DE3335869A1

DE3335869A1 - Optische radarvorrichtung fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE3335869A1
Application number: DE19833335869
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokosuka Kanagawa Endo
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-10-05
Filing date: 1983-10-03
Publication date: 1984-04-05
Also published as: JPS5965279A; JPH025276B2

Description

Optische Radarvorrichtung für Fahrzeuge
B e s c h r e i b u n g Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Radarvorrichtung für Fahrzeuge und insbesondere eine optische Radarvorrichtung für Fahrzeuge, bei der ein Fotodetektor geschützt ist gegen Sättigung durch optisches Hintergrundrauschen. Bekannt sind optische Radarvorrichtungen für Fahrzeuge, wie sie beispielsweise gezeigt werden in der USPatentanmeldung Nr. 186 329 von 1980 oder in der japanischen Patentanmeldung 152824 von 1979.
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen optischen Radarvorrichtung für Fahrzeuge, wie sie 1980 in der US-Patentanmeldüng 113 263 vorgeschlagen wurde. Die Funktionsweise der optischen Radarvorrichtung für Fahrzeuge ist nachstehend unter Bezugnahme auf Signal-Wellenformen, wie sie in Figur 2 dargestellt sind,beschrieben.
Die optische Radarvorrichtung besteht aus einem Steuerschaltkreis A zum Erzeugen und Verarbeiten elektrischer Signale, einem optischen Sender B, der einen scharfen Lichtstrahl konstanter Wellenlänge aussendet, und einem optischen Empfänger C, der das von einem Gegenstand reflektierte Licht fokussiert und in ein elektrisches Signal umwandelt.
Ein Impulsmodulator 1 erzeugt ein Treiber-Impulssignal a, das eine Wiederholperiode T X 100 }ins, eine Impulslänge p T 20 ns und eine Impulshöhe Vg aufweist. Das Treiberw Impulssignal a wird einem Strahlerelement 2 des optischen Senders B zugeführt. Zusätzlich wird ein gleichzeitig mit dem Treiber-Impuls a erzeugtes Triggersignal b einem Signalverarbeitungsschaltkreis 3 zugeführt.
Beim Empfang des Treiber-Impulssignals a wird von dem an dem optischen Sender befestigten Strahlerelement 2 gepulstes Licht LT erzeugt, das eine Wellenlänge A und eine einer schnellen Impulsmodulation unterworfene Impulsbreite Tw aufweist.
Das pulsierende Licht LT wird fokussiert und bildet einen in vorwärtige Richtung ausgesandten Strahl mit einem Divergenzwinkel 0T Ein von einem vorngelegenen Gegenstand schwach reflektiertes Licht wird von einer an dem optischen Empfänger C befestigten Linse 5, die eine große Apertur Dç aufweist, fokussiert und konvergiert in einem Brennpunkt. Das von der Linse 5 fokussierte reflektierte Licht L R durchquert einen optischen Filter 6, der das optische Hintergrundrauschen (Fremdlicht wie beispielsweise Sonnenlicht oder künstliches Licht) eliminiert, und fällt auf eine lichtempfindliche Fläche eines Fotodetektor-Elementes 7, das so befestigt ist, daß der Brennpunkt der Linse 5 in der lichtempfindlichen Fläche liegt. Fotoelektrische Umwandlung des reflektierten Lichtes L R in dem Fotodetektor-Element 7 erzeugt ein aus einem sehr schmalen, schnellen Impuls bestehendes reflektiertes Signal c.
Das einem Breitbandverstärker 8 zugeführte reflektierte Signal c wird auf eine vorbestimmte Höhe verstärkt und geformt. Das hieraus resultierende schnelle Impulssignal d wird dem Signalverarbeitungsschaltkreis 3 zugeführt.
Der Signalverarbeitungsschaltkreis 3 ermittelt aufgrund der zeitlichen Relation zwischen dem Triggerimpulssignal b und dem schnellen Impulssignal d die Ausbreitungsverzögerungszeit t des reflektierten Lichtes L R in Bezug auf das von dem optischen Sender B ausgestrahlte pulsierende Licht. Eine Entfernung R zwischen der optischen Radarvor- richtung und dem Gegenstand läßt sich durch Einsetzen der auf diese Weise ermittelten Ausbreitungsverzögerungszeit # berechnen zu R(m) = C % (S)/2, wobei C = 3 x 108m/sek.
Bei dieser herkömmlichen optischen Radarvorrichtung für Fahrzeuge wird das optische Hintergrundrauschen Lny wie beispielsweise das Sonnenlicht oder künstliches Licht, durch den optischen Filter 6 reduziert. Das schwache reflektierte Licht L R und das optische Hintergrundrauschen Ln werden dem Fotodetektorelement 7 zur fotoelektrischen Umwandlung zugeführt. Man erhält ein reflektiertes Signal c', das den von dem Objekt reflektierten Impuls mit einem sehr niedrigen Pegel enthält. Das optische Hintergrundrauschen Ln', das den optischen Filter durchdrungen hat, läßt sich darstellen als Ln1 = Pn x Ar x #w (1) mit Pn: zentrale Wellenlänge des optischen Filters, d.h.
optische Leistungsdichte (W/m2 µm) des optischen Hintergrundrauschens Ln nahe der Wellenlänge #0 (ungefähr 0,9 µm) des Laserlichtes Ar fotoempfindliche Fläche- (m2) des optischen Empfängers 3 3 dB Bandbreite (1um) des optischen Filters.
w Falls das Sonnenlicht direkt einfällt, wird Ln relativ groß, da Pn groß ist. Ist daher die Fotoempfindlichkeit des Fotodetektorelementes 7 hoch, so kann ein schwaches reflektiertes Licht L R aufgrund von Sättigung am fotoelektrischen Ausgang nicht ermittelt werden.
Durch Auswählen eines kleinen Wertes von #w läßt sich Ln verringern. ?Üw darf jedoch nicht 10- m oder kleiner sein, da die Oszillationswellenlänge0 der Laserdiode Temperaturwechseln entsprechend driften Es ergibt sich daher beim Stand der Technik das Problem, daß sich keine verbesserte Empfindlichkeit des optischen Empfängers erreichen läßt, selbst wenn ein so hoch empfindliches Fotodetektorelement wie eine APD (Avalanche-Fotodiode)verwendet wird.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Radarvorrichtung für Fahrzeuge so auszubilden, daß sie selbst bei starkem optischen Hintergrundrauschen wie beispielsweise direktem Einfall von Sonnenlicht in die Vorrichtung in ausreichendem Maße Gegenstände erkennen kann und selbst bei einem extrem großen Ausbreitungsverlust in der Atmosphäre, beispielsweise aufgrund dichten Nebels, eine ausreichende optische Empfindlichkeit aufweist.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden bei einer Radarvorrichtung für Fahrzeuge dadurch erreicht, daß das optische Hintergrundrauschen durch ein optisches Filter verringert wird und das schwache reflektierte Licht auf eine optisch variable Abschwächungsplatte -fällt, deren Transmissionsabschwächung (Transmissionskoeffizient) elektrisch steuerbar ist (beispielsweise durch Verwenden eines elektrochromischen oder eines Elektro - Foto-Modulators, aufgebaut aus einem Flüssigkristall oder einem elektrooptischen Kristall), um ausreichend in einem solchen Maße abgeschwächt zu sein, daß das Fotodetektorelement nicht in den Sättigungsbereich kommt, und daß anschließend das reflektierte Licht auf ein hochempfindliches Fotodetektorelement fällt, um dort einer wirksamen fotoelektrischen Umwandlung unterzogen zu werden, wobei sich ein reflektiertes Signal mit einem ausreichenden Pegelergibt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und der Zeichnung. Dabei zeigen: Figur 1 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen optischen Radarvorriehtung, Figur 2 ein Diagramm mit Wellenformen als Beispiel für Signalzustände an verschiedenen Punkten der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Empfängers in einer optischen Radarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines in Fig. 3 dargestellten Abschwächungssteuerkreises, Figur 5 ein Diagramm mit Wellenformen als Beispiel für Signalzustände an verschiedenen Punkten des in Fig. 4 dargestellten Abschwächungssteuerkreises, Figur 6 ein Diagramm mit einer Wellenform als Beispiel für den Zustand eines von einem Gegenstand reflektierten Impulses, Figur 7 eine Abschwächungskennlinie einer optisch variablen Abschwächungsplatte, Figur 8 ein Ausführungsbeispiel einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Empfängers, Figur 9 eine andere Ausführungsform einer Kondensorlinse in einem in Fig. 8 dargestellten optischen Empfänger, Figur 10 eine Einzelheit eines in Fig. 8 dargestellten Puffer- und Additions-Schaltkreises, Figur 11 ein Ausführungsbeispiel noch einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Empfängers, Figur 12 eine Ausführungsform einer in Fig. 11 dargestellten Kondensorlinse und Figur 13 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in Fig.12 Fig. 3 zeigt ein schwaches reflektiertes Licht LR, das zusammen mit einem optischen Hintergrundrauschen L n mittels eines paraboloidalen Spiegels 11, der eine große Apertur = 100 bis 150 + (mm) ) in einem Brennpunkt F des Spiegels 11 fokussiert wird. Das schwache Licht LR wird sodann von einem hyperpoloidalen Spiegel 12 reflektiert, worauf es in einem zweiten Brennpunkt F' konvergiert.
Nachdem das reflektierte Licht LR und das optische Hintergrundrauschen L auf diese Weise fokussiert sind, wird n das optische Hintergrundrauschen L mittels eines aus n einem Interferenzfilter bestehenden optischen Filters 6 auf einen Pegel L ' abgeschwächt. Mittels einer aus einem n Flüssigkristall bestehenden optisch variablen Abschwächungsplatte 9 werden sowohl das optische Hintergrundrauschen Ln und das reflektierte Licht LR in einem solchen Maße abgeschwächt, daß ein Fotodetektorelement 7 nicht in den Sättigung3bereich gerät, und gelangen in das Zentrum einer fotoempfindlichen Fläche eines hochempfindlichen Fotodetektorelementes 7 (vorzugsweise eine Avalanche-Fotodiode), das an dem zweiten Brennpunkt F' vorgesehen ist. Ein aufgrund fotoelektrischer Umwandlung durch das Fotodetektorelement 7 erzeugtes reflektiertes Signal c' wird in einem koaxialen Anschlußglied 13 nach außen abgegeben.
Die Gleichstromkomponente Vp des reflektierten Signales c' (dessen Signal-Wellenform in Fig. 6 gezeigt ist) läßt sich darstellen als Vp = M x X Ln" X Rp mit M : Stromverstärkungsverhältnis, Ii : Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung (ungefähr 0,6 A/W), Ln": optisches Hintergrundrauschen (wie durch den Ausdruck (1) oder den später beschriebenen Ausdruck (2) gegeben), Rp : Lastwiderstand (L) des Fotodetektorelementes 7.
Die Impulshöhe V des reflektierten Impulses läßt sich p beispielsweise darstellen durch V =M x t1 x L R xR.
p 4 p Der in dem oben aufgeführten Ausdruck aufgeführte Faktor L R wird dargestellt durch LR P R x Ar x Lc mit Pr : Leistungsdichte (W/m2) des reflektierten Lichtes, Ar : Fläche des Fotodetektors (m2), Lc : Transmissionsabschwächung in der optisch variabc len Abschwächungsplatte.
Das reflektierte Signal c' wird nachfolgend einem Breitbandverstärker 8 zugeführt, in welchem lediglich der reflektierte Impuls V e ohne die Gleichstromkomponente Vp verstärkt wird, vgl. die Darstellung in Fig. 6. Das reflektierte Signal c' wird ebenfalls einem nachfolgend näher beschriebenen Abschwächungssteuerkreis 10 zugeführt.
Der Steuerkreis 10 filtert die Gleichstromkomponente V p heraus und gibt ein Rechteckschwingungssignal g einer Frequenz f von ungefähr 1 kHz und einer der Gleichstromp komponente V proportionalen Wechselstromamplitude V p pp ab.
Das Rechteckschwingungssignal g wird anschließend der optisch variablen Abschwächungsplatte 9 (eine transparente Elektrode, bestehend aus einem Flüssigkristall) über einen Durchführungskondensator 14 (Kapazität t 100 pF) zugeführt, um eine optische Abschwächungsgröße entsprechend der Amplitude V zu steuern p Durch Steuern der Durchlaß-Abschwächung Lc der optisch variablen Abschwächungsplatte 9 unter Verwendung des Ausgangssignales des Fotodetektors 7 (reflektiertes Signal c') erhöht sich der Abschwächungswert Le der optisch variablen Abschwächungsplatte 9 für großes optisches Hintergrundrauschens Ln' aufgrund einer erhöhten Gleichspannungskomponente Vp des Ausgangssignals c', während sich der Abschwächungswert Lc bei schwächerem optischen Hintergrundrauschen L ' aufgrund eines kleineren Wertes n V verringert. Das in das Fotodetektorelement 7 eintrep tende optische Hintergrundrauschen Ln"> das durch Ln" = Ln'/LC (2) dargestellt wird, ändert sich - entsprechend den Werten des optischen Hintergrundrauschens L ' und L - nicht n n in großem Maße. Daher ändert sich auch die Gleichspannungskomponente V des aufgrund der fotoelektrischen p Umwandlung abgegebenen Signales c' des Fotodetektorelementes 7 nicht in großem Maße.
Demgemäß gelangt das Fotodetektorelement 7 selbst dann nicht in den Sättigungsbereich, wenn das optische Hintergrundrauschen L beträchtlich erhöht wird, beispielsweise n wenn Sonnenlicht dem Fotodetektorelement 7 direkt zugeführt wird. "Sättigung" bezieht sich hier auf den Zustand, bei dem V einen Bruchteil und mehr der Versorgungsspanp nung VB beträgt.
Es werden nun Einzelheiten des Abschwächungsschaltkreises 10 beschrieben. Fig. 4 zeigt eine Schaltkreis-Konfiguration des Abschwächungssteuerkreises 10, Fig. 5 zeigt im Steuerkreis 10 auftretende Signalschwingungsformen.
Das reflektierte Signal c' (mit Gleichspannung V ) wird p einem Gleichstromverstärker 15 zugeführt, der es mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor A verstärkt und v ein daraus resultierendes Signal e mit einer Gleichspannung V0 abgibt.
Ein Rechteckgenerator 16 erzeugt ein Rechteckschwingungssignal f, das eine Frequenz Fp von ungefähr 1 kHz und eine Amplitude Fg aufweist. Die Signale f und e werden Gates G2 bzw. G1 eines Feldeffekttransistors Q1 zugeführt, der die Kennlinie eines Anreicherungstyps aufweist. Somit ergibt sich am Drain-Ausgang des Feldeffekttransistors Q1 eine Rechteckschwingung mit einer Ampli- tude V Vpp, die gegeben ist zu Vpp = gm x Fo x RD.
Die Steilheit gm in obigem Ausdruck ist proportional zu der Amplitude Fo des Rechteckschwingungssignals f. Die Gleichstromkomponente des Rechteckschwingungssignals f wird über einen Kondensator CD abgeblockt, wodurch sich ein Wechselstromsignal g ergibt, das eine Amplitude Vpp und eine Frequenz f aufweist.
Die Gleichspannung des Signals e läßt sich darstellen als V0 = Av x Vp.
Aus den oben aufgeführten zwei Ausdrücken ergibt sich die Beziehung V <vF0 xV N V p O p PP Wie man somit leicht sieht, ist die zum Steuern der optisch variablen Abschwächungsplatte 9 dienende Amplitude V des Signals g proportional der Gleichspannung pp des reflektierten Signals c' Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Transmissions-Abschwächung L der optisch variablen Abschwächungsplatc te 9 selbst dann durch die Gleichspannung V des mittels p fotoelektrischer Umwandlung von dem Fotodetektorelement 7 abgegebenen reflektierten Signals c' gesteuert, wenn bei dem Fotodetektorelement 7 eine Avalanche-Fotodiode (abgekürzt: APD) mit einer hohen Fotosensitivität (Stromverstärkungsverhältnis M = 100) Verwendung findet. Selbst wenn sich das optische Hintergrundrauschen Ln' aufgrund direkt einfallenden Sonnenlichts beträchtlich erhöht, wird sich daher aufgrund einer im Verhältnis gesteigerten Abschwächung Lc das dem Fotodetektorelement 7 zugeführte und gemäß Ln" = Ln'/LC dargestellte optische Hintergrundrauschen nicht in großem Maße erhöhen. Es wird sich demgemäß die Gleichspannungskomponente V p des Au ,garlgssigrlals c ' des Fotodetelctorelernentes 7 urn nicht mehr als 1/10 der Versorgungsspannung VB erhöhen.
Auf diese Weise läßt sich eine beträchtliche Verschlechterung der kennzeichnenden Eigenschaften wie beispielsweise beträchtlich verringerte Sensitivität (M außerordentlich klein und M 4 1) aufgrund einer großen Abweichung der Spannung zwischen den Ausgängen des Fotodetektorelementes 7 von dem vorbeschriebenen Wert oder ein beträchtlich verschlechtertes Ansprechen (Anstiegszeit tr und Abbruch- oder Abfallzeit tf > ungefähr 100 ns) auf einen schnellen Impuls vermeiden. Das Fotodetektoreleent 7 wird gewissermaßen davor geschützt, in den Sättigungsbereich zu geraten. Das von dem Gegenstand stammende schwache reflektierte Licht L R wird durch die optisch variable Abschwächungsplatte 9 mit dem Faktor Lc abgeschwächt. Der optische Strom wird jedoch mit einem Stromverstärkungsverhältnis (M = 10 bis 100) bei dem Fotodetektorelement 7 verstärkt. Es ist daher möglich, bei dem aufgrund fotoelektrischer Umwandlung erhaltenen Signal c' eine Impulshöhe V zu erreichen die e der Impulshöhe V eines oben vorgeschlagenen optischen p Empfängers nahekommt (wobei die optisch variable Abschwächungsplatte 9 fehlt und bei dem Fotodetektorelement 7 eine Pin-Fotodiode mit M = 1 und einer herkömmlichen Empfindlichkeit Verwendung findet).
Im Fall eines dichten Nebels übersteigt der Ausbreitungsverlust des Lichtes 30 dB je 1 von m Abstand. Demgemäß werden sowohl das optische Hintergrundrauschen Ln als auch das reflektierte Lich LR beträchtlich abgeschwächt.
Die Gleichstromkomponente V des aufgrund fotoelektrip scher Umwandlung von dem aus einer APD bestehenden Fotodetektorelementes 7 abgegebenen Signales c' wird nahezu null. Die Amplitude V des Signals g und die Abschwäpp chung Le der optisch variablen Abschwächungsplatte 9 sind daher gegeben zu Vpp = 0 und Le = 2 (Fig. 7).
Das reflektierte Lich L R wird daher nur zur Hälfte abgeschwächt und dann der APD zugeführt. Der optische Strom wird mit M = 100 verstärkt, die Amplitude Ve des reflektierten Impulses ist demgemäß ungefähr 50 mal größer als die Amplitude Vp der zuvor dargelegten Vorrichtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Erkennbarkeit eines Gegenstandes in einem dichten Nebel ungefähr 50 % der Erkennbarkeit bei schönem Wetter (räumlicher Transmissionsverlust = 0 dB), was einen kleinen Unterschied ausmacht. Eine sichere Erkennung eines entfernten Gegenstandes, beispielsweise eines vorn in 100 m Abstand sich entfernenden Fahrzeuges, ist somit auch in dichtem Nebel möglich.
Im Falle der oben beschriebenen früher vorgeschlagenen Vorrichtung ist das bei dem Fotodetektorelement mittels fotoelektrischer Umwandlung erhaltene Ausgangssignal bei einem von dichtem Nebel herrührenden Transmissionsverlust von über 30 dB weniger als 1/103 des bei schönem Wetter erhaltenen Ausgangssignals. Die Erkennbarkeit eines Gegenstandes (erkennbare Entfernung für ein Objekt, das ein identisches Reflexionsvermögen aufweist) in dichtem Nebel verringert sich daher auf ungefähr 15 % oder weniger gegenüber derjenigen bei schönem Wetter.
Durch das Verwenden einer APD in dem Fotodetektorelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ferner die Fotosensitivität unter den Bedingungen geringen optischen Hintergrundrauschens und geringen atmosphärischen Ausbreitungsverlustes wie beispielsweise bei Nacht stark erhöht, verglichen mit der zuvor vorgeschlagenen Vorrichtung. Ein Gegenstand wie ein vorausfahrendes Fahrzeug, das weit entfernt ist (200 bis 400 m) läßt sich demgemäß sicher erkennen. Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere bei Nacht augenfällig> da die Fahr:LL icht-Siihtwci ti 100 m oder weniger beträgt.
Verglichen mit einem herkömmlichen optischen Empfänger liegen die Hauptmerkmale der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform in der zusätzlich vorgesehenen optisch variablen Abschwächungsplatte 9 (bestehend aus einem Flüssigkristall) zur elektrischen Steuerung der Abschwächung eines hindurchtretenden Lichtes und in dem Abschwächungssteuerkreis 10 zur Ermittlung der Gleichstromkomponente (proportional zu dem optischen Hintergrundrauschen Ln') in dem von dem Fotodetektorelement 7 aufgrund fotoelektrischer Umwandlung gelieferten Ausgangssignales c' und zum Erzeugen des Rechteckschwingungssignales g, das eine dieser Komponente entsprechende Amplitude V aufweist.
pp Es wird nun eine weitere Ausführungsform einer optischen Radarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei der optischen Radarvorrichtung gemäß dem früheren Vorschlag, der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, wird ein schwaches von einem Gegenstand reflektiertes Licht L R durch eine Linse großer Apertur (Durchmesser D = 150 mm) fokussiert und in dem Fotodetektorelement 7 fotoelektrischer Umwandlung unterworfen, um ein reflektiertes Signal c zu verhalten, das einen hohen Signalpegel (Impulshöhe V ) aufweist, um p dadurch soweit als möglich ein von einem entfernten Gegenstand reflektiertes Licht sicher aufzufangen.
Die Impulshöhe V p des reflektierten Signals c sei hier dargestellt als Vp = Ar x y x mit Ar: Fläche der Fotolinse y: Reflex ionsvermögen des Gegenstandes R : Entfernung zum Gegenstand.
Ein Versuch, die sphärische Aberration einer Linse zu verringern, erhöht somit die (Einbau-)Tiefe L des optischen Empfängers C (L beträgt mindestens L = D ). Es war daher schwierig, die Vorrichtung an der Vorderseite des Fahrzeuges (insbesondere in der Nähe des Kühlergrills) anzubringen und zugleich ein schönes Aussehen zu erreichen.
In einer in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsform einer optischen Radarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von optischen Empfängern mit geringen Abmessungen, von denen jeder eine Linse kleiner Apertur d f aufweist, so vorgesehen, daß die Summe der fotosensitiven Flächen AS der fotosensitiven Fläche AR der oben vorgeschlagenen Vorrichtung gleich sei; Ausgangssignale dieser optischen Empfänger werden addiert, um so zu einem reflektierten Signal zu gelangen, das dieselbe Impulshöhe V p aufweist wie die vorangehende Ausführungsform.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, setzt sich ein in der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform verwendeter optischer Empfänger C aus vier kleinen optischen Empfängern 17 bis 20 zusammen, die in einer waagerechten Reihe am Kühlergrill eines Fahrzeuges vorgesehen sind. Jeder optische Empfänger 17 bis 20 weist eine aus einer konvexen Linse bestehende Kondensorlinse 219 eine fotosensitive Fläche As (Apertur dp), eine Brennweite f (f = d), ein optisches Filter 229 um bei dem durch die Kondensorlinse 22 fokussierten schwachen reflektierten Licht das optische Hintergrundrauschen zu eliminieren, und ein Fotodetektorelement 23 auf 7 um aus dem Licht, das das optische Filter 22 passiert hat, mittels fotoelektrischer Umwandlung die reflektierten Signale cnl (n = 1 bis 4) zu erhalten.
Die aufgrund fotoelektrischer Umwandlung erhaltenen Ausg 1 X C2 , c21> c3 und c41 der optischen Empfänger 17, 18, 19 und 20 werden mittels Pufferschaltkrei- sen 24, 25, 26 und 27 einer Eingangs-Ausgangs-Trennung unterworfen, um unbeabsichtigte Interferenz zwischen den Ausgangssignalen c1 bis c4t zu verhindern Die Ausgangssignale c1 ' bis C4' der optischen Empfänger 17 bis 20 werden dann in einem Additionsschaltkreis 28 addiert. Die sich ergebende Summe CT' ist so eingerichtet, daß sie denselben Pegel (dieselbe Impulshöhe) aufweist wie das reflektierte Signal c, das von dem in der früheren Fatentanmeldung beschriebenen optischen Einzel-Empfänger (Fig. 1) abgegeben wird.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel für diese Schaltkreise 24, 25, 26 und 27 und den Additionsschaltkreis 28.
Wird das reflektierte Licht LR einem in Fig. 10 dargestellten Fotodetektorelement 23 zugeführt, so liegt ein aufgrund fotoelektrischer Umwandlung über einen Lastwiderstand Re1 erzeugtes Ausgangssignal c1 ' an einem Gate G eines Feldeffekttransistors Q1 an und läßt einen dem Signal c1 ' entsprechenden Drain-Strom 1d1 fließen.
Auf die gleiche Weise fließen, Eingangssignalen c2' , c3' und c4 ' jeweils entsprechende Drain-Ströme 1d2> und 1d4 durch Feldeffekttransistoren Q2, Q3 und Q4 der jeweiligen Pufferschaltkreise 25, 26 und 27.
Nachfolgend sei der Additionsschaltkreis 28 beschrieben.
Die oben beschriebenen vier Drain-Ströme Id1 bis Id4 fließen durch einen Widerstand RD, längs dessen sie ein Impulssignal erzeugen, das dargestellt wird durch VD = RD (Id1 + Id2 + Id3 + Id4) = c1 f + c2 e + c3 + c 1 Dieses Impulssignal wird zum Zwecke der Impedanzwandlung an ein Gate eines Feldeffekttransistors Q5 in einer Source-Folger-Schaltung angelegt. Das sich ergebende Ausgangssignal wird an einem Source-Ausgang abgenommen, der eine Ausgangsimpedanz von ungefähr 50 fl über einen Kondensator C3 aufweist. Man erhält so ein reflektiertes Signal oT', dargestellt durch CT' = c1 T + c2' + c3V + c4 Bei dieser Ausführungsform sind also vier kleine optische Empfänger angeordnet, von denen jeder eine fotoempSindliche Fläche As aufweist; die Ausgangssignale dieser Empfänger werden aufaddiert und ergeben ein reflektiertes Signal c oT', das denselben Pegel aufweist wie das Ausgangssignal (reflektiertes Signal c), das von der zuvor vorgeschlagenen, einen einzigen optischen Empfänger mit einer fotoempfindlichen Fläche Ar aufweisenden Vorrichtung erzeugt wird. Man erhält daher aus den Gleichungen 4As = Ar, As = oc x d2 /4 und Ar = t x D2 /4 die Relation d = D/2.
Die Tiefe (= Brennweite f der Linse) der optischen Empfänger 17, 18, 19 und 20 läßt sich demgemäß darstellen durch f = d = D/2 = L/2. Das bedeutet, daß sich die Tiefe auf die Hälfte verringern läßt, verglichen mit derjenigen des optischen Empfängers in einer Vorrichtung des zuvor vorgeschlagenen Typs eines einzelnen optischen Empfängers.
Wird die gesamte fotoempfindliche Fläche von n optischen Empfängern gleich der fotoempfindlichen Fläche einer Vorrichtung des in der vorangehenen Patentanmeldung beschriebenen Typs eines einzigen optischen Empfängers gewählt, so ergibt sich als Folgerung, daß sich die Tiefe eines jeden dieser n optischen Empfänger auf etwa 1/ Vn verringern läßt, verglichen mit einer Vorrichtung des in der vorangehenden Patentanmeldung beschriebenen Typs eines einzelnen optischen Empfängers.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich eine ähnliche Wirkung selbst dann verhalten, wenn Fresnel-Linsen, wie in Fig. 9 dargestellt, anstelle konvexer Linsen verwendet werden (dazu reichen entweder diskrete Linsen oder vier aufeinander folgende Linsen aus).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist noch in Fig. 11 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein schwaches reflektiertes Licht von einer halbkreisförmigen Zylinderlinse 29 fokussiert, die eine Lichteintrittsfläche Ar (=h x w) aufweist. Zusätzlich begrenzt eine Lichtunterbrechungsplatte 30, die senkrecht zu der Linsenplatte angeordnet ist, die Richtung eintretenden Lichtes in der horizontalen Richtung des optischen Empfängers durch die Länge x und die Breite y der Platte 30. Das fokussierte Licht tritt zur Eliminierung des optischen Hintergrundrauschens über die Lichtunterbrechungsplatte 30 durch ein optisches Filter 31 hindurch und wird einem strelfenförmigen Fotodetektörelement 32 zugeführt, um fotoelektrischer Umwandlung unterworfen zu werden. Es wird folglich ein reflektiertes Signal cB erzeugt, das denselben Pegel aufweist wie das reflektierte Signal c einer in der vorangehenden Patentanmeldung beschriebenen Vorrichtung.
Falls W = K x h (K > 1) gilt, liefert die Gleichung Ar = K x h2 = t x D2 /4 bei diesem Ausführungsbeispiel Zusätzlich dazu wird der Mindestwert der Tiefe des optischen Empfängers (= Brennweite f' der Zylinderlinse) dargestellt durch f' = Breite h der Linse.
Die obigen beiden Gleichungen ergeben Es läßt sich daher erkennen, daß ein Erhöhen von K (när,.lich ein Erhöhen von w verglichen mit h) die Tiefe des optischen Empfängers auf verringert, verglichen mit derjenigen der Vorrichtung des in der vorangehenden Patentanmeldung beschriebenen Typs eines einzelnen optischen Empfängers.
Selbst wenn, wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt, eine Fresnel-Linse als die Zylinderlinse 29 verwendet wird, läßt sich eine ähnliche Wirkung erzielen.
Wie aus den oben beschriebenen Ausführungsformen verdeutlicht wird, ist bei einer optischen Radarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine optisch variable Abschwächungsplatte vor einem Fotodetektorelement vorgesehen, und die Durchlaßabschwächung der optisch variablen Abschwächungsplatte wird gemäß der Gleichspannung des aufgrund fotoelektrischer Umwandlung abgegebenen Ausgangssignals des Fotodetektorelementes gesteuert. Bei einem starken optischen Hintergrundrauschen wie beispielsweise direkt einfallendem Sonnenlicht wird daher die Abschwächung der Abschwächungsplatte erhöht, um die Fotosensitivität (Fähigkeit, einen Gegenstand zu erkennen) zu erzielen, die derjenigen des optischen Empfängers gemäß der früheren Patentanmeldung nahekommt. Des weiteren wird bei einem extrem großen atmosphärischen Ausbreitungsverlust wie beispielsweise bei dichtem Nebel das optische Hintergrundrauschen gleichzeitig verringert. Demgemäß wird die Fotosensitivität erheblich verbessert, so daß sich ein Gegenstand, der sich in weiter Entfernung befindet (einige Dekaden mbis 100 m), sicher erkennen läßt.
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Claims

Optische Radarvorrichtung für Fahrzeuge Patentansprüche 1. Eine optische Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, die ein puismoduliertes Licht von diesem Fahrzeug aus aussendet und ein reflektiertes Licht von einem Gegenstand empfängt, wobei die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und dem Gegenstand aufgrund der durch die Übertragung bedingten Zeitverzögerung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Tmpuls erhalten wird, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren des von dem Gegenstand reflektierten Lichtes (LR) in ihrem Brennpunkt ein Fotodetektorelement (7), das so angeordnet ist, daß seine fotoempfindliche Fläche in dem Brennpunkt (F') der Fokussierungsvorrichtung liegt, eine optisch variable Abschwächungsplatte (9), die vor dem Fotodetektorelement (7) zum elektrischen Steuern der optischen Durchlaßabschwächung angeordnet ist, und einen Abschwächungssteuerkreis (10) zum Steuern der optischen Durchlaßabschwächung der optisch variablen Abschwächungsplatte (9) gemäß dem Pegel einer niederfrequenten Komponente einschließlich der Gleichstromkomponente des von dem Fotodetektorelement (7) aufgrund fotoelektrischer Umwandlung abgegebenen Ausgangssignals (c').
2. Optische Radarvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vorrichtung ein optisches Filter (6) aufweist, das vor dem Fotodetektorelement (7) zum Eliminieren eines optischen Hintergrundrauschens (Ln) angeordnet ist.
3. Optische Radarvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fokussierungsvorrichtung einen paraboloidförmigen Spiegel (11) und einen hyperboloidförmigen Spiegel (12) aufweist, dessen Durchmesser kleiner als der des paraboloidförmigen Spiegels (11) ist.
4. Eine optische Radarvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abschwächungsplatte (9) aus einem Flüssigkristall besteht, der lichtdurchlässige Elektroden aufweist.
5. Optische Radarvorrichtung nach Anspruch Lt, dadurch g ek e n n z e i c h n e t, daß der Abschwächungssteuerkreis (10) einen Rechteckgenerator (16) aufweist, der dem Flüssigkristall (9) ein Rechtecksignal zuführt, dessen Amplitude proportional zu dem von dem Fotodetektorelement (7) abgegebenen Pegel ist.
6. Eine optische Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, die ein pulsmoduliertes Licht von diesem Fahrzeug aus aussendet und ein reflektiertes Licht von einem Gegenstand emfpängt, wobei die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und dem Gegenstand aufgrund der durch die Übertragung bedingten Zeitverzögerung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Impuls erhalten wird, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Vorrichtung eine Vielzahl von optischen Empfängern (17, 18, 19, 20) aufweist, von denen jeder eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren des von dem Gegenstand reflektierten Lichtes (LR) in ihrem Brennpunkt und ein Fotodetektorelement (23) aufweist, das so angeordnet ist, daß seine fotoempfindliche Fläche um den Brennpunkt der Fokussierungsvorrichtung angeordnet ist,und daß die Vielzahl von Empfängern (17, 18, 19, 20) in einer waagerechten Reihe vorgesehen sind.
7. Optische Radarvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g ek e n n z e i c h n e t, daß der optischen Empfänger (17, 18, 19, 20) ein optisches Filter aufweist, das vor dem Fotodetektorelement (23) zum Elminieren eines optischen Hintergrundrauschens angeordnet ist.
8. Eine optische Radarvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fokussierungsvorrichtung eine Linse (21) ist.
9. Eine optische Radarvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linse (21) eine Fresnel-Linse ist.
10. Eine optische Radarvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die optischen Empfänger (17, 18, 19, 20) durch Pufferschaltkreise (24, 25,26 , 27) gegeneinander isoliert sind zum Schutz vor gegenseitiger Interferenz zwischen den Ausgängen (c1', c2', c31, C4') der Empfänger (17, 18, 19, 20).
11. Eine optische Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, die ein pulsmoduliertes Licht von einem Gegenstand empfängt, wobei die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und dem Gegenstand aufgrund der durch die Übertragung bedingte Zeitver- zögerun g zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Impuls erhalten wird, g e k e n n z e i c h n e t durch eine halbkreisförmige Zylinderlinse (29) zum Fokussieren des von dem Gegenstand reflektierten Lichtes (LR) in ihrer Brennlinie, ein längliches Fotodetektorelement (32), das so angeordnet ist, daß seine fotoempfindliche Fläche um die Brennlinie der Linse (29) angeordnet ist.
12. Eine optische Radarvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vorrichtung ein optisches Filter aufweist, das vor dem Fotodetektorelement (32) zum Eliminieren eines optischen Hintergrundrauschens angeordnet ist.
13. Eine optische Radarvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linse (29) eine Fresnel-Linse ist.
14. Optische Radarvorrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vorrichtung eine Unterbrechungsplatte (30) aufweist, die senkrecht zu der Linse (29) befestigt ist und die Richtung einfallenden Lichts begrenzt.