DE3229343A1

DE3229343A1 - Sensor fuer relativbewegungen

Info

Publication number: DE3229343A1
Application number: DE19823229343
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Hankel; Sieghart Ing.(grad.) 1000 Berlin Peuser; Minh-Chanh Dipl.-Ing. Pham
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Corrsys Datron Sensorsysteme GmbH
Priority date: 1981-12-15
Filing date: 1982-08-06
Publication date: 1983-07-21
Also published as: DE3229343C2

Description

Sensor für Relativbewegungen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Sensor für Relativbewegungen zu einer Bezugsfläche, insbesondere für Fahrzeuges nach der Gattung des Hauptanspruchs. Solche Sensoren beruhen auf dem sogenannten korrelationsoptischen Verfahren, das beispielsweise in ATZ 77 (1975) 7/8* Seiten 213 bis 218, in "Feinwerktechnik und Meßtechnik, 83 (1975) 6, Seiten 289 bis 294, in "Journal of the Optical Society of America", Vol. 53, No. 12, Dec. 1963, Seiten 1416 bis 1422 sowie in "Applied Optics", Vol. 5, No. 8, Aug. 1966, Seiten 1325 bis 1331 beschrieben ist. Weiterhin sind solche Sensoren unter den Bezeichnungen Correvit-L und Correvit-Q (Firma Leitz) zur Messung der Geschwindigkeit und des Weges von Fahrzeugen im Handel erhältlich und in "Feinwerktechnik und Meßtechnik", 86 (1978) 2, Seiten 69 bis 71 näher beschrieben. Bei diesen bekannten Sensoren wird das bewegte Objekt über ein optisches System auf ein Gitter abgebildet. Der durch das Gitter durchgelassene Lichtstrom wird mit einer Feldlinse auf einem oder zwei fotoelektrischen Empfängern gesammelt. Im zeitlichen Verlauf des resultierenden elektrischen Signals tritt zu niederfrequenten Änderungen eine Modulation auf, deren Frequenz f einen eindeutigen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit v des bewegten Objektes hat. Die bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß ihr Aubau sehr auf wendig und teuer ist, indem zwei optische Systeme erforderlich sind, von denen eines vor und das andere nach dem Gitter in der Bildebene angeordnet ist. Dadurch ergeben sich nicht nur bei der Herstellung, sondern auch bei der Justierung Probleme, die den Aufbau aufwendig und teuer machen.
Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch Verlagerung der Foto empfänger in die Gitter-bzw. Bildebene nur ein optisches System erforderlich ist.
1.an. Es entsteht dadurch ein einfacherer und billigerer Aufbau, dessen Justierprobleme wesentlich vereinfacht sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Fotoempfänger als streifen- oder matrixförmige Diffusionszonen in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat auszubilden. Dadurch sind das Gitter und die Fotoempfänger ein einziges monolithisch integriertes Bauteil. Dies führt zu einer großen Gestaltungsfreiheit bei hoher Genauigkeit des Gitters durch Anwendung bekannter Verfahren und Einrichtungen, wie z.B. der SiPlanartechnik. Es können komplizierte, ineinander verschachtelte Sitter realisiert werden. Die Fertigung wird sehr einfach und billig.
Durch die Möglichkeiten der Planartechnik können Gitterstrukturen oder Gitteranordnungen auf einfache Weise realisiert werden, die die Erfassung des Bewegungsvektors ermöglichen.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung des Sensors, Figur 2 eine Fotoempfängerstruktur zweier kammförmig ineinander verschachtelter Gitter, Figur 3 eine Fotoempfängerstruktur von vier kammförmig ineinander verschachtelten Gittern, Figur 4 eine Fotoempfänger-Anordnung dreier Gitter zur Erfassung des Bewegungsvektors, Figur 5 eine Anordnung zweier Gitter zur Erfassung des Bewegungsvektors, Figur 6 eine Fotoempfängerstruktur mit matrixförmig angeordneten Dioden und Figur 7 eine matrixförmige Gitter struktur mit Lichtübertragung über Lichtleitfasern.
3eschreibung der Ausführungsbeispiele 3i der in Figur 1 gezeigten prinzipiellen Darstellung des Sensors wird eine Bezugsfläche 10 über ein optisches System 11, daß als optische Linse dargestellt ist, auf ein Gitter 12 abgebildet. Die Bezugsfläche muß eine statistische Struktur aufweisen, wie dies beispielsweise bei einem Straßenbelag für ein erdgebundenes Fahrzeug oder bei der Erdoberfläche für ein Flugzeug der Fall ist.
In der Gitter- bzw. Bildebene, ist die Gitterstruktur 13 durch Fotoempfänger realisiert. Das durch diese gitterartig angeordneten Fotoempfänger erzeugte elektrische Signal weist neben niederfrequenten Änderungen eine Modulation auf, deren Frequenz f einen eindeutigen Zusammenhang f = M viG mit der Geschwindigkeit v der Bezugsfläche 10 relativ zum Sensor hat. Dabei ist M der Abbildungsmaßstab, mit dem die Bezugsfläche 10 auf das Gitter 12 abgebildet wird, und G ist die Gitterkonstante des Gitters 12. Will man anstelle der Geschwindigkeit v den zurückgelegten Weg bestimmen, so müssen die Signale der Periode T=1/f aufsummiert werden. Das Meßprinzip selbst und die Auswertung ist im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben.
Bei dem in Figur 2 dargestellten monolithisch integrierten Gitter 12 ist auf einem Si-Substrat 14 vom ersten Leitungstyp (z. B. n-leitend) eine Gitterstruktur 13 aufgebracht, die aus streifenförmigen Diffus ionen vom zweiten Leitungstyp (z. B. p-leitend) besteht. Somit bilden sich als Fotodioden geeignete p-n-Übergänge aus. Anstelle von Fotodioden können natürlich auch grundsätzlich Fototransistoren oder andere fotoelektrische Wandler eingesetzt werden Über zwei streifenförmige Metallisierungen 15, 16 werden die streifenförmigen Diffusionen der Gitterstruktur 13 so miteinander verbunden, daß zwei ineinander verschachtelte, kammformige Diodenstrukturen entstehen, die eine Gitterkonstante G aufweisen, die gleich dem doppelten Abstand benachbarter Diffusionen ist. Die elektrische Verbindung der Metallisierungen 15, 16 mit der Gitterstruktur 13 ist durch Rechtecke 17 (entsprechend den Kontaktfenstern im Oxid beim Silizium-Planarprozeß) dargestellt. Da die Fotodioden in dieser Anordnung eine gemeinsame Elektrode -hier das Substrat 7 als Kathode - aufweisen, ist eine Subtraktion der Foto ströme zur Unterdrückung des Gleichlichtanteils durch Antiparallelschaltung nicht möglich. Der Strom der über die Metallisierung 15 verbundenen Dioden wird daher aem invertierenden Eingang eines Verstärkers 18 zugeführt, er über einen Widerstand 19 gegengekoppelt ist. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 18 liegt an Masse.
Der Ausgang des Verstärkers 18 ist sowohl mit einer ersten Ausgangsklemme 20, wie auch über einen Widerstand 21 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Verstärkers 22 verbunden, dem der Strom der über die Metallisierung 16 verbundenen Dioden zugeführt ist. Dieser zweite Verstärker 22 ist über einen Widerstand 23 gegengekoppelt. Der nicht invertierende Eingang liegt an Masse. Der Ausgang ist mit einer zweiten Ausgangsklemme 24 verbunden.
Die beschriebene Anordnung ermöglicht bei gleichzeitigem Kurzschlußbetrieb der Dioden der Gitterstruktur 13 die Subtraktion der Fotoströme. Durch diese Subtraktion wird der Anteil des Gleichlichtes unterdrückt und nur die aus dem Ortsspektrum gefilterte Komponente verstärkt. Der Betrag der Spannung am Ausgang des Verstärkers 18 ist -in Abhängigkeit des Widerstands 19 - direkt proportional zum Strom der mit der Metallisierung 15 verbundenen Dioden.
Die mit der Metallisierung 16 verbundenen Dioden speisen den Strom in den invertierenden Eingang des Verstärkers 22 ein. Die Gegenkopplung der Verstärker 18, 22 bewirkt, daß die invertierenden Eingänge virtuell auf dem Potential ull gehalten werden. Die Verbindung des Ausgangs des Verstärkers 18 mit dem Eingang des Verstärkers 22 über den Widerstand 21 prägt daher dem Eingang des Verstärkers 22 einen Strom ein, der genau dem negativen Wert des Stroms der mit der Metallisierung 15 verbundenen Dioden entspricht, sofern die Widerstände 19, 21 gleich groß sind. Die Ausgangsspannung an der Klemme 24 ist somit - in Abhängigkeit des Widerstands 23 - proportional zur Differenz der Ströme aus den beiden Sle-tallisierungen 15, 16. An der Ausgangsklemme 20 liegt das verstärkte Signal aus den mit der Metallisierung 15 verbundenen Dioden.
Dieses Signal enthält natürlich noch den Gleichlichtanteil und kann beispielsweise zu Meßzwecken verwendet werden.
In Figur 3 ist ein Gitter 30 dargestellt, dessen Gitterstruktur 13 wiederum aus streifenförmigen Diffusionen besteht. Diese Diffusionen sind über vier Metallisierungen 31 bis 34 in der Weise miteinander verbunden, daß vier kammförmig ineinander verschachtelte Gitter entstehen.
Dies geschieht dadurch, daß versetzt jeder vierte Diffusionsstreifen der Gitterstruktur 13 mit einer Metallisierung verbunden ist. Die Verbindungspunkte sind wiederum durch Rechtecke 17 dargestellt. Die Metallisierungen 31 und 33 sind mit einer ersten Subtrahierstufe 35 und die Metallisierungen 32 und 34 mit einer zweiten Subtrahierstufe 36 verbunden, wo gemäß Figur 2 die entsprechenden Diodenströme subtrahiert werden. Dabei können die Subtrahierstufen 35, 36 entsprechend der Schaltung gemäß Figur 2 aufgebaut sein. Die beiden Ausgangsfrequenzen f und f' sind zueinander phasenversetzt und einer Phasendifferenzbildungsstufe 37 zugeführt. Durch Differenzbildung kann dabei das Vorzeichen bzw. die Richtung der durch die Frequenz f bzw. f' gekennzeichnenden eindimensionalen Bewegung erfaßt werden.
Sollen zweidimensionale Bewegungen erfaßt werden, so werden gemäß Figur 4 zwei Gitter 12 zu beiden Seiten eines Gitters 30 so angeordnet, daß sich ihre Symmetrieachsen unter dem Winkel « schneiden. Bewegt sich die abgebildete Bezugsfläche dem Vektor V entsprechend über diese Anordnung, so werden folgende Signale gemäß den Figuren 2 und 3 gewonnen: Aus dem Gitter 30: f = V cos I; und sign (V cos G aus den Gittern 12 durch Subtraktion: f = 2 G V sin C sinß und sign (V r;inl;,) Durch Auflösen der Gleichungen läßt sich der Betrag des Vektors V, der Bewegungswinkel # sowie das Vorzeichen der Bewegung errechnen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung des Bewegungsvektors V zeigt Figur 5. Dazu werden zwei um einen Winkel « (hieroC = 90 Grad) zueinander versetzte Gitter 30 nebeneinander angeordnet. Der Bewegungswinkel A ist dabei der Winkel zwischen der Symmetrieachse durch beide Gitter und dem Bewegungsvektor V, der durch das Zentrum des unteren der beiden dargestellten Gitter 30 führt. Die erhaltenen Ausgangssignale für α = 90 Grad sind: vom oberen Gitter 30: M f G cosÄ und sign (v cosA ) vom unteren Gitter 30 M f = G V sinA und sígn (V- sink ) Durch Auflösen der Gleichungen lassen sich wiederum die erforderlichen Größen zur eindeutigen Festlegung der zweidimensionalen Bewegung errechnen.
Die Anordnungen der Figuren 4 und 5 können aus Elementen gemäß den Figuren 2 und 3 zusammengesetzt oder gemeinsam monolithisch auf einem Chip integriert sein.
In Figur 6 ist ein Gitter 40 dargestellt, auf dessen Substrat 14 matrixförmig angeordnete Diffusionen 41 aufgebracht sind. Es entsteht somit eine matrixförmige Diodenanordnung. Zur Kennzeichnung sind die Zeilen Y = 1, 2, 3...
(4M) und die Spalten X = 1, , 3 ... (4 M; numeriert. Es werden nun die mit einem Kreuz gekennzeichneten Dioden (2n + 1 2m + 1), die mit einem Punkt gekennzeichneten Dioden (2n + 2, 2m + 1), die mit einem Kreis gekennzeichneten Dioden (2n + 1, 2m 2m + 2) sowie die schraffiert gekennzeichneten Dioden (2n + 2, 2m + 2) jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei die Werte m = 0, 1, 2 (2 M-t) und n = 0, 1, 2 ... (2 N-1) durchlaufen werden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur einige dieser Dioden 31 dargestellt, wobei auf die detaillierte Darstellung der Verbindungen (Metallisierungen) verzichtet wurde. Es entsteht eine Diodenmatrix mit vier Ausgängen und einer gemeinsamen Elektrode 14. Durch Differenzbildung und Verstärkung der Diodenströme i, z. B. gemaß folgender Gleichungen: 11 = i (2n + 1; 2m + i) + i (2n + 1;;2m + 2) i (2n + 2; 2m + 1) + i (2n+2; 2m+2) und 12 = i (2n + 1; 2m + 1) + i (2n + 2; 2m + 1) - i (2n + 1; 2m + 2) + i (2n+2i2m+2) stehen wiederum zwei Ausgangssignale zur Verfügung zur Erfassung der Bewegung in einer Ebene. Die Auswertung dieser Ausgangssignale erfolgt sinngemäß der aus in Figur 5 dargestellten Anordnung erhaltenen Signale.
Außer durch monolithische Integration kann eine Matrixan- -ordnung z.B. gemäß Figur 6 auch durch die in Figur 7 dargestellte Anordnung realisiert werden. Die Wirkung des Gitters 40 wird dabei durch die Enden eines Bündels von Lichtleitfasern 50 erreicht, wobei diese Enden matrixförmig auf einer Platte 51 angeordnet sind. Die Verbindungen der Gitterpunkte gemäß Figur 6 oder einer sonstigen Gitteranordnung erfolgt durch Zusammenführen der entsprechenden Lichtleitfasern 50 in Fotodioden 52 bis 57, die auf einer zweiten Platte 58 angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls beliebige ineinander verschachtelte Gitterstrukturen erzeugen. Für eine Anordnung gemäß Figur 6 würden beispielsweise nur vier Dioden benötigt.
Es sei noch erwähnt, daß es beim Messen von Bewegungen erforderlich sein kann, daß bestimmte Kennungen, z. B.
Startinformationen zur Initialisierung des Auswertesysteins, übermittelt werden sollen. Werden diese Kennungen als kontrastreiche Muster (z. B. helle Streifen auf dunklem Grund), die die Information in geeigneter Kodierung enthalten, auf die Bezugsfläche 10 aufgebracht, ist es beispielsweise mit der Anordnung gemäß Figur 2 möglich, über das an der Ausgangsklemme 20 des Verstärkers 18 vorliegende Signal, diese Kennungen zu erfassen und nach entsprechender Signalformung und Dekodierung in das Auswertesystem einzulesen.

Claims

Ansprüche 1. Sensor für Relativbewegungen zu einer Bezugsfläche, insbesondere für Fahrzeuge, wobei der jeweils erfaßte Teil der Bezugsfläche (10) auf eine Gitterebene (12 bzw. 30 bzw. 40) abgebildet und über Fotoempfänger (13 bzw. 41) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur der Gitterebene als Fotoempfänger (13 bzw. 41) ausgebildet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (14) eine streifen- oder matrixförmige Anordnung von Fotoempfängern (13 bzw. 41) vorgesehen ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Fotodioden ausgebildeten Fotoempfänger (13 bzw.

41) als streifen- oder matrixförmige Diffusionen vom ersten Leitungstyp auf ein Si-Substrat (14) vom zweiten Leitungstyp durch monolithische Integration eingebracht sind.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionen über Metallisierungen (15, 16, 31 bis 34) zu gitterförmigen Strukturen verbunden werden.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur durch die matrixförmig angeordneten Enden von Lichtleitfasern (50) gebildet ist, wobei das empfangene Licht der Lichtleitfasern zeilen- oder matrixförmig gebündelt Fotoempfängern (52 bis 57) zugeführt wird.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfänger 13 in dem¢Sinne miteinander verbunden sind, daß zwei kammförmig ineinander verschachtelte Gitter entstehen, wobei eine Subtraktion der durch diese beiden Gitter erzeugten Signale ausgeführt wird.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die beiden Gitter erzeugten Ströme zwei gegengekoppelten Verstärkern (18, 22) zugeführt sind, wobei der Ausgang des einen Verstärkers (18) mit dem Eingang des anderen Verstärkers (22) verbunden ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfänger (13) in dem Sinne miteinander verbunden sind, daß vier kammförmig ineinander verschachtelte Gitter entstehen, daß eine Subtraktion der im ersten und dritten bzw. zweiten und vierten Gitter erzeugten Signale durchgeführt wird und daß die beiden resultierenden, zueinander phasenverschobenen Signale zur Erkennung der Richtung der Bewegung miteinander verglichen werden.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei vierfach ineinander verschachtelte Gittersysteme vorgesehen sind, die um einen Winkel (cit) zueinander versetzt angeordnet sind.
10. Sensor nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierfach ineinander verschachteltes Gittersystem (30) sowie zwei zweifach ineinander verschachtelte Gittersystene (12) vorgesehen sind, die jeweils um einen festlegbaren Winkel (OC ) zueinander versetzt angeordnet sind.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gittermatrix aus vier Gittern gebildet wird, indem die in 4M-Spalten und 4N-Reihen angeordneten Fotoempfänger (2n + 1; 2m + 1), (2n + 2; 2m + 1), (2n + 1; 2m + 2) sowie (2n + 2; 2m + 2) miteinander verbunden sind, wobei m = 0,1,2 ... (2M-1) und n = 0,1,2.. (2N-1) sind.