem diffraktiven optischen Element oder dergleichen.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen die Lichtempfänger ein Empfangsarray von Empfangselementen auf.
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Eine Beleuchtungslinie bzw. Lichtlinie eignet sich besonders im Zusammenspiel mit einer mindestens zeilenförmigen Anordnung der Lichtempfangselemente des Lichtempfängers in gleicher Richtung wie die Beleuchtungslinie.
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Die Lichtsender sind dafür ausgebildet, den von dem Lichtempfänger beobachteten Überwachungsbereich linienförmig auszuleuchten. Es handelt sich also um eine sehr schmale Flächenbeleuchtung, beziehungsweise bei einer Lichtlinie um eine Zeilenausleuchtung. Die Lichtsender sind beispielsweise dafür ausgebildet, nacheinander jeweils nur einen Teilbereich des Überwachungsbereichs auszuleuchten. Der Teilbereich entspricht bevorzugt gerade dem Erfassungsbereich bzw. einem Teilerfassungsbereich eines Lichtempfängers, aber es ist auch vorgesehen, dieses mehr oder weniger deutlich zu überstrahlen oder gezielt mehrere Lichtempfangselemente zu treffen. Es entstehen Zuordnungen von Lichtsender und Lichtempfängern bzw. Lichtempfangselemente, die sequentiell durchgeschaltet werden können.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist dafür ausgebildet, anhand eines Empfangssignals eine Lichtlaufzeit eines ausgesandten und wieder empfangenen Lichtsignals zu bestimmen. Vorzugsweise werden Lichtpulse erzeugt, damit wird ein pulsbasiertes oder direktes Lichtlaufzeitverfahren eingesetzt. Die Steuer- und Auswertungseinheit rechnet bei Bedarf die Lichtlaufzeit, die selbst schon ein Maß des Abstands in ungewohnten Einheiten ist, über die konstante Lichtgeschwindigkeit in einen beispielsweise metrischen Abstand um.
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Für die Lichtlaufzeitmessung weist die Steuer- und Auswertungseinheit vorzugsweise mindestens einen TDC (Time-to-Digital Converter) auf. Das ist ein bekanntes und relativ einfaches Bauteil, das mit hoher zeitlicher Auflösung Lichtlaufzeiten messen kann. TDCs können direkt monolithisch in einem Kristall des Lichtempfängers integriert werden. Ein TDC kann praktisch als Stoppuhr arbeiten, die zum Sendezeitpunkt eines Lichtpulses gestartet und zum Empfangszeitpunkt durch den empfangenen remittierten Lichtpuls gestoppt wird. Umgekehrt ist auch denkbar, dass der Empfang eines remittierten Lichtpulses die Zeitmessung startet, die dann zu einem festgelegten Zeitbezug wieder angehalten wird. Das hat in einigen Implementierungen Vorteile, und der konstante Zeitversatz zwischen Sendezeitpunkt und dem festgelegten Zeitbezug lässt sich anschließend rechnerisch kompensieren.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit weist bevorzugt eine Vielzahl von Lichtlaufzeitmesseinheiten auf, insbesondere TDCs. Diese Lichtlaufzeitmesseinheiten sind jeweils einem Lichtempfangselement zugeordnet, um eine über den Lichtempfänger ortsaufgelöste Abstandsmessung zu ermöglichen. Es können auch weniger Lichtlaufzeitmesseinheiten als Lichtempfangselemente sein, indem ein interessierender Bereich ausgewählt wird. Die Zuordnung der Lichtlaufzeitmesseinheiten kann fix oder variabel sein, letzteres insbesondere indem die Lichtlaufzeitmesseinheiten zeitversetzt mit unterschiedlichen Lichtempfängern verbunden werden. Umgekehrt ist auch möglich, mehrere Lichtlaufzeitmesseinheiten für dasselbe Lichtempfangselement einzusetzen.
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Eine Frontscheibe des Laserscanners ist dabei in dem Gehäuse angeordnet. Die Frontscheibe bildet dabei eine konvexe Oberfläche an der Außenseite des Gehäuses. Die gesendeten Lichtstrahlen werden dabei fächerförmig auseinanderlaufend ausgesendet. Die Frontscheibe ist beispielsweise in einem Winkel von 75° bis 105°, insbesondere in einem Winkel von 80° bis 100° und ganz insbesondere in einem Winkel von 90° zu einer Mittelachse oder optischen Achse der Lichtempfänger oder Lichtsender angeordnet. Dadurch wird ein Anteil an Licht der an der Frontscheibe reflektiert wird verringert.
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Gemäß der Erfindung werden die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig ausgesendet bzw. empfangen, wodurch ein Überwachungsbereich dahingehend einfach untersucht werden kann, ob Objekte in dem Überwachungsbereich vorhanden sind oder nicht und an welcher Stelle, d. h. in welcher Entfernung die Objekte vorhanden sind. Weiter können die Objekte vermessen werden, bzw. eine Umgebungskontur und deren Veränderung erfasst werden. Durch die fächerförmige Aussendung der Lichtstrahlen, bzw. das fächerförmige Empfangen wird der Überwachungsbereich innerhalb einer fächerförmigen Ebene überwacht. Die Sendeelemente bzw. Empfangselemente sind beispielsweise etwa im Umfang eines Zylinders radialsymmetrisch angeordnet. Der Laserscanner kann mit einer hohen Winkelgenauigkeit hergestellt werden, da die Sendeelemente und Empfangselemente fest fixiert sind und die Lichtstrahlen direkt, ohne bewegliche Teile in den Überwachungsbereich gelangen. Bei der Produktion des Laserscanners kann die Winkelgenauigkeit der Winkelrichtungen geprüft und eingestellt werden. Dadurch ist gewährleistet, dass jeder Laserscanner eine bestimmte geforderte mindeste Winkelgenauigkeit einhält.
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Der erfindungsgemäße Laserscanner ist daher einfach und preiswert aufgebaut. Da der Laserscanner ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt, weist dieser keinen mechanischen Verschleiß auf und besitzt eine lange Lebensdauer. Beispielsweise kann eine geforderte Einsatzdauer von beispielsweise ca. 20 Jahren mit dem erfindungsgemäßen Laserscanner erfüllt werden.
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Da der Laserscanner ohne bewegliche Teile auskommt, die beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen Beschleunigungen ausgesetzt sein können, ist der erfindungsgemäße Laserscanner unempfindlicher gegen Schwing- und Schockbelastungen und kann daher problemlos in mechanisch bewegten Objekten wie Fahrzeugen insbesondere Flurförderfahrzeugen eingesetzt werden. Dadurch, dass der Laserscanner ohne bewegliche Teile auskommt, kann der Laserscanner auch sehr kompakt ausgeführt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist jedem Lichtsender und/oder jedem Lichtempfänger jeweils ein Umlenkprisma zugeordnet, wobei die Lichtstrahlen aufgrund von Totalreflexion umgelenkt werden.
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Gemäß der Weiterbildung umfasst beispielsweise wenigstens eine Umlenkoptik ein Umlenkprisma mit einer Grenzfläche, deren Flächennormale einen Neigungswinkel zu der Hauptsensorrichtung aufweist, welcher die Hälfte des Ablenkwinkels beträgt.
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Ein solches Umlenkprisma kann im einfachsten Fall durch einen z. B. aus Kunststoff bestehenden Körper mit der Querschnittsfläche eines gleichschenkligen und rechtwinkligen Dreiecks realisiert sein, wobei die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Flächen die Ein- und Austrittsflächen bilden. Die dritte Fläche dient als reflektierende Grenzfläche, wobei einfallendes Licht, welches unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, total reflektiert wird. Ein Vorteil der Totalreflexion gegenüber einer Reflexion an einer Metallschicht besteht darin, dass im Idealfall keinerlei Energieverluste auftreten. Zudem sind zur Herstellung eines totalreflektierenden Umlenkprismas keine aufwändigen Beschichtungsprozesse erforderlich. Weiterhin ist die Strahlumlenkung aufgrund von Totalreflexion unter idealen Bedingungen vergleichsweise unempfindlich gegenüber geringfügigen Verkippungen des Prismas, wie sie beispielsweise infolge von Montagetoleranzen auftreten. D. h. eine Dejustierung des Prismas innerhalb des Sensorgehäuses wirkt sich im Allgemeinen nur in geringem Ausmaß auf die Wirkungsweise der optischen Strahlumlenkung aus. Das Umlenkprisma kann also gegenüber dem Sender oder dem Empfänger leicht verschoben, gedreht oder verkippt sein, ohne dass es zu einer wesentlichen Einschränkung der Umlenkfunktion kommt.
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Folglich sind an die Positionierung des Prismas keine hohen Anforderungen gestellt, wodurch die Herstellung des optoelektronischen Sensors besonders wirtschaftlich erfolgen kann. Ein weiterer Nutzen des Prismas besteht darin, dass ungewünschte Reflexionen an Tubus- oder Linsenwänden zumindest teilweise ausgekoppelt werden, da die Totalreflexion nur innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs auftritt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtdurchtrittsfläche eine auf den optischen Achsen des Senders und des Empfängers senkrecht stehende Fläche, so dass die Grenzfläche des Prismas einen Winkel mit der Lichtdurchtrittsfläche bildet, welcher die Hälfte des Ablenkwinkels beträgt.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Umlenkprisma mindestens eine integrierte Linse auf, wodurch ein einstückiger Prismenlinsenkörper gebildet ist.
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Damit ist wenigstens eine der Umlenkoptiken bzw. eines der Umlenkprismen ausschließlich durch ein Prisma gebildet. Mit anderen Worten sind bei diesem Umlenkprisma außer dem Prisma keine weiteren optischen Komponenten zur Strahlumlenkung vorhanden. Somit können die Herstellungskosten des Sensors besonders niedrig gehalten werden.
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Bei der integrierten Linse handelt es sich vorzugsweise um eine Sammellinse.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die integrierte Linse des Umlenkprismas eine Freiformlinse.
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Damit kann die Strahlführung individuell eingestellt werden. Die Freiformlinse weist dabei eine optisch wirksame Freiformfläche auf. Damit kann eine individuelle Strahlführung bzw. Bündelung realisiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind der Lichtsender, der Lichtempfänger und die jeweils zugehörigen Prismen in einer gemeinsamen Haltevorrichtung angeordnet, wobei die Haltevorrichtung für den Sendelichtpfad und für den Empfangslichtpfad jeweils optisch getrennte Tuben bildet, wobei mehrere Haltevorrichtungen kreisabschnittsförmig, bogenförmig oder entlang einer gekrümmten Linie in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
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Die Haltevorrichtung bildet eine mechanisch fixierte Anordnung von Lichtsender und Lichtempfänger. Dabei bildet die Haltevorrichtung jeweils Tuben für den Sendelichtpfad und den Empfangslichtpfad. Diese Pfade sind durch die Haltevorrichtung optisch getrennt, damit das ausgesendete Sendelicht nicht das empfangene Empfangslicht beeinflussen kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen Empfangsarray und Prisma des Lichtempfängers eine Sammellinse angeordnet. Dadurch kann das Licht nach dem Verlassen des Umlenkprisma auf das Empfangsarray fokussiert werden. Insbesondere falls unterschiedliche Empfängerarray konstruktiv zum Einsatz kommen kann bei identischem Prisma die Fokussierung unabhängig durch die Sammellinse eingestellt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Empfangselemente des Empfangsarrays jeweils Einzelphotonenlawinendioden sind.
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Eine noch größere Empfindlichkeit wird mit Lawinenphotodioden erreicht, die im sogenannten Geiger-Modus betrieben werden (SPAD, Single Photon Avalanche Diode) hier mit Einzelphotonenlawinendioden bezeichnet. Hierbei wird die Lawinenphotodiode oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, so dass bereits ein einziger, durch ein einzelnes Photon freigesetzter Ladungsträger eine nicht mehr kontrollierte Lawine auslösen kann, die dann aufgrund der hohen Feldstärke sämtliche verfügbaren Ladungsträger rekrutiert. Danach kommt die Lawine zum Erliegen (passive quenching) und steht für eine gewisse Totzeit nicht mehr zur Detektion zur Verfügung. Alternativ ist auch bekannt, die Lawine von außen zu erkennen und zu löschen (active quenching).
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Eine SPAD zählt somit wie ein Geigerzähler Einzelereignisse. SPADs sind nicht nur hochempfindlich, sondern auch vergleichsweise kostengünstig und effizient in Silizium-Halbleitern zu integrieren. Eine Besonderheit ist die Tatsache, dass auch ein minimales Störereignis, wie ein Fremdlichtphoton oder Dunkelrauschen, das gleiche maximale Empfangssignal erzeugt wie ein Nutzlichtsignal. Um diesen Auswirkungen zu begegnen, werden in der Praxis mehrere SPADs gemeinsam ausgewertet.
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Lichtempfänger und/oder Steuer- und Auswertungseinheit sind bevorzugt dafür ausgebildet, jeweils nacheinander mit einem Lichtempfangselement ein Lichtsignal zu empfangen. Der Lichtempfänger wird also sequentiell betrieben, in Analogie zu einem Laserscanner. Vorzugsweise werden Lichtempfangselemente, die jeweils gerade nicht an der Reihe sind, nicht nur nicht ausgelesen, sondern inaktiv geschaltet. Bei SPADs ist das dadurch möglich, dass die Biasspannung unter die Durchbruchspannung abgesenkt wird. Dadurch kommt es auch nicht zu Fremdlicht- oder Dunkelereignissen, aufgrund derer das Lichtempfangselement dann noch in Totzeit ist, wenn es dann aktiv geschaltet wird. Außerdem reduziert das die Leistungsaufnahme des Lichtempfängers.
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Umgekehrt ist es auch möglich, mehrere Lichtlaufzeitmesseinheiten für dasselbe Lichtempfangselement einzusetzen. Das ist gerade im Falle von SPADs sinnvoll, weil dann ein Lichtempfangselement vorzugsweise mehrere SPADs als Unterpixel aufweist. Diese SPADs können dann einzeln oder gruppenweise mehrere Lichtlaufzeiten je Lichtempfangselement liefern. Die Auswertung solcher als Unterpixel fungierender SPADs ist aber auch gemeinsam mit nur einer Lichtlaufzeitmesseinheit mittels einer Zusammenfassungslogik denkbar. Das ist beispielsweise eine ODER-Logik, eine Summation oder eine Koinzidenzlogik, die zum Ausfiltern von vereinzelten Störereignissen nur dann reagiert, wenn eine Mindestanzahl SPADs eine Lawine in einem sehr engen Zeitfenster auslöst.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, Lichtlaufzeiten mehrfach durch Messwiederholung und/oder getrennte Auswertung mehrerer Empfangssignale eines Lichtempfangselements zu messen. Jeder Abstandswert basiert dann auf einer Vielzahl von Einzelmessungen, was besonders im Falle hoher Reichweiten, starker Fremdlichtbelastung und allgemein schlechtem Signal-Rauschverhältnis zu besseren Messergebnissen führt. Messwiederholung bedeutet, dass ein weiterer Lichtpuls ausgesandt und wieder empfangen wird. Zusätzliche Lichtlaufzeitmessungen lassen sich nicht nur über die Zeit, sondern auch dadurch gewinnen, dass die einzelnen Lichtempfangselemente mehrere Unterpixel aufweisen, aus deren Empfangssignalen mehrere Lichtlaufzeiten bestimmt werden. Diese Mehrfachauswertung sollte nicht mit der jeweiligen Auswertung der Lichtempfangselemente verwechselt werden, die für eine Ortsauflösung über den Lichtempfänger zusätzlich erfolgt. Es geht hier darum, für denselben Ort mit Hilfe von Unterpixeln mehrere Messwerte für die Lichtlaufzeit zu gewinnen. Auch ganz allgemein erhöht sich die Messgenauigkeit durch Mehrfachmessung, aber bei SPADs ist das besonders vorteilhaft, weil Einzelmessungen auf ein Dunkel- oder Fremdlichtereignis zurückgehen können und damit nicht nur um eine gewisse Rauschtoleranz wie bei anderen Lichtempfangselementen abweichen, sondern gar nicht der gewünschten Lichtlaufzeit entsprechen.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Vielzahl von gemessenen Lichtlaufzeiten in einem Histogramm zu akkumulieren, in dessen Bins gezählt wird, wie oft eine Lichtlaufzeit in einem bestimmten Lichtlaufzeitbereich gemessen wurde. Das Histogramm unterteilt den interessierenden Lichtlaufzeitbereich von Null bis zur maximalen Reichweite oder einen Teilbereich davon in vorzugsweise gleichmäßige Bins und zählt, wie oft eine jeweils in das Bin fallende Lichtlaufzeit gemessen wurde. Die Breite der Bins wird unter anderem anhand der gewünschten zeitlichen Auflösung und des vorhandenen Speichers gewählt. Die Vielzahl von Lichtlaufzeiten entsteht in der Zeit durch Messwiederholung mit jeweils einem weiteren ausgesandten Lichtpuls und/oder durch die Mehrfachauswertung von Unterpixeln eines Lichtempfangselements. Mit einem Histogramm sind statistische Auswertungen der Mehrfachmessung zur Bestimmung einer genaueren Lichtlaufzeit einfach möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung sind eine Teilauswahl von Empfangselementen des Empfangsarrays zu zusammenhängenden Auswertegruppen zusammengefasst, wobei nur die Auswertgruppen zur Auswertung einer Lichtlaufzeit und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals herangezogen werden.
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Beispielsweise sind vier rechteckförmige Auswertegruppen gebildet die in einer Reihe angeordnet sind.
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In Weiterbildung der Erfindung sind jeweils ein Lichtsender und jeweils ein Lichtempfänger beabstandet zueinander angeordnet, so dass eine Triangulationsanordnung gebildet ist, wobei in einem Nahfeld nur ein Teil des reflektierten Lichts eines Objektes auf den Lichtempfänger und/oder auf die Auswertegruppen fällt.
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Normalerweise nimmt die Intensität quadratisch zu je kleiner der Abstand zwischen Objekt und Lichtempfänger ist. Um zu verhindern, dass der Lichtempfänger übersteuert ist, ist die Optik des Lichtempfängers so ausgelegt, dass die Reflektion der Beleuchtungslinie bei kleinen Objekt-Abständen nicht komplett auf dem Lichtempfänger bzw. das Empfangsarray und/oder auf die Auswertegruppen abgebildet wird. Das liegt daran, dass der Sendestrahl des Lichtsenders versetzt zum Empfangs-Strahl verläuft. Weiter ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Objekt bei kleinen Abständen auch etwas „unscharf“ abgebildet wird, wodurch die Intensität des empfangenen Lichts auf dem Lichtempfänger weiter reduziert wird.
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Dadurch, dass im Nahbereich nicht alles Licht auf die aktive Fläche vom Lichtempfänger trifft, also nicht auf alle Pixel vom Empfangsarray die tatsächlich ausgewertet werden, wird der Intensitätsbereich auf den Lichtempfänger reduziert.
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Die Messgenauigkeit wird dadurch erhöht, solange der Lichtempfänger bzw. die nachgelagerte Auswertung beispielsweise ein TDC, bzw. ein Zähler hinter den TDCs nicht übersteuert wird. Man verhindert also ein ‚clipping‘, also ein Abschneiden vom wirksamen Lichtkegel.
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Wenn das Objekt in der Nähe bzw. in einem Nahbereich vom Lichtempfänger ist, dann wäre die Signalintensität am Empfänger zu hoch und es würde zu ‚clipping‘ kommen, wodurch ein Messfehler in der Abstandsmessung verursacht wäre.
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Die Signal-Intensität bei kleinen Abständen zwischen TOF Transceiver und dem Messobjekt wird reduziert. Dadurch wird der Dynamikbereich reduziert, den der TOF-Sensor auslesen können muss. Wenn das ,clipping‘ reduziert wird, dann ist die Messgenauigkeit besser.
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Gerade bei Anwendungen in der Sicherheitstechnik ist eine hohe Messgenauigkeit im gesamten Schutzfeld wichtig, denn der Sicherheitsabstand muss um den maximal anzunehmende Messfehler erweitert werden um sicherzustellen, dass eine Maschine oder ein autonomes Fahrzeug rechtzeitig eine Sicherheitsmaßnahme einleitet, bevor eine Person verletzt wird. Das gleiche gilt für Kollisionen mit anderen Maschinen. Ein Maximum an Produktivität erreicht man in einer industriellen Anlage, wenn eine Maschine, ein autonomes Fahrzeug oder ein mobiler Roboter ein möglichst kleines Schutzfeld hat, denn je größer das Schutzfeld ist, desto früher muss z.B. das autonome Fahrzeug bremsen. Außerdem braucht das autonome Fahrzeug dann mehr Platz. Das wiederum limitiert die maximale Anzahl an autonomen Fahrzeugen die in einem bestimmten Bereich gleichzeitig arbeiten können, ohne sich gegenseitig ständig auszubremsen.
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Bei einer stationären Anlage verursacht ein größeres Schutzfeld auch einen größeren Bereich, denn die gefahrbringende Maschine in der Werkhalle belegt, die nicht anderweitig genutzt werden kann. Das erhöht die Kosten, denn es reduziert die maximale Anzahl an Maschinen, die in der Werkhalle aufgestellt werden können.
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Eine Erhöhung der Messgenauigkeit bei einer Sicherheits-Anwendung ermöglicht somit ein kleineres Schutzfeld und das wiederum ermöglicht eine höhere Produktivität der Maschine und/oder Anlage.
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Der optische ,Schwerpunkt‘ von Sende- und Empfangsstrahl sind beispielsweise nicht konzentrisch. Stattdessen ist der Abstand der beiden Achsen zueinander und/oder der Winkel zueinander und die Fokuslänge der optischen Linsen beispielsweise so gewählt, dass Objekte, die sich im Nahbereich vom Sensor befinden nur teilweise auf den Teil der aktiven Fläche vom SPAD Array abgebildet werden, die aktiv ausgelesen werden. Die Einstellung der Fokuslänge kann über den Einsatz der Umlenkprismen bzw. den Umlenkprismen im Strahlengang besonders einfach bzw. genau eingestellt werden. In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Prismen beispielsweise justierbar.
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Beispielsweise wird nur ein Teil, insbesondere ein kleiner Teil von der aktiven Fläche vom TOF-Chip bzw. Empfangsarray während der Abstands-Messung ausgelesen. D.h. ein Objekt im Nahbereich wird nicht zwingend außerhalb der optisch aktiven Fläche vom SPAD Chip abgebildet. Es reicht, wenn ein Teil der Photonen auf die SPASs trifft, die in diesem Moment nicht ausgelesen werden. Somit hat auch die Größe der optisch beleuchteten Fläche vom Lichtsender und von den aktiven Pixeln auf dem SPAD Empfangsarray einen Einfluss auf diesen Effekt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist eine Messung des Umgebungslichts vorgesehen.
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Der Lichtempfänger oder Teilbereiche des SPAD-Empfangsarrays beginnen schon früher zu messen als das Licht braucht, um anzukommen. D.h. die SPASs, bzw. Einzelphotonenlawinendioden werden aktiv geschaltet kurz bevor das 1te Photon vom Sende-Puls beim Empfänger angekommen ist. In dieser Zeit kann also nur Umgebungslicht und/oder Licht von Lichtsendern gleicher Bauart auf dem oder den ausgewählten Teilbereichen ankommen. Die Lichtintensität wird ausgewertet. Ist sie zu hoch geht der Sensor in einen Fehlerzustand, denn zu viel Umgebungslicht führt zur Blendung des Sensors, so dass keine SPASs bzw. Einzelphotonenlawinendioden mehr übrig bleiben, um die Photonen zu detektieren, die vom zu messenden Objekt reflektiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird ein sogenannter Pile-Up Effekt ausgewertet.
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Dadurch wird eine Messgenauigkeit erhöht, da damit den Fehler reduziert wird, den das Fremdlicht verursacht.
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Eine Einzelphotonenlawinendiode bzw. ein SPAD kann pro Messzyklus nur einmal aktiviert werden. Wenn zeitlich homogen verteiltes Umgebungslicht auf den Lichtempfänger trifft, dann aktiviert es langsam alle SPADs. Dieser Fehler ähnelt einer abklingenden e-Funktion und wird aus einem gebildeten Histogramm herausgerechnet, bevor ein Filter von der Steuer- und Auswerteeinheit angewendet wird, mit dem die Daten so aufbereitet werden, dass mit einer Maximum-Suche den Abstand zum ersten Objekt im Schutzfeld herausgesucht werden kann.
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Die Korrektur erfolgt dadurch, dass die Werte im Histogramm abhängig von ihrer zeitlichen Rangfolge mit einer inversen e-Funktion multipliziert werden deren Parameter beispielsweise experimentell festgelegt wurden.
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Weil die Funktion eine inverse e-Funktion ist, ist ihr Effekt im vorderen Bereich des Histogramms überproportional stark. Also genau dort, wo der Effekt durch die versehentlich aktivierten SPASs am größten ist. Weiter hinten, also zeitlich später nach Beginn einer Einzelmessung ist der Effekt so wie die Korrektur durch die e-Funktion geringer.
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In Weiterbildung der Erfindung werden Empfangselemente ausgewertet, auf die kein Sendelicht fällt.
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Damit wird sichergestellt, dass eine Adressierung der Pixel ordnungsgemäß funktioniert.
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Es werden die SPADs, Einzelphotonenlawinendioden bzw. Pixel des Empfangsarrays ausgelesen, die während dem normalen Empfangs-Betrieb nicht ausgelesen werden, also beispielsweise Pixel, die um den aktiven Empfangsbereich herum angeordnet sind. Diese Pixel werden ausgewertet und zwar in einem Zeitraum, in dem der Lichtsender, insbesondere ein Laser gerade nicht aktiviert ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit hat die Erwartungshaltung, dass die SPADs in diesem Bereich nicht aktiviert werden, da sie ja eigentlich nicht beleuchtet werden. Wenn hier doch ein Signal ankommt, dann weis die Steuer- und Auswerteeinheit, dass etwas mit der Adressierung der Pixel nicht stimmt, sprich dass die Steuer- und Auswerteeinheit falsche Pixel ausliest. Ist dies der Fall geht die Steuer- und Auswerteeinheit in einen Fehlerzustand. Der Lichtsender ist in der Zeit ausgeschaltet.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
- 1 einen Laserscanner mit einem gebildeten Schutzfeld;
- 2 jeweils Lichtsender und Lichtempfänger eines Laserscanners;
- 3 einen Lichtsender und eine gebildete Beleuchtungslinie;
- 4 einen Lichtempfänger mit einem linienförmigen Empfangsbereich;
- 5 einen Laserscanner mit einem gebildeten Schutzfeld;
- 6 ein Schutzfeld;
- 7 ein Umlenkprisma, eine Sammellinse und ein Empfangsarray;
- 8 ein Umlenkprisma und ein Lichtsender;
- 9 eine Haltevorrichtung;
- 10 eine Haltevorrichtung mit Umlenkprismen;
- 11 ein Lichtsender, ein Lichtempfänger und ein Objekt;
- 12 ein Empfangsarray;
- 13 und 14 jeweils ein autonomes Fahrzeug;
- 15 ein Histogramm.
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In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Laserscanner 1 mit mehreren Lichtsendern 2 und mehreren Lichtempfängern 3 und einer Steuer- und Auswerteeinheit 4 zur Auswertung der Lichtlaufzeit von Lichtstrahlen vom Lichtsendern 2 über ein Objekt 5 zu Lichtempfängern 3, wobei eine Mehrzahl von Lichtsendern 2 und eine Mehrzahl von Lichtempfängern 3 jeweils kreisabschnittsförmig, bogenförmig oder entlang einer gekrümmten Linie in einem gemeinsamen Gehäuse 6 angeordnet sind, wobei die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig durch eine konvexe Frontscheibe 7 an einer Außenseite des Gehäuses 6 ausgesendet und empfangen werden, wobei sich die Abstände der ausgesendeten Lichtstrahlen der Lichtsender 2 mit größer werdendem Abstand zum Laserscanner 1 vergrößern und/oder die Abstände der empfangenen Lichtstrahlen der Lichtempfänger 3 mit kleiner werdendem Abstand zum Laserscanner 1 verkleinern, wobei die optischen Achsen der Lichtsender 2 und Lichtempfänger 3 beabstandet zueinander sind, wobei die Lichtsender 2 ausgebildet sind jeweils eine Beleuchtungslinie zu erzeugen, wobei die Lichtempfänger ausgebildet sind jeweils einen linienförmigen Empfangsbereich zu bilden.
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Mit dem Laserscanner 1 wird in einem Überwachungsbereich ein Schutzfeld 12 gebildet und das Schutzfeld 12 überwacht. Insbesondere kann mindestens ein Objekt 5 im Schutzfeld 12 detektiert werden. Hierzu wird die Lichtlaufzeit ausgewertet die das Licht vom aussenden des Lichtsenders 2 über eine Reflexion an einem Objekt 5 zurück zum Lichtempfänger 3 benötigt.
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Der Laserscanner 1 weist mehrere Lichtsender 2 zum Aussenden eines Lichtsignals in den Überwachungsbereich auf. Vorzugsweise wird das Lichtsignal moduliert, um eine Lichtlaufzeitmessung zu ermöglichen, insbesondere indem Lichtpulse erzeugt werden, die von einem jeweils angetasteten Objekt 5 zumindest teilweise zurückgeworfen werden und dann als remittierte Lichtpulse zurückkehren.
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Gemäß 1 erzeugt jeweils jeder der Lichtsender 2 eine Lichtlinie in dem Überwachungsbereich. Dazu kann eine entsprechende Sendeoptik eingesetzt werden, beispielsweise mit einer Zylinderlinse, einer Anordnung von Mikrozylinderlinsen, einem diffraktiven optischen Element oder dergleichen.
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3 zeigt die Beleuchtungslinie 9 mit einer Winkelbreite von 20 Grad. 4 zeigt einen linienförmigen Empfangsbereich mit einer Winkelbreite von 20 Grad.
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5 zeigt den Laserscanner 1 mit dem Schutzfeld 12.
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6 zeigt ein Schutzfeld welches durch eine Vielzahl von winkelsegmentförmigen Teilschutzfeldern gebildet wird.
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Beispielsweise weisen gemäß 12 die Lichtempfänger 3 ein Empfangsarray 18 von Empfangselementen auf.
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Eine Beleuchtungslinie 9 bzw. Lichtlinie eignet sich besonders im Zusammenspiel mit einer mindestens zeilenförmigen Anordnung der Lichtempfangselemente des Lichtempfängers in gleicher Richtung wie die Beleuchtungslinie 9.
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Die Lichtsender 2 sind dafür ausgebildet, den von dem Lichtempfänger 3 beobachteten Überwachungsbereich linienförmig auszuleuchten. Es handelt sich also um eine sehr schmale Flächenbeleuchtung, beziehungsweise bei einer Lichtlinie um eine Zeilenausleuchtung. Die Lichtsender 2 sind beispielsweise dafür ausgebildet, nacheinander jeweils nur einen Teilbereich des Überwachungsbereichs auszuleuchten. Der Teilbereich entspricht bevorzugt gerade dem Erfassungsbereich bzw. einem Teilerfassungsbereich eines Lichtempfängers 3, aber es ist auch vorgesehen, dieses mehr oder weniger deutlich zu überstrahlen oder gezielt mehrere Lichtempfangselemente zu treffen. Es entstehen Zuordnungen von Lichtsender 2 und Lichtempfängern 3 bzw. Lichtempfangselemente, die sequentiell durchgeschaltet werden können.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 4 ist dafür ausgebildet, anhand eines Empfangssignals eine Lichtlaufzeit eines ausgesandten und wieder empfangenen Lichtsignals zu bestimmen. Vorzugsweise werden Lichtpulse erzeugt, damit wird ein pulsbasiertes oder direktes Lichtlaufzeitverfahren eingesetzt. Die Steuer- und Auswertungseinheit 4 rechnet bei Bedarf die Lichtlaufzeit, die selbst schon ein Maß des Abstands in ungewohnten Einheiten ist, über die konstante Lichtgeschwindigkeit in einen beispielsweise metrischen Abstand um.
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Für die Lichtlaufzeitmessung weist die Steuer- und Auswertungseinheit 4 vorzugsweise mindestens einen TDC (Time-to-Digital Converter) 23 auf. Das ist ein bekanntes und relativ einfaches Bauteil, das mit hoher zeitlicher Auflösung Lichtlaufzeiten messen kann. TDCs 23 können direkt monolithisch in einem Kristall des Lichtempfängers integriert werden. Ein TDC 23 kann praktisch als Stoppuhr arbeiten, die zum Sendezeitpunkt eines Lichtpulses gestartet und zum Empfangszeitpunkt durch den empfangenen remittierten Lichtpuls gestoppt wird.
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Eine Frontscheibe 7 des Laserscanners 1 gemäß 1 ist dabei in dem Gehäuse 6 angeordnet. Die Frontscheibe 7 bildet dabei eine konvexe Oberfläche an der Außenseite des Gehäuses 6. Die gesendeten Lichtstrahlen werden dabei fächerförmig auseinanderlaufend ausgesendet.
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Gemäß 1 werden die Lichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen fächerförmig ausgesendet bzw. empfangen, wodurch ein Überwachungsbereich dahingehend einfach untersucht werden kann, ob Objekte 5 in dem Überwachungsbereich vorhanden sind oder nicht und an welcher Stelle, d. h. in welcher Entfernung die Objekte 5 vorhanden sind. Weiter können die Objekte 5 vermessen werden, bzw. eine Umgebungskontur und deren Veränderung erfasst werden. Durch die fächerförmige Aussendung der Lichtstrahlen, bzw. das fächerförmige Empfangen wird der Überwachungsbereich innerhalb einer fächerförmigen Ebene überwacht. Die Sendeelemente bzw. Empfangselemente sind beispielsweise etwa im Umfang eines Zylinders radialsymmetrisch angeordnet.
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Gemäß 8 ist vor jedem Sendeelement 22 des Lichtsenders 2 ein Umlenkprisma 14 und/oder gemäß 7 vor jedem Empfangsarray 18 ein Umlenkprisma 13 angeordnet, wobei die Lichtstrahlen aufgrund von Totalreflexion umgelenkt werden.
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Gemäß 7 und 8 umfasst beispielsweise wenigstens eine Umlenkoptik ein Umlenkprisma 13, 14 mit einer Grenzfläche, deren Flächennormale einen Neigungswinkel zu der Hauptsensorrichtung aufweist, welcher die Hälfte des Ablenkwinkels beträgt.
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Ein solches Umlenkprisma 13, 14 kann im einfachsten Fall durch einen z. B. aus Kunststoff bestehenden Körper mit der Querschnittsfläche eines gleichschenkligen und rechtwinkligen Dreiecks realisiert sein, wobei die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Flächen die Ein- und Austrittsflächen bilden. Die dritte Fläche dient als reflektierende Grenzfläche, wobei einfallendes Licht, welches unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, totalreflektiert wird.
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Gemäß 7 und 8 ist die Lichtdurchtrittsfläche eine auf den optischen Achsen des Senders und des Empfängers senkrecht stehende Fläche, so dass die Grenzfläche des Umlenkprismas 13, 14 einen Winkel mit der Lichtdurchtrittsfläche bildet, welcher die Hälfte des Ablenkwinkels beträgt.
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Gemäß 8 weist das Umlenkprisma 14 mindestens eine integrierte Linse auf, wodurch ein einstückiger Prismenlinsenkörper gebildet ist.
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Damit ist wenigstens eine der Umlenkoptiken bzw. eines der Umlenkprismen 14 ausschließlich durch ein Prisma gebildet. Mit anderen Worten sind bei diesem Umlenkprisma 14 außer dem Prisma keine weiteren optischen Komponenten zur Strahlumlenkung vorhanden.
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Bei der integrierten Linse handelt es sich vorzugsweise um eine Sammellinse.
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Beispielsweise ist die integrierte Linse des Umlenkprismas eine Freiformlinse.
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Damit kann die Strahlführung individuell eingestellt werden. Die Freiformlinse weist dabei eine optisch wirksame Freiformfläche auf. Damit kann eine individuelle Strahlführung bzw. Bündelung realisiert werden.
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Gemäß 9 sind der Lichtsender 2, der Lichtempfänger 3 und die jeweils zugehörigen Umlenkprismen 14, 13 in einer gemeinsamen Haltevorrichtung 17 angeordnet, wobei die Haltevorrichtung 17 für den Sendelichtpfad und für den Empfangslichtpfad jeweils optisch getrennte Tuben bildet.
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10 zeigt die Lichtstrahlen vom Sendeelement 22 des Lichtsenders 2 über das Umlenkprisma 14 und die empfangenen Lichtstrahlen über das Umlenkprisma 13 auf die Sammellinse 19 und das Empfangsarray 18.
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Gemäß 1 und 2 sind mehrere Haltevorrichtungen 17 kreisabschnittsförmig, bogenförmig oder entlang einer gekrümmten Linie in einem gemeinsamen Gehäuse 6 angeordnet sind.
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Die Haltevorrichtung 17 bildet eine mechanisch fixierte Anordnung von Lichtsender 2 und Lichtempfänger 3. Dabei bildet die Haltevorrichtung 17 jeweils Tuben für den Sendelichtpfad und den Empfangslichtpfad. Diese Pfade sind durch die Haltevorrichtung 17 optisch getrennt, damit das ausgesendete Sendelicht nicht das empfangene Empfangslicht beeinflussen kann.
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Gemäß 7 ist zwischen Empfangsarray 18 und Umlenkprisma 13 des Lichtempfängers 3 eine Sammellinse 19 angeordnet. Dadurch kann das Licht nach dem Verlassen des Umlenkprismas 13 auf das Empfangsarray 18 fokussiert werden. Insbesondere falls unterschiedliche Empfängerarray konstruktiv zum Einsatz kommen kann bei identischem Umlenkprisma 14 die Fokussierung unabhängig durch die Sammellinse 19 eingestellt werden.
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Vorzugsweise sind die Empfangselemente des Empfangsarray 18 jeweils Einzelphotonenlawinendioden.
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Lichtempfänger 3 und/oder die Steuer- und Auswertungseinheit 4 sind bevorzugt dafür ausgebildet, jeweils nacheinander mit einem Lichtempfangselement ein Lichtsignal zu empfangen. Der Lichtempfänger 3 wird also sequentiell betrieben. Vorzugsweise werden Lichtempfangselemente, die jeweils gerade nicht an der Reihe sind, nicht nur nicht ausgelesen, sondern inaktiv geschaltet. Dadurch kommt es auch nicht zu Fremdlicht- oder Dunkelereignissen, aufgrund derer das Lichtempfangselement dann noch in Totzeit ist, wenn es dann aktiv geschaltet wird. Außerdem reduziert das die Leistungsaufnahme des Lichtempfängers 3.
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Umgekehrt ist es auch möglich, mehrere Lichtlaufzeitmesseinheiten für dasselbe Lichtempfangselement einzusetzen. Das ist gerade im Falle von SPADs sinnvoll, weil dann ein Lichtempfangselement vorzugsweise mehrere SPADs als Unterpixel aufweist. Diese SPADs können dann einzeln oder gruppenweise mehrere Lichtlaufzeiten je Lichtempfangselement liefern. Die Auswertung solcher als Unterpixel fungierender SPADs ist aber auch gemeinsam mit nur einer Lichtlaufzeitmesseinheit mittels einer Zusammenfassungslogik denkbar.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 4 ist bevorzugt dafür ausgebildet, Lichtlaufzeiten mehrfach durch Messwiederholung und/oder getrennte Auswertung mehrerer Empfangssignale eines Lichtempfangselements zu messen. Jeder Abstandswert basiert dann auf einer Vielzahl von Einzelmessungen, was besonders im Falle hoher Reichweiten, starker Fremdlichtbelastung und allgemein schlechtem Signal-Rauschverhältnis zu besseren Messergebnissen führt. Messwiederholung bedeutet, dass ein weiterer Lichtpuls ausgesandt und wieder empfangen wird. Zusätzliche Lichtlaufzeitmessungen lassen sich nicht nur über die Zeit, sondern auch dadurch gewinnen, dass die einzelnen Lichtempfangselemente mehrere Unterpixel aufweisen, aus deren Empfangssignalen mehrere Lichtlaufzeiten bestimmt werden. Diese Mehrfachauswertung sollte nicht mit der jeweiligen Auswertung der Lichtempfangselemente verwechselt werden, die für eine Ortsauflösung über den Lichtempfänger zusätzlich erfolgt. Es geht hier darum, für denselben Ort mit Hilfe von Unterpixeln mehrere Messwerte für die Lichtlaufzeit zu gewinnen. Auch ganz allgemein erhöht sich die Messgenauigkeit durch Mehrfachmessung, aber bei SPADs ist das besonders vorteilhaft, weil Einzelmessungen auf ein Dunkel- oder Fremdlichtereignis zurückgehen können und damit nicht nur um eine gewisse Rauschtoleranz wie bei anderen Lichtempfangselementen abweichen, sondern gar nicht der gewünschten Lichtlaufzeit entsprechen.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 4 ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Vielzahl von gemessenen Lichtlaufzeiten in einem Histogramm gemäß 15 zu akkumulieren, in dessen Bins gezählt wird, wie oft eine Lichtlaufzeit in einem bestimmten Lichtlaufzeitbereich gemessen wurde. Das Histogramm unterteilt den interessierenden Lichtlaufzeitbereich von Null bis zur maximalen Reichweite oder einen Teilbereich davon in vorzugsweise gleichmäßige Bins und zählt, wie oft eine jeweils in das Bin fallende Lichtlaufzeit gemessen wurde. Die Breite der Bins wird unter anderem anhand der gewünschten zeitlichen Auflösung und des vorhandenen Speichers gewählt. Die Vielzahl von Lichtlaufzeiten entsteht in der Zeit durch Messwiederholung mit jeweils einem weiteren ausgesandten Lichtpuls und/oder durch die Mehrfachauswertung von Unterpixeln eines Lichtempfangselements. Mit einem Histogramm sind statistische Auswertungen der Mehrfachmessung zur Bestimmung einer genaueren Lichtlaufzeit einfach möglich.
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Vorzugsweise sind gemäß 12 eine Teilauswahl von Empfangselementen des Empfangsarray 18 zu zusammenhängenden Auswertegruppen 21 zusammengefasst, wobei nur die Auswertgruppen 21 zur Auswertung einer Lichtlaufzeit und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals herangezogen werden.
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Beispielsweise sind vier rechteckförmige Auswertegruppen 21 gebildet die in einer Reihe angeordnet sind.
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13 und 14 zeigen je ein autonomes Fahrzeug 23 mit einem Laserscanner 1.
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Gemäß 11 sind jeweils ein Lichtsender 2 und jeweils ein Lichtempfänger 3 beabstandet zueinander angeordnet, so dass eine Triangulationsanordnung gebildet ist, wobei in einem Nahfeld nur ein Teil des reflektierten Lichts eines Objektes 5 auf den Lichtempfänger 3 fällt.
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Normalerweise nimmt die Intensität quadratisch zu je kleiner der Abstand zwischen Objekt 5 und Lichtempfänger 3 ist. Um zu verhindern, dass der Lichtempfänger 3 übersteuert ist, ist die Optik des Lichtempfängers 3 so ausgelegt, dass die Reflektion der Beleuchtungslinie bei kleinen Objekt-Abständen nicht komplett auf dem Lichtempfänger 3 bzw. das Empfangsarray 18 abgebildet wird. Das liegt daran, dass der Sendestrahl des Lichtsenders 2 versetzt zum Empfangsstrahl verläuft. Weiter ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Objekt 5 bei kleinen Abständen auch etwas „unscharf“ abgebildet wird, wodurch die Intensität des empfangenen Lichts auf dem Lichtempfänger 3 weiter reduziert wird.
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Dadurch, dass im Nahbereich nicht alles Licht auf die aktive Fläche vom Lichtempfänger 3 trifft, also nicht auf alle Pixel vom Empfangsarray 18 die tatsächlich ausgewertet werden, wird der Intensitätsbereich auf den Lichtempfänger 3 reduziert.
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Die Messgenauigkeit wird dadurch erhöht, solange der Lichtempfänger 3 nicht übersteuert wird.
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Die Signal-Intensität bei kleinen Abständen zwischen TOF Transceiver und dem Messobjekt 5 wird reduziert. Dadurch wird der Dynamikbereich reduziert, den der TOF-Sensor auslesen können muss.
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Der optische ,Schwerpunkt‘ von Sende- und Empfangsstrahl sind beispielsweise nicht konzentrisch. Stattdessen ist der Abstand der beiden Achsen zueinander und/oder der Winkel zueinander und die Fokuslänge der optischen Linsen beispielsweise so gewählt, dass Objekte, die sich im Nahbereich vom Sensor befinden nur teilweise auf den Teil der aktiven Fläche vom SPAD Empfangsarray 18 abgebildet werden, die aktiv ausgelesen werden.
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Beispielsweise wird nur ein Teil, insbesondere ein kleiner Teil von der aktiven Fläche vom TOF-Chip bzw. Empfangsarray 18 während der Abstandsmessung ausgelesen. D.h. ein Objekt im Nahbereich wird nicht zwingend außerhalb der optisch aktiven Fläche vom SPAD Chip abgebildet. Es reicht, wenn ein Teil der Photonen auf die SPASs trifft, die in diesem Moment nicht ausgelesen werden. Somit hat auch die Größe der optisch beleuchteten Fläche vom Lichtsender 2 und von den aktiven Pixeln auf dem SPAD Empfangsarray 18 einen Einfluss auf diesen Effekt.
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Beispielsweise ist eine Messung des Umgebungslichts vorgesehen.
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Der Lichtempfänger oder Teilbereiche des SPAD-Empfangsarrays beginnen schon früher zu messen als das Licht braucht, um anzukommen. D.h. die SPASs, bzw. Einzelphotonenlawinendioden werden aktiv geschaltet kurz bevor das 1te Photon vom Sende-Puls beim Empfänger angekommen ist. In dieser Zeit kann also nur Umgebungslicht und/oder Licht von Lichtsendern gleicher Bauart auf dem oder den ausgewählten Teilbereichen ankommen. Die Lichtintensität wird ausgewertet. Ist sie zu hoch geht der Sensor in einen Fehlerzustand, denn zu viel Umgebungslicht führt zur Blendung des Sensors, so dass keine SPASs bzw. Einzelphotonenlawinendioden mehr übrig bleiben, um die Photonen zu detektieren, die vom zu messenden Objekt reflektiert werden.
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Beispielsweise wird ein sogenannter Pile-Up Effekt ausgewertet. Dadurch wird eine Messgenauigkeit erhöht, da damit den Fehler reduziert wird, den das Fremdlicht verursacht.
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Eine Einzelphotonenlawinendiode bzw. ein SPAD kann pro Messzyklus nur einmal aktiviert werden. Wenn zeitlich homogen verteiltes Umgebungslicht auf den Lichtempfänger 3 trifft, dann aktiviert es langsam alle SPADs. Dieser Fehler ähnelt einer abklingenden e-Funktion und wird aus einem gebildeten Histogramm herausgerechnet, bevor ein Filter von der Steuer- und Auswerteeinheit 4 angewendet wird, mit dem die Daten so aufbereitet werden, dass mit einer Maximum-Suche den Abstand zum ersten Objekt 5 im Schutzfeld 12 herausgesucht werden kann.
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Die Korrektur erfolgt dadurch, dass die Werte im Histogramm gemäß 15 abhängig von ihrer zeitlichen Rangfolge mit einer inversen e-Funktion multipliziert werden deren Parameter beispielsweise experimentell festgelegt wurden.
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Weil die Funktion eine inverse e-Funktion ist, ist ihr Effekt im vorderen Bereich des Histogramms überproportional stark. Also genau dort, wo der Effekt durch die versehentlich aktivierten SPASs am größten ist. Weiter hinten, also zeitlich später nach Beginn einer Einzelmessung ist der Effekt so wie die Korrektur durch die e-Funktion geringer.
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Beispielsweise werden Empfangselemente ausgewertet, auf die kein Sendelicht fällt.
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Damit wird sichergestellt, dass eine Adressierung der Pixel ordnungsgemäß funktioniert.
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Es werden die SPADs, Einzelphotonenlawinendioden bzw. Pixel des Empfangsarrays 18 ausgelesen, die während dem normalen Empfangs-Betrieb nicht ausgelesen werden, also beispielsweise Pixel, die um den aktiven Empfangsbereich herum angeordnet sind. Diese Pixel werden ausgewertet und zwar in einem Zeitraum, in dem der Lichtsender 2, insbesondere ein Laser gerade nicht aktiviert ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 4 hat die Erwartungshaltung, dass die SPADs in diesem Bereich nicht aktiviert werden, da sie ja eigentlich nicht beleuchtet werden. Wenn hier doch ein Signal ankommt, dann weis die Steuer- und Auswerteeinheit 4, dass etwas mit der Adressierung der Pixel nicht stimmt, sprich dass die Steuer- und Auswerteeinheit 4 falsche Pixel ausliest. Ist dies der Fall geht die Steuer- und Auswerteeinheit 4 in einen Fehlerzustand. Der Lichtsender 2 ist in der Zeit ausgeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserscanner
- 2
- Lichtsender
- 3
- Lichtempfänger
- 4
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 5
- Objekt
- 6
- Gehäuse
- 7
- Frontscheibe
- 9
- Beleuchtungslinie
- 10
- verbundene Beleuchtungslinie
- 11
- linienförmiger Empfangsbereich
- 12
- Schutzfeld
- 13
- Umlenkprisma des Lichtempfängers
- 14
- Umlenkprisma des Lichtsenders
- 17
- Haltevorrichtung
- 18
- Empfangsarray
- 19
- Sammellinse
- 21
- Auswertegruppe
- 22
- Sendeelement
- 23
- autonomes Fahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2910970 B1 [0002]
- DE 102018129972 A1 [0003]
