DE69423020T2

DE69423020T2 - Optischer Abtaster und Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE69423020T2
Application number: DE69423020T
Authority: DE
Inventors: William H Taylor
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2014-04-06
Also published as: IL109184A; CA2120799A1; TW294778B; JPH0719861A; GB9406634D0; GB2276997B; KR940024704A; EP0619502A2; TW266259B; DE69423020D1; EP0619502B1; EP0619502A3; GB2276997A

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen, die Daten in Bezug auf Entfernung und seitliche Position von Zielobjekten liefern. Insbesondere betrifft die Erfindung Anordnungen, die gleichzeitig Daten in Bezug auf Entfernung und seitliche Position von Zielobjekt zur Vermeidung von Kollisionen liefern. Zusätzlich werden Abbildungs-Reflexionsdaten für jeden Bildpunkt geliefert, die als Basis für die Erzeugung eines gewöhnlichen Abbildes dienen.
Typischerweise befindet sich ein Zielobjekt oder mehrere Zielobjekte in einem rechteckigen Gesichtsfeld. Die Position eines Zielobjektes innerhalb des Gesichtsfeldes kann durch seine Winkelkoordinaten bestimmt werden, α und β, die der seitlichen (horizontalen) bzw. der vertikalen Richtung entsprechen. Im Extremfall liegt jeder Bildpunkt innerhalb des Gesichtsfeldes in einer unterschiedlichen Entfernung. Deshalb ist es wünschenswert, eine "3D Karte" eines Abbildes herzustellen, indem jedem Bildpunkt innerhalb des Gesichtsfeldes ein Entfernungswert zugeordnet wird.
Es gibt verschiedene Verfahren, um diese Entfernungswerte zu erhalten. Ein Verfahren bedient sich des Prinzips der Triangulierung, bei dem die Entfernung eines Zielobjektes abgeleitet wird von der Kenntnis der Richtungen der Sichtlinien zweier Beobachtungspunkte zum Zielobjekt. Das ist ein bekanntes und weit verbreitetes Verfahren zur Entfernungsmessung einzelner Zielobjekte. Sind jedoch mehrere Zielobjekte weit über ein Gesichtsfeld verstreut, kann dies zu einer außerordentlichen Komplexität führen, insbesondere, wenn die "3D Karte" schnell hergestellt und analysiert werden muß. Ein weiteres Problem ist, daß Anforderungen an ein großes Gesichtsfeld und ein hohes Auflösungsvermögen die Verwendung eines Bilddetektors nicht mehr tolerierbarer Größe, Anzahl von Elementen und Kosten, wie unten gezeigt, erforderlich macht.
In Fig. 7 ist die Verwendung herkömmlicher Methoden zur Entfernungsmessung von Zielobjekten dargestellt. Ein Zielobjekt wird in Entfernung R von den durch den Abstand W voneinander getrennten Beobachtungspunkten geortet unter einem Winkel δ in dem Fall, daß das Zielobjekt auf einer Achse liegt, die die Verbindungslinie zwischen den beiden Beobachtungspunkten schneidet. Wenn der Winkel δ bestimmt werden kann und der Abstand W bekannt ist, dann ist die Entfernung R bestimmt durch
R = W/δ (1)
für kleine Winkel δ (beispielsweise unter 10º). Bei einem um den Winkel α von der Achse abweichenden Zielobjekt, wie in Abb. 8 dargestellt, ist die Entfernung R bestimmt durch
R = W cos α/δ (2)
Für um 15º oder weniger von der Achse abweichende Winkel ist Gleichung (1) für eine Genauigkeit von über 95% ausreichend.
Bezugnehmend auf Abb. 9 ist ein bestimmtes Winkelauflösungsvermögen dδ erforderlich, um Entfernungsunterschiede aufzulösen. Dieses ist abhängig von der Entfernungsauflösung dR durch
dδ = W/R² dR (3)
Bezugnehmend auf Abb. 10, und hier wieder bei Verwendung konventioneller Methoden zur Entfernungsmessung, können die beiden Beobachtungspunkte beispielsweise zwei Kameras sein, deren CCD-Detektor-Anordnungen die Breite Dcam und den Detektorelement-Abstand d aufweisen, wobei jede Kamera ihr eigenes Linsensystem aufweist, und diese wieder einen Abstand W voneinander aufweisen, um so den gewünschten Parallaxenwinkel δ zu liefern.
Die beiden von den Kameras gelieferten Bilder werden miteinander verglichen und die relative Abweichung der Bilder voneinander wird mit geeigneten Methoden zur Bildbearbeitung bestimmt, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Solche Methoden zur Bildbearbeitung sind ausführlich beschrieben in Digital Image Processing, 2. Auflage, Gonzales & Wintz (Addison Wesley, 1987). Der Abweichungswert dient dann zur Bestimmung der Entfernung.
Es sollte in Betracht gezogen werden, daß das Detektorbildformat der Kameras groß genug sein muß, um das gesamte Gesichtsfeld zu erfassen, das mit der Entfernungsmessung abgedeckt werden soll. Die Größe d der Detektorelemente muß aber auch klein genug sein, und die erforderliche Entfernungsauflösung zu liefern. Beträgt das Gesichtsfeld beispielsweise 30º, der Abstand zwischen den Kameras 100 mm und die Entfernungsauflösung 1 m, so kann bei einer Distanz von 100 m die Größe Dcam der Detektoranordnung und die Größe d der Detektorelemente errechnet werden:
dδ = W/R² dR = 0.1 m/(100 m)² · 1 m = 0.00001 Radian
Angenommen eine CCD Detektoranordnung für die Kamera, in dem der Abstand der Detektorelemente d ist, dann kann die Brennweite f einer Kamera-Optik, die eine Winkelauflösung von 0.00001 erreicht, wie folgt berechnet werden:
dδ = d/f
f = d/0.00001 = 10&sup5; · d
Herkömmliche CCD Detektoranordnungen erreichen d Werte nahe 0.015 mm. Mittels Signalverarbeitung kann der effektive d Wert etwa die Hälfte dieses Wertes (z. B. δeff = 0.0075 mm) betragen. Dann kann die Brennweite wie folgt berechnet werden:
f = d/δeff = 0.0075 mm/0.00001 = 750 mm
Die Detektor-Gesamtbreite wird bestimmt durch das Basis-Gesichtsfeld, 30º, und das zusätzliche, durch die Parallaxe des sich am nächsten befindlichen Zielobjekts bestimmte Gesichtsfeld. Angenommen, das sich am nächsten befindliche Zielobjekt ist in ca. 3 m, dann wird das zusätzliche Gesichtsfeld wie folgt berechnet:
δmax = W/R nearest = 0.1/3 = 0.033 Radian
Das sind 1.9º oder etwa 2º. Folglich kann die Breite der Detektor-Anordnung wie folgt berechnet werden:
Dcam = f tan α + f tan (α + δmax) = 750 tan 15º + 750 tan (15º + 2º) = 201 + 229 = 430 mm
Bei der Verwendung von Detektorelementen einer Größe von 0.015 mm ergibt sich eine Anzahl N von Detektorelementen für jede Detektor-Anordnung
N = N cam/d = 430/0.015 = 28667 Elemente
Diese Berechnungen weisen auf fundamentale Probleme mit dem herkömmlichen Zwei-Kamera-Entfernungsmeßverfahren hin. Insbesondere zeigt sich, daß die erforderlichen Detektor-Anordnungen viel zu groß sind, sowohl was ihre Abmessungen betrifft als auch die Anzahl der Elemente, für deren Verwendung in Vorrichtungen zum Vermeiden von Fahrzeug-Zusammenstößen. Außerdem wären derartige Detektor-Anordnungen viel zu teuer, wobei jeweils zwei Exemplare erforderlich sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter Berücksichtigung der obenstehenden Ausführungen ist die Aufgabe der Erfindung ein kleiner, kompakter Abtast-Entfernungsmesser, der sowohl ein großes Gesichtsfeld als auch ein hohes Entfernungs-Auflösungsvermögen aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein optischer Abtast-Entfernungsmesser, der zur Vermeidung von Zusammenstößen in Autos und anderen Fahrzeugen eingesetzt werden kann, wo niedrige Kosten, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und leichter Einbau wichtig sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein optischer Abtast-Entfernungsmesser, der ein Bild der Umgebung auf einem im Armaturenbrett befindlichen Bildschirm darstellen kann.
Diese und andere Aufgaben werden gelöst durch den optischer Abtast-Entfernungsmesser und das Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 9. Geeignete Abwandlungen und weitere Ausführungsbeispiele werden in den anhängigen Ansprüchen beansprucht.
Die Erfindung betrifft einen optischen Abtast-Entfernungsmesser mit einer Strahlungsquelle, einer rotierenden Abtastscheibe mit einer kreisförmigen Anordnung von Abtastelementen auf einer ihrer planen Oberflächen, einer Vorrichtung zum Richten von Strahlung in einer Vielzahl von Kanälen von der Strahlungsquelle auf die genannten Abtastelemente, einer Vorrichtung zum vertikalen Abtasten eines Gesichtsfeldes mit mindestens einem drehbar angeordneten Spiegel, einer Vorrichtung zum Richten von Strahlung von mindestens einem der genannten drehbar angeordneten Spiegel auf ein Zielobjekt, Beleuchten jedes Bildpunktes (Pixels) in einem Gesichtsfeld, einer Vorrichtung zum Richten der Strahlung vom genannten Zielobjekt auf das genannte Abtastelement entlang einer Vielzahl von Kanälen, wobei die genannte Vorrichtung mindestens einen, mit dem Gehäuse der Abtastvorrichtung integrierten Spiegel aufweist, einer Detektor-Vorrichtung geeignet zum Auffangen von vom Abtastelement reflektierter Strahlung entlang eines jeden der genannten Kanäle, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abtast-Entfernungsmesser eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen aufweist zum Bestimmen der Zielobjektreflektivität und der Entfernung und der lateralen Position eines Signals von der genannten Detektor-Vorrichtung, wobei die Vorrichtung zum Verarbeiten der Signale eine Vorrichtung aufweist zum Erzeugen eines Schwellensignals für Signale und zum Zurückweisen von Fremdsignalen vom genannten Detektor.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum optischen Abtasten, das Schritte aufweist zum Richten der von einer Strahlungsquelle kommenden Strahlung auf einen konkaven Reflektor auf einer rotierenden Abtastscheibe und auf eine Vorrichtung zum vertikalen Abtasten eines Gesichtsfeldes; Richten der genannten Strahlung auf ein Zielobjekt in einem Zielobjektgebiet; Richten der von dem genannten Zielobjekt reflektierten Strahlung auf die genannte Abtastscheibe entlang einer Vielzahl von Kanälen in mindestens zwei Ebenen im optischen Weg; Verwenden von mit einem Gehäuse einen integralen Teil bildenden Spiegeln zum Richten der Strahlung; Richten der vom genannten Abtastelement reflektierten Strahlung entlang jedes der genannten Kanäle auf die Strahlungsdetektor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Information von der genannten Strahlungsdetektor- Vorrichtung dazu dient, um Reflektivität, Entfernung und laterale Position des Zielobjekts zu bestimmen.
EP-A-473866 beschreibt einen optischen Abtast-Entfernungsmesser und ein Verfahren zum optischen Abtasten entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9.
Der optische Abtaster enthält ein optisches System mit zwei durch einen ausreichenden Abstand horizontal voneinander getrennten Öffnungen, um beim Betrachten eines nahen Zielobjektes eine Parallaxe zu bilden. Die beiden Sichtlinien werden gleichzeitig über das Objektfeld abgetastet und die durch die beiden Öffnungen eintretenden Lichtstrahlen werden kombiniert und auf einen linearen Detektor fokussiert. Befindet sich das Zielobjekt im Unendlichen, wird nur das erste Element der Detektoranordnung aktiviert; andernfalls werden zwei Elemente der Anordnung aktiviert: das erste Element durch das durch die erste der beiden Öffnungen eintretende Licht und ein anderes Element der Anordnung durch das durch die zweite Öffnung eintretende Licht. Der Abstand auf der Anordnung, in dem das zweite Element aktiviert wird, ist umgekehrt proportional zur Entfernung des Zielobjekts. Die Sicherheit, daß die beiden Sichtlinien jederzeit auf den gleichen Bild punkt gerichtet sind, wird erreicht durch das Beleuchten dieses Bildpunktes mit einem Laserstrahl, der durch einen der beiden Kanäle läuft. Intensität und Spektraleigenschaft des Beleuchtungsstrahls erlauben seine Unterscheidung von natürlicher Beleuchtung.
Der oben beschriebene optische Abtast-Entfernungsmesser kann auf vielfältige Weise ausgestaltet werden. Die beiden Sichtlinien können mittels eines Paares von flachen, oszilierenden Spiegel abgetastet werden, wie in Fig. 1 vorgeschlagen. Alternativ können diese beiden Spiegel fest sein und das innere Paar kann um eine gemeinsame Achse gedreht werden. In einer Weiterführung können die inneren Spiegel entsprechend Fig. 1 Polygone sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung des optischen Abtast-Entfernungsmessers wird eine rotierende Abtastscheibe kombiniert mit einem konischen Bandspiegel sowie bildformenden optischen Systemen. Ein solcher Scanner weist eine 100%ige Abtasteffizienz und hohes Geschwindigkeits-Potential auf, arbeitet mit Projektionsoptiken und kann in kompakter Form gebaut werden. Die Spiegeloberflächen des optischen Abtasters können einen integralen Bestandteil des Gehäuses des optischen Abtast-Entfernungsmessers bilden und der Abtastscheiben-Antrieb kann mit dem Antrieb des senkrechten Abtastspiegels kombiniert werden. Zusammen mit der Steuerelektronik für die Detektor- Anordnung kann die Signalverarbeitung für den Schwellenwert, die zentrale Anordnung und die Zurückweisung von Fehlersignalen dienen.
Mit dem optischen Abtast-Entfernungsmesser nach der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt mit geringen Abmessungen, niedrigen Kosten, schneller Verfügbarkeit der Komponenten, überlegener Sicherheit, großer Anwendungsbreite und überlegener Datenzuverlässigkeit. Der optische Abtast-Entfernungsmesser kann sowohl in Fahrzeugen zur Vermeidung von Zusammenstößen verwendet werden als auch zur Verkehrsüberwachung und in der Roboter-Technik.

KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Die beigefügten Abbildungen stellen vorzugsweise Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Grundlagen der Erfindung.
Abb. 1 ist eine schematische Darstellung der Arbeitsweise der Grundausführung des optischen Abtast-Entfernungsmessers nach der Erfindung.
Abb. 2 ist eine seitliche Darstellung im Schnitt des optischen Abtast-Entfernungsmessers.
Abb. 3 ist eine Draufsicht auf die untere Ebene des optischen Abtast-Entfernungsmessers von Abb. 2.
Abb. 4 ist eine Draufsicht auf die obere Ebene des optischen Abtast-Entfernungsmessers von Abb. 2.
Abb. 5 ist eine schematische Darstellung der Strahlenbündel des optischen Abtast- Entfernungsmessers von Abb. 4.
Abb. 6 ist eine perspektivischschematische Darstellung des CVROS optischen Abtasters.
Abb. 7 ist eine schematische Darstellung konventioneller Entfernungs-Meßverfahren zur Zielobjekterfassung.
Abb. 8 ist eine schematische Darstellung konventioneller Entfernungs-Meßverfahren zur Zielobjekterfassung eines außerhalb der Achse liegenden Zielobjektes.
Abb. 9 ist eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Winkelauflösung nach konventionellen Entfernungs-Meßverfahren.
Abb. 10 ist eine schematische Darstellung zum Bestimmen der Detektorabmessungen nach konventionellen Entfernungs-Meßverfahren.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Abb. 1 zeigt in schematischer Form die Grundlagen der Arbeitsweise der Grundausführung des optischen Abtast-Entfernungsmessers der Erfindung. Zwei Sichtlinien werden gleichzeitig in exakter Übereinstimmung miteinander mittels zweier synchroner oszilierender Spiegel abgetastet. Die Sichtlinien sind getrennt durch den Abstand W, wie dargestellt, um einen Parallax-Winkel δ für jedes weniger als unendlich entfernte Zielobjekt zu erzeugen. Je näher das Zielobjekt, desto größer der Winkel δ. Das durch beide Kanäle einfallende Licht wird auf eine Linse gerichtet, die ein Abbild des Bildpunktes erzeugt, der auf den Sichtlinien liegt. Bei weit entfernten Zielobjekten ist der Bildpunkt auf beiden Sichtlinien identisch und das erste Detektorelement einer linearen Detektoranordnung wird gleichzeitig durch das Licht beider Kanäle aktiviert. Bei einem nahen Zielobjekt werden die Detektorelemente unterschiedlich aktiviert und dieser Unterschied ist umgekehrt pro portional zur Entfernung. Um den auf der Sichtlinien befindlichen Bildpunkt zu isolieren und zur differenzieren, wird dieser mittels eines schmalen Lichtstrahls beleuchtet, der gleichzeitig mit dem Abtastvorgang, z. B. dem oben beschriebenen Lichtsammelvorgang, von einem der beiden Kanäle übertragen wird. Durch jede jeden einzelnen Bildpunkt einer Szene nacheinander ansprechende Sichtlinie braucht die Detektor-Anordnung nur so groß zu sein, um das durch die Parallaxe erzeugte Gesichtsfeld zu erfassen. Folglich wird die Gesamtgröße der Anordnung durch die dem am nächsten liegenden Zielobjekt erzeugte Parallaxe bestimmt und ist somit vollkommen unabhängig vom abgetasteten Gesichtsfeld.
Die Gesamtgröße der Detektor-Anordnung ist gegeben durch
Dscan = f tan δmax = 750 tan 2º = 26.2 mm
und die Gesamtzahl der Elemente in der Detektor-Anordnung, N, ist gegeben durch
N = Dscan / d = 26.2/0.015 = 1.474 Elemente.
Es muß in Betracht gezogen werden, daß sowohl Größe als auch Anzahl der Elemente durch bekannte Verfahren nach dem Stand der Technik bestimmt werden können.
Die Abb. 2 bis 5 zeigen, wie der optische Abtast-Entfernungsmesser durch den kompakten, optischen Videobildfrequenz-Abtaster (CVROS) ergänzt werden kann. Diese Vorrichtung ist in US-A-4,538,181 beschrieben. Die Abb. 6, eine perspektivischschematische Darstellung einer allgemeinen Ausführung eines CVROS Abtasters, dient zum besseren Verständnis der Erfindung. In dieser schematischen Darstellung ist der Sammelspiegel 30b durch die Linse 31 ersetzt und die Feldlinse 42 und die Übertragungsoptik 44 sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Diese Bestandteile der Vorrichtung werden nachstehend im Detail besprochen.
Die CVROS Ausführung des optischen Abtast-Entfernungsmessers weist alle oben beschriebenen Bestandteile der Grundausführung der Vorrichtung auf. Ein Laserstrahl wird aus dem Abtaster durch einen der Kanäle geleitet und beleuchtet jeden Bildpunkt im Gesichtsfeld nacheinander. Das von jedem der Bildpunkte reflektiert Licht wir von zwei "Lesekanälen", a und b, erfaßt.
In den Abb. 2 bis 4 wird ein Laserstrahl vom optischen Abtast-Entfernungsmesser wie folgt übertragen. Eine Laserdiode 10 oder eine andere intensive Strahlungsquelle sendet einen Lichtstrahl aus, der durch die Laserausgangsoptik 12 geformt und auf den Laser- Richtspiegel 14 gerichtet wird. Das kollimierte Licht wird vom Laser-Richtspiegel 14 auf die Vertiefung 18 der Abtastscheibe 20 in einem ringförmigen Bereich gerichtet, der gleich der Projektion der Öffnung der Laser-Richtspiegels 14 auf die Abtastscheibe ist. Das von der Vertiefung 18 reflektierte Licht wird in einem großen Einfallswinkel auf den Bandspiegel 22a fokussiert.
Der vom Bandspiegel 22a reflektierte Lichtstrahl divergiert und fällt auf den ersten Spiegel 24a, von dem er reflektiert und kollimiert wird. Das kollimierte Licht gelangt dann auf den doppelseitigen Spiegel 26, wo es eine Richtungsänderung um 90º erfährt und nun auf den Faltspiegel 28a fällt (Abb. 3). Vom Faltspiegel 28a wird der Laserstrahl reflektiert und erreicht das Zielobjekt.
Das Licht vom Zielobjekt gelangt gleichzeitig in den rechten und linken Lesekanal und wird von den Faltspiegeln 28a und 28b (Fig. 3) um 90º umgelenkt. Der doppelseitige Spiegel 26 lenkt das Licht jedes der beiden Lese-Kanäle um 90º ab und ermöglich es so dem CVROS-Abtaster, zwei Gesichtsfelder gleichzeitig mit hohem Wirkungsgrad abzutasten.
Das von der einen Seite des Doppelspiegels 26 reflektierte Licht trifft auf den Primärspiegel 24a für den rechten Lesekanal, während das von der anderen Seite des Doppelspiegels 26 reflektierte Licht auf den Primärspiegel 24b für den linken Lesekanal trifft. Für jeden Lesekanal wird das Licht von den Primärspiegels 24a und 24b auf die Bandspiegel 22a und 22b fokussiert.
Die Bandspiegel 22a und 22b sind dünne, ca. 1 mm dicke Abschnitte eines reflektierenden 45º Halbrechtswinkels eines kreisförmigen Kegels. So reflektieren sie die auf ihre Oberflächen unter 90º fokussierten Lichtstrahlbündel, worauf das Licht von den konkaven Reflektoren oder Vertiefungen 18 auf der Oberfläche der Abtastscheibe 20 aufgefangen wird.
Die Vertiefungen 18 weisen Brennweiten auf, die die einfallenden Lichtstrahlbündel kollimiert reflektieren. Das kollimierte Licht wird von den Sammelspiegeln 30a und 30b aufgefangen und auf die Bildebene 36 (Fig. 4) fokussiert, nachdem es von den Faltspiegeln 32a und 32b und dem Kombinationsspiegel 34 reflektiert wurde. Dieses Bild besteht aus dem von den beiden Lesekanälen erzeugten Bild und wird auf die entsprechenden CCD- Detektor-Anordnungen 40a und 40b über die Feldlinse 42 und die Übertragungsoptik 44 geleitet. Letztere sind ein Mehrelement-Flachfeld Anasigmat, wie beispielsweise ein Cooke Triplet oder Tessar. Der Faltspiegel 28a dient zum Reflektieren der Lichtstrahlen um 90º auf die Detektor-Anordnung.
Bei dem dargestellten optischen Abtast-Entfernungsmesser erfolgt das vertikale Abtasten durch Drehen der vertikalen Abtastspiegel 46a und 46b um die Achse 48. Nach der Reflexion vom festen Spiegel 50 (Abb. 3) wird die Sichtlinie wieder in ihre ursprüngliche Richtung gebracht. Das vertikale Abtasten kann auch ohne die vertikalen Abtastspiegel 46a und 46b und den festen Spiegel 50 durchgeführt werden, indem die komplette Einheit, d. h. das Gehäuse 52, durch den gewünschten Winkel gedreht wird. Die Fenster 54a, 54b und SS stellen eine hermetische Abdichtung zwischen der Außenwelt und dem trockenen, von Verunreinigungen freien Innenraum dar. Die vertikalen Abtastspiegel 46a und 46b werden vom vertikalen Antriebsmotor 56 (Abb. 3) und die Abtastscheibe 20 wird vom Abtastscheiben-Antriebsmotor 58 (Abb. 2) angetrieben.
Die Steuerelektronik für die Antriebsmotoren 56 und 58, die Zeitschaltung und die Vorrichtung zur Verarbeitung der Detektor-Signale sind im Bereich 62 (Fig. 4) untergebracht, der die geeigneten gedruckten Schaltplatinen und elektronischen Bauteile enthält. Positions-Kodiereinrichtungen für die vertikalen Spiegel 46a und 46b und die Abtastscheibe 20 bilden mit den Antriebsmotoren 56 und 58 eine Einheit. Elektrische Eingangsstromversorgung und Video-Ausgangsdaten werden mittels elektrischer und/oder direkter Drahtverbindungen übermittelt, welche je nach Anwendungsbiet in geeigneter Weise untergebracht sind. Der Laser 10 ist im Lasermodul 64 untergebracht, welches Rippen zur Ableitung der beim Betrieb des Lasers entstehenden Hitze aufweist und wärmeleitend mit dem Hauptgehäuse des optischen Abtast-Entfernungsmessers verbunden ist.
Nachstehend sind die einzelnen, bevorzugten optischen Bauteile zum Herstellen des optischen Abtast-Entfernungsmessers nach der Erfindung aufgeführt:
Die einzelnen optischen Spezifikationen für den hier beschriebenen optischen Abtast- Entfernungsmesser sind wie folgt:
(1) Afokale Vergrößerung, Primärspiegel und Vertiefung auf der Abtastscheibe:
Mafoc = Vergrößerung = Primärspiegel EFL/Vertiefung EFL
wenn EFL die äquivalente Brennweite ist.
Dann ist
Mafoc = 19.05 mm/12.7 mm = 1.5
(2) Brennweite der Vorrichtung, fsys:
fsys = (Mafoc)(fcol)(Mrelay)
wenn fcol die äquivalente Brennweite des Sammelspiegels ist und Mrelay die Vergrößerung der Übertragungslinse 44. Dann ist
fsys = (1.5)(90 mm)(5.555) = 750 mm
(3) Eingangspupille - Die Eingangspupille ist die Sektor-förmige Projektion einer Abtastscheiben-Vertiefung. Die Eingangspupille wird über die Größe der Vertiefung vergrößert nach dem afokalen Vergrößerungsfaktor.
Fläche der Vertiefung = Adimple = 36º/260º (π(27)² - π(10)²) = Adimple = 197.6 mm²
entsprechender Kreisdurchmesser = Dequiv = 4/π A = 15.86 mm
Entsprechender Eingangspupillen-Durchmesser = 23.8 mm.
Das Gehäuse des optischen Abtast-Entfernungsmessers besteht aus zwei Teilen: einem Hauptgehäuse und einer Abdeckplatte. Das Hauptgehäuse liefert die strukturelle Festigkeit, um so die Ausrichtung der optischen Bauteile sicherzustellen und als solches kann man es als eine optische Bank bezeichnen. Materialwahl und Bauteil-Design werden so ausgesucht, daß weder eine Verformung noch eine Lageänderung der optischen Bauteile innerhalb des Gehäuses eintreten können.
Das Hauptgehäuse kann entweder ein bearbeitetes Gußteil oder ein Spritzgußteil sein. In beiden Fällen sollten die für die Montage der optischen Bauteile erforderlichen Flächen vorzugsweise integrale Bestandteile des Gehäuses sein, so daß die Ausrichtung der Komponenten automatisch bei deren Einbau in das Gehäuse.
Ist das Gehäuse im Spritzguß-Verfahren hergestellt, können optisch qualitative Oberflächen hergestellt werden, und Komponenten wie die Faltspiegel 28a, 28b, 32a, 32b und die Primärspiegel 24a und 24b können als integrale Bestandteile des Hauptgehäuses ausgeführt werden, wodurch die Kosten und die Zeit für den Zusammenbau reduziert werden. In diesem Fall wird das Hauptgehäuse so bearbeitet, daß die Spiegelflächen mit einer re flektierenden Schicht versehen werden. Bei Anwendungen, bei denen extrem niedrige Kosten nicht vorgegeben sind, können die Spiegel Diamant-geschliffen und dann in das Gehäuse oder die Abdeckplatte integriert werden.
Die Montageflächen für die Streifenspiegel 22a und 22b und den Antriebsmotor für die Abtastscheibe können auch als integrale Bestandteile des Gehäuses ausgebildet sein. Die Bandspiegel können entweder als voller Ring oder als Bogensegmente eines Ringes ausreichender Spannweite ausgebildet sein, um das Gesichtsfeld zu überdecken, ohne die passierenden Strahlenbündel zu blockieren, wie in Abb. 5 dargestellt.
Das Gehäuse ist in der Tat eine optische Bank mit zwei Ebenen, wobei die eine Ebene durch die Bandspiegel 22a und 22b definiert ist, während die andere, darüber liegende Ebene durch die Detektor-Anordnungen 40a und 40b, die Übertragungslinse 44 und die Spiegel 32a, 32b und 34 definiert ist. Die Bauteile und ihre Montageflächen weisen Toleranzen auf, um die optische Achse immer in der richtigen Lage zu halten, außer während des Übergangs zwischen den Ebenen. Der Übergang zwischen den Ebenen erfolgt mittels der Spiegel 30a, 30b, 32a und 32b. Der doppelseitige Spiegel 26 wird mittels einer Rille fixiert, die einen integralen Bestandteile des Gehäuses bildet oder in dieses gefräst wurde. Der doppelseitige Spiegel seinerseits kann als Halterung für die Bandspiegel dienen.
Die vertikalen Abtastspiegel 46a und 46b sind an beiden Enden in herkömmmlichen Buchsen oder Rollenlagern gelagert. Die vertikalen Abtastspiegel 46a und 46b werden vom zentral angeordneten Motor 56 angetrieben, wie in Abb. 3 gezeigt, oder indirekt über einen Bandantrieb, wobei dann der Motor an einer anderen Stelle untergebracht ist. Alternativ können die vertikalen Abtastspiegel mechanisch mit der Abtastscheibe über ein Getriebe verbunden sein, was die Verwendung nur eines einzigen Antriebsmotors erlaubt.
Mittels eines O-Rings oder dergleichen zwischen dem Hauptgehäuse und der Abdeckplatte ist der optische Abtast-Entfernungsmesser abgedichtet. Die Fenster 54a, 54b und 55 sind mit einem geeigneten Zement auf Elastomerbasis an den dafür vorgesehenen Stellen eingekapselt.
Es versteht sich von selbst, daß die Gesamtabmessungen des optischen Abtast-Entfernungsmessers vom geforderten Auflösungsvermögen und dem Gesichtsfeld abhängen. Je höher das geforderte Auflösungsvermögen, umso größer die physikalischen Abmessungen, da der Abstand zwischen den beiden Beobachtungspunkten die Auflösung bestimmt. Je größer das horizontale Gesichtsfeld, umso größer werden auch hier die physikalischen Abmessungen, da das Gesichtsfeld weitgehend die Größe des Strahlen-Faltspiegels bestimmt, welche ihrerseits die Breite der Vorrichtung festlegt. Ferner bestimmt auch die Größe der Eingangspupille die Größe der Vorrichtung, insbesondere ihre Höhe.
Abb. 5 stellt die von einem Zielobjekt reflektierten Lichtbündel für den rechten und den linken Lesekanal dar und wie diese Lichtbündel die Abmessungen der Vorrichtung diktieren. In dieser Darstellung sind ein Gesichtsfeld von 30º und ein Strahlenbündel von 20 mm gezeigt.
Für die physikalischen Abmessungen des hier beschriebenen optischen Abtast-Entfernungsmessers gelten die folgenden Grenzwerte:
Breite - 185 mm
Länge - 125 mm
Höhe - 55 mm
horizontales Gesichtsfeld - 30º
vertikales Gesichtsfeld - 6º
Eingangspupille - 23.8 mm
Die Hauptfunktionen der Elektronik des optischen Abtast-Entfernungsmessers sind a) Antrieb der vertikalen Abtastspiegel 46a und 46b und der Abtastscheibe 20, so daß die optische Gesichtslinie des optischen Abtast-Entfernungsmessers synchron mit der erforderlichen Geschwindigkeit über das horizontale und das vertikale Gesichtsfeld streicht; Liefern der erforderlichen Eingangsleistung und Taktgebersignale für die Detektor-Anordnung; c) Durchführen der Signalverarbeitung der Ausgangssignale von der Detektor-Anordnung einschließlich der Kontrolle des Lichtschwerpunkts auf der Detektor-Anordnung und Einstellen des Schwellenwertes; d) Formatieren des Ausgangs der Detektor-Anordnung in eine für den Eingang in eine Bildverarbeitung geeignete Form. Falls erforderlich, kann eine separate, getrennte Elektronik zur Stromversorgung und Modulation des Lasers verwendet werden.
Die Antriebselektronik hält die Geschwindigkeit der Abtastscheibe mittels eines geschlossenen Schaltkreises konstant, in welchem die Rückkopplungsdaten über die Position der Abtastscheibe ständig an die Motor-Antriebselektronik übermittelt werden. Die Positionsdaten können über einen optischen Encoder gesammelt werden, der entweder auf der Welle des Abtastscheiben-Antriebs oder auf der Rückseite der Abtastscheibe selbst angebracht ist. Eine ähnliche Schaltungsanordnung kann für die vertikalen Abtastspiegel ver wendet werden; allerdings erzeugt der Motor für die vertikalen Abtastspiegel eine oszillierende anstelle einer kontinuierlich kreisförmigen Bewegung. Daher können hierfür unterschiedliche Antriebsformen benutzt werden, wie beispielsweise ein Motor mit begrenztem Winkel, auch "Sektoren-Motor" genannt. Es kann auch ein kontinuierlicher Antrieb mit einem Nockenmechanismus verwendet werden, um die oszillierende Bewegung der vertikalen Abtastspiegel zu erzeugen.
Die Spezifikationen für den Abtastvorgang mit dem hier beschriebenen optischen Abtast-Entfernungsmesser sind wie folgt:
- Bildzeit - 0.1 Sekunde
- Zeilen pro Bild - 12
- Bildpunktgröße - 0.5º · 0.5º
- vertikales Gesichtsfeld - 6.0º
- Abtastzeit pro Zeile - 0.1/12 = 0.00833 Sek.
- horizontales Gesichtsfeld - 30º
- Bildpunkte pro Zeile - 60
- Abtastzeit pro Bildpunkt - 0.00833/60 = 0.000139 Sek.
- Vertiefungen pro Abtastscheibe - 10
- Zeit pro Umdrehung der Abtastscheibe - 10 · 0.00833 = 0.0833 Sek.
- Geschwindigkeit d. Abtastscheibe - 1/0.0833 = 12 U/Sek. = 720 U/Min.
- Motorgeschwindigkeit für die Abtastscheibe - 720 U/Min.
- Geschwindigkeit d. vertikalen Abtastspiegels (Motor in einer Richtung mit Nocke) Bilddauer = 1/Bildzeit = 1/0.1 Sek. = 10/Sek., daher ist die
- Motorgeschwindigkeit - 600 U/Min.
Es sollte festgestellt werden, daß der geringe Unterschied zwischen der Motorgeschwindigkeit des Abtastscheiben- und des vertikalen Abtastspiegel-Antriebs es nahelegt, die angenommenen Systemparameter so einzustellen, daß die beiden Geschwindigkeiten identisch sind. Es ist dann möglich, eine auf der Welle des vertikalen Abtastspiegels angeordnete Nocke über die Abtastscheibe direkt anzutreiben. Da der separate Motor für den vertikalen Abtastspiegels entfällt, reduzieren sich die Kosten.
Alle Operationen des optischen Abtast-Entfernungsmessers werden von einem zentralen Taktgeber gesteuert, der fortlaufend Impulse hoher Frequenz im Megahertz (Mhz) aussendet. Die Abtastscheibe und der vertikale Abtastspiegel sind synchronisiert, um ein fortlaufendes Abtastraster mit einer bestimmten Abtastgeschwindigkeit zu liefern. Die Detektor-Anordnung wird bei jedem Bildpunkt im Abtastraster gelesen, um die jweilige Entfernung für diesen Bildpunkt zu bestimmen. Dieser Vorgang kann über den zentralen Taktgeber mittels dessen Taktimpulsen synchronisiert werden; diese dienen dazu, die elektronischen Daten von einer Zelle einer CCD Anordnung zur nächsten zu übermitteln. Auf diese Weise können jederzeit die Seiten- und Höhenkoordinaten des Abtast-Laserstrahls bestimmt werden, ebenso wie die Entfernung des Bildpunktes mit diesen Koordinaten.
Die CCD Taktgeber/Ablese-Frequenzen können wie folgt bestimmt werden: Zeit zum Ablesen eines Bildpunktes = Abtastzeit für einen Bildpunkt = 0.000139 Sekunden. Geht man von einer CCD-Anordnung mit 1750 Bildelementen aus, dann beträgt die Zeit zum Ablesen einer Zelle der Anordnung, tCCD
tCCD = 0.000139/1750 = 7.94 · 10&supmin;&sup8; Sek.
was einer Ablesefrequenz von 12.6 MHz entspricht.
Berücksichtigt man die Tatsache, daß der Abtast-Wirkungsgrad der vertikalen und horizontalen Abtastung nicht bei 100% liegt, sondern eher bei 90% bzw. 80%, sind die tatsächlichen Ablesefrequenzen entsprechend schneller:
Ablesefrequenz der CCD-Vorrichtung = 12.6/(0.9 · 0.8) = 17.5 MHz.
Diese Frequenz liegt innerhalb der Leistungsfähigkeit handelsüblicher CCD-Vorrichtungen.
Ein Teil der Signalverarbeitung kann mittels elektronischer Schaltkreise erfolgen, die entweder auf einem Halbleiter-Chip untergebracht sind, der die CCD-Detektor-Anordnung enthält oder in einem anderen Bereich außerhalb der Brennebene. Solche Schaltkreise sind beschrieben in Dalsa, Inc., Waterloo, Ontario, Canada, 1992 Handbuch "CCD Image Sensors And Cameras". Bestimmte signalverarbeitende Funktionen, wie z. B. die Schwellenwert-Ermittlung, können auf dem Chip der Detektor-Anordnung untergebracht sein. In diesem Fall werden Signale unterhalb eines bestimmten Wertes automatisch aussortiert. Gleichfalls kann die Lokalisierung des Schwerpunktes realisiert werden, wobei der Schwerpunkt eines eine Vielzahl von Detektor-Elementen überspannenden Lichtpunktes auf der Detektor-Anordnung bestimmt wird. Dies erlaubt eine Auflösung, die derjenigen durch eine einzige Detektoranordnung definierte Auflösung um die Hälfte oder mehr überlegen ist. Andere, anspruchsvollere Signalverarbeitung kann mit einer Elektronik erreicht werden, die auf separaten, nur für diesen Zwecke bestimmten Halbleiterchips außerhalb der Brennebene angebracht ist. Beispielsweise können bestimmte atmosphärische Bedingungen einschließlich Nebel, Regen oder Schnee zu fehlerhaften Entfernungs-Meßdaten führen. In hierfür vorgesehenen Chips enthaltene Verarbeitungs-Algorithmen können derartige Störsignale zurückweisen und wahre Entfernungs-Meßdaten liefern.
Die von der Signalverarbeitungs-Elektronik gelieferten Ausgangsdaten müssen passend für die Eingabe in einen handelsüblichen Bildprozessor formatiert werden. Die Formatierungs-Elektronik ermöglicht Synchronisierungs-Marken in der Videodatenfolge, um die Startlinie und das Startabbild zu markieren. Diese Markierungen lesen den Bild-Prozessor, um einen Datenstrom zu erhalten, der Entfernungsdaten als Funktion der Zeit und, folglich, als Funktion der Koordinaten im Objektraum liefert.
Wie oben beschrieben, beleuchtet der vom optischen Abtast-Entfernungsmesser ausgehende Laserstrahl ein Zielobjekt im Objektraum, und im Anschluß daran wird der Lichtpunkt auf dem Zielobjekt gleichzeitig von zwei Detektoren erfaßt. Das vom Detektor 40a erfaßte Licht tritt durch das Fenster 54a in die Abtastvorrichtung ein und wird optisch auf die Detektor-Anordnung 40b gelenkt, während das vom Detektor 40b erfaßte Licht durch das Fenster 54b in die Abtastvorrichtung eintritt und optisch auf die Detektor-Anordnung 40a gelenkt wird mittels einer separaten Übertragungsvorrichtung, die identisch ist mit der für die Detektor-Anordnung 40b verwendeten Vorrichtung.
Die Buchstaben A, B und C in Abb. 4 illustrieren den Weg individueller Lichtstrahlen in der oberen Ebene des optischen Abtast-Entfernungsmessers.
Das auf die Detektor-Anordnung 40a auftreffende Licht variiert nur in seiner Intensität, nicht aber in seiner Position, weil das durch diesen Lesekanal in den Scanner zurück reflektierte Licht dem gleichen Weg folgt wie der Laserstrahl, der von diesem Lesekanal ausgeht. Beide Strahlen, der übertragene Laserstrahl und der reflektierte Strahl, sind zwangsläufig stets in Übereinstimmung, da sie den gleichen Lesekanal benutzen und deshalb gleichzeitig abgetastet werden.
Das auf die Detektor-Anordnung 40b auftreffende Licht variiert sowohl in seiner Intensität als auch in seinem Auftreffpunkt entlang der Detektor-Anordnung. Bei einem weit entfernten Zielobjekt wird das erste Element der Detektor-Anordnung, das der optischen Achse am nächsten ist, aktiviert. Bei einem nahen Zielobjekt wird eines der anderen, nicht aber das erste Detektor-Element aktiviert. Je näher das Zielobjekt, desto weiter entfernt vom ersten Element der Detektor-Anordnung befindet sich das aktivierte Element.
Das ist so, weil nahe, vom Laser beleuchtete Zielobjekte, durch diesen Lesekanal gesehen, eine Winkelabweichung im Bezug auf die Richtung der Sichtlinien und die beiden Lesekanäle erzeugen.
Detektor 40b ist ein Einzelelement-Detektor, der die gleiche Größe und die gleichen photoelektrischen Eigenschaften aufweist wie die Photoelemente in der Detektor-Anordnung 40a. Detektor 40a gleicht in der Regel dem im oben erwähnten Delsa Handbuch beschriebenen. Kurz gesagt weist diese Vorrichtung eine lineare Anordnung lichtempfindlicher Dioden auf, kombiniert mit einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD). Die einzelnen Dioden messen ungefähr 0.015 mm² und auf der Detektor-Anordnung befinden sich ca. 1750 Dioden. Die Länge der Detektor-Anordnung beträgt etwa 26 mm.
Die CCD-Vorrichtung überträgt die von der Photodiode erzeugten Elektronen auf ein CCD Schieberegister zur Ausgabe durch ein Transfer-Tor. Die sich vorübergehend im Schieberegister befindlichen Signalpakete werden als Signaldatenstrom mittels einer Serie von Zeitpulsen im Zeittakt ausgegeben. Hierbei handelt es sich üblicherweise um einen Hochgeschwindigkeitsvorgang mit einer Rate von 17.5 MHz.
Die Kontrolle der Belichtung zur Vermeidung des von intensiven Eingangslichtsignalen verursachten Blühens und zum Erzeugen von Schwellenwerten kann durch geeignete Steuerspannungen an den entsprechenden Eingängen der Vorrichtung erreicht werden.
Es sollte in Betracht gezogen werden, daß die Grunderfordernisse an den optischen Abtast-Entfernungsmesser darin bestehen, daß dieser hochempfindlich für Lichtsignale geringer Intensität ist; daß die einzelnen Photoelemente klein sind; und daß die Vorrichtung schnell genug ist, um die Signale im Zeittakt über einen großen Bereich von Detektorelementen auszugeben. Der optische Abtast-Entfernungsmesser erfüllt diese Bedingungen, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichtes möglichst nahe der Wellenlänge der spektralen Höchstempfindlichkeit der Photodiode ist. Dies ist der Fall, wenn das einfallende Licht von einer Laserdiode vom Typ GaAlAs stammt, die Licht in einer nominalen Wellenlänge von 0.810 nm aussendet, und wenn das lichtempfindliche Material der Photodiode Silizium ist, wie bei der hierin beschriebenen Vorrichtung.
Die Photodiode/CCD Detektor-Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß sie zusätzliche elektronische Funktionen ausführt, die normalerweise von einer separaten zusätzlichen elektronischen Einheit übernommen werden. Diese schließen Orten der Position des Lichtpunktes auf der Detektor-Anordnung und die dynamische Entfernungssteuerung, wie oben beschrieben, ein.
Während die beschriebene Detektor-Anordnung quadratische Detektor-Elemente gleichmäßiger Größe verteilt über die Länge der Detektor-Anordnung aufweist, kann es vorteilhaft ein, von dieser Konfiguration abzuweichen, um entweder die Leistung zu verbessern oder die Herstellungskosten zu reduzieren. Ist beispielsweise der übertragene Laserstrahl nicht kreisförmig, sondern elliptisch, hat der beleuchtete Punkt auf dem Zielobjekt auch diese gleiche Form. Entsprechend wird das Abbild des Zielobjektpunktes auf dem Detektor ebenfalls diese Form haben. Dann sollte das Detektor-Element anstelle einer quadratischen eine rechteckige Form haben, um alles Licht des Abbildes zu erfassen. Die Länge der rechteckigen Detektor-Elemente sollte dann im rechten Winkel zur Länge der Anordnung ausgerichtet sein, weil die Längsdimension des Strahls vertikal ausgerichtet sein sollte.
Weiterhin ist bei Zielobjekten in geringer Entfernung die kleine Größe der Detektor- Elemente, wie sie für die hohe Auflösung bei weit entfernten Zielobjekten erforderlich ist, nicht notwendig. Die Größe der Detektor-Elemente kann dann mit zunehmendem Abstand vom ersten Detektor-Element fortschreitend in ihrer Breite zunehmen. Die spektrale Empfindlichkeit der Detektor-Elemente kann durch Aufbringen einer geeigneten Beschichtung aus mehreren Lagen auf die Detektor-Elemente so verändert werden, daß sie selektiv auf die Wellenlänge des Lasers reagieren.
Eine Laser-Diode stellt die bevorzugte Strahlungsquelle dar zur Beleuchtung des Zielobjektes, weil damit eine bessere Bestrahlungsstärke des Zielobjektes erreicht werden kann als im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen. Wegen ihrer geringen Größe wird eine Laserdiode einem Gaslaser vorgezogen. Laserdioden gibt es in der Standard TO-3 Ausführung, wie sie für Festkörper-Elektronik verwendet werden, während Gaslaser vergleichbarer Leistung um mindestens eine Größenordnung im Bezug auf Volumen und Gewicht höher liegen würden. Der Laser-Antrieb kann von einer außerhalb des optischen Abstands-Entfernungsmessers liegenden Energiequelle erfolgen.
Es können entweder kontinuierliche oder gepulste Laserdioden verwendet werden. Es gibt sie mit ausgewählten Wellenlängen, die vom sichtbaren bis einschließlich zum Spektrum nahe IR reichen. In der Regel gibt es sie als GaAlAs-Laser im Spektralbereich von 780 bis 870 nm. GaAs-Laser gibt es im Spektralbereich von 910 bis 980 nm. Im sichtbaren Bereich arbeiten AlGaInP-Vorrichtungen, und seit kurzem gibt es GaInAsSb-Vorrichtungen, die Licht im mittleren Infrarot-Bereich von 1700 bis 5000 nm aussenden.
Ein GaAlAs-Laser ist gut geeignet in Verbindung mit Silizium-Detektoren, weil seine Wellenlänge nahe der maximalen Spektralempfindlichkeit des Detektors ist. Beide sind allgemein erhältlich. Laserstrahlen im Bereich von 780-870 nm sind jedoch für das menschliche Auge potentiell gefährlich, ebenso wie diejenigen im sichtbaren Bereich von 400-700 nm. Bei Wellenlängen über 1500 nm wird die Strahlung von der Hornhaut, der Linse und der Glaskörper-Flüssigkeit absorbiert und schädigt deshalb das Auge selbst bei hoher Strahlung nicht durch Fokussierung auf der Netzhaut. Das ist die bevorzugte Wellenlänge, bei der der Laserstrahl eine Intensität erreich, die das Auge schädigen könnte.
Die Gefahr einer Augenschädigung kann auch reduziert werden durch Einbau einer Diode mit geringer Energie und für die Augen unschädlichem sichtbaren Licht in den Laser-Übertragungskanal, wodurch der Betrachter vor potentiellen Augenschädigungen gewarnt wird, wenn er sich dem Laserstrahl für einen längeren Zeitraum aus großer Nähe aussetzt. Das kann durch Einfügen des Strahles von der LED in den Laserstrahl mittels eines dichroitischen Strahlenteilers geschehen.
Laserdioden emittieren in der Regel einen Strahlenfächer von 10º · 30º. Wird dieser kollimiert, ergibt das einen Strahl mit elliptischem Durchmesser und einem Öffnungsverhältnis von 3 : 1. In vielen Anwendungsbereichen wird dies durch den Einsatz einer den Strahl formenden Optik geändert. Für einen CVROS Abtaster ist jedoch ein Strahl mit elliptischem Durchmesser und einem Öffnungsverhältnis von 3 : 1 sehr gut zur Beleuchtung der Vertiefungen in der Abtastscheibe geeignet.
Es sollte in Betracht gezogen werden, daß der Hauptzweck des optischen Abtast-Entfernungsmessers darin besteht, ein bestimmtes Gesichtsfeld Bildpunkt für Bildpunkt abzutasten, und den Abstand für jeden Bildpunkt zu bestimmen. Diese Funktion dient im Idealfall zum Erfassen einer Vielzahl von Zielobjekten wie Fahrzeuge aller Arten und Typen, Fußgänger, Tiere, Verkehrszeichen und andere Objekte auf der Straße bei der Verwendung in einer Vorrichtung zum Vermeiden von Fahrzeugzusammenstößen. Mit dem optischen Abtast-Entfernungsesser kann man dies bei sehr geringen und sehr großen Entfernungen erzielen, und bei sehr hohen Bildwechsel-Geschwindigkeiten und hohem Auflösungsvermögen der Position des Zielobjekts, sowohl im Bezug auf die seitliche Position als auch die Entfernung.
Der optische Abtast-Entfernungsmesser muß neben der Erfüllung dieser Aufgaben auch bestimmten Konstruktionsanforderungen genügen, wie zum Beispiel:
a) Geringe Größe - der optische Abtast-Entfernungsmesser muß ausreichend kompakt sein, um die äußere Form des Fahrzeugs nicht negativ zu beeinflussen und auch, um bei eingeschränktem Platzangebot angebracht werden zu können;
b) Geringe Kosten - der optische Abtast-Entfernungsesser muß einfach herzustellen sein. Die Bauteile müssen preiswert sein, um es dem Kunden zu ermöglichen, die zusätzlichen Kosten für dieses Gerät zur Vermeidung von Fahrzeugzusammenstößen aufzubringen, das sich aus vielen und vielen unterschiedlichen Komponenten zusammensetzt. Dazu gehören optische Einrichtungen, Antriebe, elektronische Schaltkreise, Detektoren, ein Laser und verschiedene mechanische Bauteile.
c) Verfügbarkeit der Bauteile - Die Bauteile des optischen Abtast-Entfernungmessers müssen preisgünstig und kurzfristig herzustellen sein. Die Fertigungsanlagen und die Vorrichtungen zur preisgünstigen Produktion müssen bereits vorhanden sein und nicht erst noch entwickelt werden;
d) Sicherheit - der optische Abtast-Entfernungmesser darf kein Hindernis oder Ärgernis für Fußgänger, Fahrzeugführer, Lebewesen oder Eigentum im allgemeinen darstellen;
e) Breiter Anwendungsbereich - der optische Abtast-Entfernungmesser muß Mindest- Gebrauchstandards genügen, unabhängig vom Wetter und atmosphärischen Bedingungen;
f) Zuverlässigkeit - falscher Alarm muß selten sein, um das Vertrauen des Fahrzeugführers zu erhalten, und kritische Informationen müssen rechtzeitig gegeben werden ohne die häufig auftretenden falschen Angaben.
Die oben beschriebenen Ziele und Konstruktionsanforderungen stehen sich oft gegenseitig im Wege und erfordern deshalb bestimmte Kompromisse. So besteht beispielsweise zwischen der Größe des optischen Abtast-Entfernungmessers und der Größe seiner. Öffnung ein enger Zusammenhang. Der maximale Entfernungsmeßbereich des optischen Abtast-Entfernungmessers hängt ab von der Stärke der Strahlung, die den Detektor erreicht, welche wiederum von der Größe der Öffnung abhängt. Diese Beziehung zwischen der den Dektektor erreichenden Strahlungsenergie und der Größe der Öffnung kann wie folgt dargestellt werden:
Pdec = rη Plas D² aper T² / 4R² (4)
worin Pdec = Strahlungsenergie, die den Detektor erreicht
Plas = Strahlenenergie des Lasers
r = Reflektivität des Zielobjektes
η = Energieausnützung oder Effizienz des Lasers
Daper = Durchmesser der Scanner-Öffnung
T = Übertragungszeit des Scanners
R = Entfernung zum Zielobjekt ist.
Wird der Durchmesser der Öffnung zum Beispiel um den Faktor 2 vergrößert, vergrößert sich die den Detektor erreichende Strahlungsenergie um den Faktor 4. Die Zunahme der vom Detektor aufgenommenen Strahlungsenergie ergibt ein entsprechend größeres Verhältnis von Signal : Geräusch am Ausgang des Detektors und eine entsprechende Steigerung der Entfernungsleistung.
Damit der optische Abstands-Entfernungsmesser rechtzeitige Berechnungen über die Annäherungsgeschwindigkeit eines sich nähernden Fahrzeugs machen kann, muß der Entfernungsunterschied des Fahrzeugs zwischen zwei Abtastbildern genau bestimmt werden. Wie vorstehend gezeigt, führt der Entfernungsunterschied zu einer Differenz im Bezug auf den Beobachtungswinkel zwischen den beiden Beobachtungspunkten des Entfernungsmessers nach dem Triangulierungs-Prinzip:
dδ = W/R² dR
worin dδ = die Differenz des Beobachtungswinkels an den beiden Bobachtungspunkten;
W = der Abstand zwischen den beiden Beobachtungspunkten;
R = der Entfernungsbereich;
dR = der Entfernungsunterschied eines Zielobjekts zu zwei verschiedenen Zeiten ist.
Wenn also der Abstand zwischen den beiden Beoachtungspunkten vergrößert wird, verbessert sich die Entfernungsbereich-Auflösung.
Aus der Abb. 5 ergibt sich, daß die Gesamtbreite des optischen Abtast-Entfernungsmessers vergrößert werden muß, um weitere Gesichtsfelder zu erzielen. Der Grund hierfür ist das Auffächern des Lichtstrahles und der Abstand zwischen dem Divergenzpunkt des Lichtstrahls und den Faltspiegeln 28a und 28b - je größer der Abstand, umso größer der "Fußabdruck" des Lichtpunktes auf den Faltspiegeln - und je größer der Fußabdruck, umso größer die Spiegelabmessungen und die Gesamtgröße der Vorrichtung.
Die Gleichung (4) stellt das Verhältnis zwischen der den Detektor erreichenden Energie und der vom Laserstrahl ausgehenden Energie dar. Hierbei handelt es sich um ein direktes Verhältnis, so daß die Entfernungsleistung um den Faktor 2 zunimmt, wenn die Laserstrahl-Energie entsprechend Gleichung (4) verdoppelt wird. Das Verhältnis zwischen der Reflektivität des Zielobjekts und der den Detektor erreichenden Energie ist genau gleich. Deshalb ist für die Erfassung entfernter Zielobjekte mit geringer Reflektivität eine hohe Laserenergie erforderlich. Diese kann jedoch wegen möglichweise auftretenden Schädigungen der Augen nicht unbegrenzt erhöht werden. Stärkere Laser für höhere Leistung sind gleichfalls unerwünscht, weil sie größere Abmessungen aufweisen, mehr Energie verbrauchen, teurer sind und große Wärmeableitungsprobleme haben. Weil ungünstige atmosphärische Bedingungen die Leistung der Vorrichtung reduzieren, was aber durch höhere Laserenergie kompensiert werden kann, wird deutlich, daß für das zuverlässige Bestimmen großer Entfernungen unter allen Wetterbedingungen höhere Kosten unvermeidlich sind.
Je höher die Zahl der Bildpunkte innerhalb eines gegebenen Gesichsfeldes ist, umso genauer kann die Position eines Zielobjektes bestimmt werden. Ebenso gilt, je größer die Zahl der Bilddaten per Übertragungszeit ist, umso genauer können Geschwindigkeit und Beschleunigung des Zielobjekt bestimmt werden. Allerdings führen die größere Anzahl von Bildpunkten pro Bild und die größere Anzahl von Bildern pro Sekunde unmittelbar zu einem größeren Datenfluß von der Detektoranordnung. Dieser Datenfluß wird durch die Bandbreite der Verarbeitungselektronik begrenzt. Insbesondere müssen die Daten aus der CCD-Detektor-Anordnung während der pro Bildpunkt verfügbaren Zeit im Detektor erscheinen, die umso kürzer ist, je höher die Anzahl der Bildpunkte pro Bild und je höher die Anzahl der Bilder pro Sekunde ist.
Bei dem hier beschriebenen optischen Abtast-Entfernungsmesser beträgt die Anzahl der Bildpunkte pro Bild 720 und die Bildfrequenz 10 Bilder pro Sekunde, was ungefähr der Hälfte dessen ist, was mit der hier beschriebenen CCD-Detektor-Anordnung erreicht werden kann. Die Datenrate des erfindungsgemäß verwendeten Detektors liegt in der Größenordnung von 18 MHz. Detektoren der Zukunft werden schneller arbeiten und damit höhere Abtastgeschwindigkeiten und höhere Bildpunktzahlen ermöglichen.
Eine vollständige Vorrichtung zur Vermeidung von Fahrzeug-Zusammenstößen enthält den erfindungsgemäßen optischen Abtast-Entfernungsmesser, einen Bildprozessor, eine Steuerung, ein Display für die hörbare oder sichtbare Darstellung der Information für den Fahrer und eine Vorrichtung zum Aktivieren der Bremsen. Davon braucht nur der optische Abtast-Entfernungsmesser an einer strategisch geeigneten Stelle im Fahrzeug angebracht zu sein, um seine optimale Funktion zu gewährleisten. Der optische Abtast-Entfernungsmesser muß sich in der Mittellinie des Fahrzeugs befinden. Er kann außen am Kühlergrill oder der Motorhaube befestigt sein oder innen auf dem Armaturenbrett oder im Bereich des Rückspiegels unterhalb des Daches, mit je nach Position geeignetem Styling. Die optimale Position für ein bestimmtes Fahrzeug kann durch Modellversuche ermittelt werden, bei denen Höhe, vertikales Gesichtsfeld und Hangneigung die zu berücksichtigenden Variablen sind.
Der Bildprozessor und die Steuerung sind elektronische Einheiten, in der Regel Computer mit geeigneten Ein- und Ausgängen. Sie können, entsprechend angepaßt, in den bereits im Fahrzeug vorgesehenen Computer integriert werden. Die Information für den Fahrzeugführer kann durch Audio- oder Video-Signale, oder beides, erfolgen. Diese Vorrichtungen können in das existierende Display im Armaturenbrett integriert werden. Als Vorrichtungen zum Aktivieren der Bremsen können die jetzt üblichen Anti-Blockier- Bremsvorrichtungen dienen.
Der hier beschriebene optische Abtast-Entfernungsmesser kann so abgeändert werden, daß er ein auf einem Kathodenstrahlröhren-Bildschirm oder einem Flachbildschirm dargestelltes Bild beim Fahrzeugführer oder andernorts liefert. Wie in US-A-4,538,181 beschrieben, können Infrarot-Bilder in jedem oder beiden Lesekanälen erhalten werden. Im letzteren Fall kann eine stereoskopische Bildwiedergabe erfolgen durch Verwenden abwechselnder Felder im Raster-Display für das linke und für das rechte Auge. Das kann durch die Verwendung von verschlußgesteuerten LCD-Brillen oder ähnliche Techniken erreicht werden. Diese passive IR-Stereo TV-Vorrichtung kann im 3-5 Mikrometer- oder 8- 12 Mikrometer-Band arbeiten, je nach Wahl des Detektors und der Detektor-Kühlung.
Passive IR Bilder wie oben beschrieben können in einem der beiden Kanäle verwendet werden und existieren neben dem Entfernungsmesser. Das könnte durch Einfügen eines dichroitischen Strahlenteilers in den optischen Pfad in den Bereich dem Kombinationsspiegel 34 und Faltspiegel 32a auf der Seite des Kombinationsspiegels, auf der Strahl B existiert. Ein mit dem Bild auf der Bildebene 36 annähernd parfokales Zwischenbild würde so unmittelbar nach dem dichroitischen Strahlenteiler erzeugt und auf einen TDI- Detektor, beispielsweise einen SPRITE-Detektor, fokussiert werden.
Die Aktive Bilddarstellung mit dem für die Entfernungsmessung verwendeten Laser ist auch möglich mit geeigneter Datenverarbeitung, mit der Unterschiede im Reflexionsvermögen des Zielobjekts im Vergleich zu der von weiter entfernten Zielobjekten mit höherem Reflexionsvermögen empfangenen Signalstärke aussortiert werden können.
Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, eine komplexere Detektor- Anordnung mit einer zweiten Dimension zum Abtasten des vertikalen Gesichtsfeldes, wie zuvor beschrieben, zu verwenden. An ihre Grenzen stößt diese Variante wegen der höheren Kosten und des eingeschränkten Angebots einer derartigen Detektor-Anordnung sowie, was noch wichtiger ist, wegen der Limitierung der Größe des Gesichtsfeldes, das ohne daß größere Aberrationen auftreten, erfaßt werden kann. Diese Beschränkungen können auch einen negativen Einfluß auf das Auflösungsvermögen haben.
Vorteilhafterweise kann, bei entsprechender Ausgestaltung, die Bewegung des vertikalen Spiegels gesteuert werden. Diese Steuerung könnt entweder durch den Benutzer erfolgen oder aber, vorzugsweise, automatisch, sobald der Straßenzustand und die Verkehrssituation eine verbesserte Funktion der Vorrichtung anzeigen bzw. erfordern.
Der hier beschriebene optische Abtast-Entfernungsmesser ist auch für andere Zwecke geeignet und nicht auf den Einsatz in Vorrichtungen zur Vermeidung von Fahrzeugzusammenstößen beschränkt. Eine Vielzahl von Einheiten kann in einem intelligenten Verkehrsüberwachungssystem eingesetzt werden, daß an verkehrsreichen Kreuzungen installiert ist oder vorrübergehend bei Verkehrsstaus eingesetzt werden kann. Mit vielen solchen Vorrichtungen kann man bei der permanenten Installation an einer Kreuzung einen Azimutbereich von 360º und einen Höhenbereich von 45º abdecken.
Da bei der Verkehrsüberwachung Abbildungen in einem Seitenbereich von 360º und einem Höhenbereich von etwa 45º analysiert werden müssen, muß eine extrem große Anzahl von Bildpunkten erzeugt werden. Darüber hinaus verändern sich die Bilder in Abhängigkeit von der Zeit. Diese beiden Faktoren zusammen stellen eine enorme Aufgabe in Bezug auf Datenverarbeitung dar. Die Berechnung kann mit entsprechend ausgerüsteten Computern erfolgen, die eine Einheit mit der Vorrichtung zur Verkehrsüberwachung bilden. Alternativ können die Daten komprimiert und drahtlos oder über Faseroptik an einen zentralen Rechner übermittelt werden. Dieser wertet die Daten aus, trifft eine Entscheidung über die Verkehrskontrolle und gibt diese zurück an ihren Ursprungsort. Bei der Verwendung von Super-Computern oder Computerstationen, ist eine Verkehrsüberwachung und -steuerung an verschiedenen Orten oder sogar in ganzen Bezirken oder Großstädten möglich. Echtzeitbilder von jedem Einsatzort können vom Bedienungspersonal abgerufen und in einer Kommandozentrale oder Polizeistation sichtbar dargestellt werden.
Es sollte in Betracht gezogen werden, daß ein wirksames Verkehrsüberwachungssystem in der Lage sein muß, eine große Anzahl von Zielobjekten innerhalb eines Gesichtsfeldes schnell zu analysieren. Vorteilhafterweise können diese Anforderungen mit dem optischen Abtast-Entfernungsmesser nach der Erfindung erfüllt werden. Angaben zu Fahrzeugen, Fußgänger und anderen Zielobjekten können in Bildpunktkarten gespeichert und ausreichend schnell analysiert werden, um eine brauchbare Bewertung der Verkehrsflusses in jeder Richtung an der Kreuzung abzugeben.
Da die Vorrichtung einen Computer enthält, kann die Verkehrssteuerungsanlage ständig anfallende Daten in ihrem Gesichtsfeld verarbeiten und Entscheidungen darüber treffen, ob der Verkehr angehalten werden soll, die Fußgänger die Fahrbahn überqueren dürfen, etc. Es könnte eine beträchtliche Menge an Treibstoff eingespart werden, wenn Fahrzeuge nicht an Ampeln anhalten und warten müßten, wenn in der Querrichtung kein Verkehr ist. Es könnten auch spezielle Warnsignale für Autofahrer erzeugt werden, wenn Fußgänger queren. Ein solches System könnte auch mit einem speziellen Aufnahmegerät zum Erfassen von Verkehrsverstößen und Angaben zur Identität der Verkehrssünder, wie beispielsweise das Kennzeichen, ausgerüstet sein.
Der optische Abtast-Entfernungsmesser eignet sich auch für den Einsatz in Robotern zur Automatisierung von Fabrikationsabläufen, in der Raumfahrt und im militärischen Bereich. Entfernungsangaben erleichtern erheblich die heute von "smart systems" ausgeführten Arbeiten zur Bildverarbeitung, bei denen Bilder verwendet werden. Die üblicherweise angewandten Verfahren, um aus einer Vielzahl von Bildern indirekt Angaben zur Entfernung herauszufiltern, erfordern lange Rechenzeiten und der Wegfall der Entfernungsbestimmung würde zu einer wesentlichen Verkürzung der Gesamtdauer der Bildverarbeitung führen.
Während die Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, daß die verwendeten Ausdrücke beschreibenden, aber keinen einschränkenden Charakter haben, und daß Änderungen mit Blick auf die beigefügten Ansprüche möglich sind, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Ein optischer Abtast-Entfernungsmesser mit folgenden Bauteilen:

einer Strahlungsquelle (10);

einer rotierenden Abtastscheibe (20) mit einer kreisförmigen Anordnung von Abtastelementen (18) auf einer ihrer planen Oberflächen;

einer Vorrichtung zum Richten von Strahlung in einer Vielzahl von Kanälen von der Strahlungsquelle (10) auf die genannten Abtastelemente (18);

einer Vorrichtung zum vertikalen Abtasten eines Gesichtsfeldes mit mindestens einem drehbar angeordneten Spiegel (26, 46a, 46b);

einer Vorrichtung zum Richten von Strahlung von mindestens einem der genannten drehbar angeordneten Spiegel (26, 46a, 46b) auf ein Zielobjekt und Beleuchten jedes Bildpunktes (Pixels) in einem Gesichtsfeld;

einer Vorrichtung zum Richten der Strahlung vom genannten Zielobjekt auf das genannte Abtastelement (18) entlang einer Vielzahl von Kanälen, wobei die genannte Vorrichtung mindestens einen, mit dem Gehäuse der Abtastvorrichtung integrierten Spiegel (24a, 24b, 28a, 28b, 32a, 32b) aufweist;

einer Detektor-Vorrichtung (40a, 40b, Fig. 4) geeignet zum Auffangen von vom Abtastelement (18) reflektierter Strahlung entlang eines jeden der genannten Kanäle;

dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abtast-Entfernungsmesser eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen (62, Fig. 4) aufweist zum Bestimmen der Zielobjektreflektivität und der Entfernung und der lateralen Position eines Signals von der genannten Detektor-Vorrichtung (40a, 40b), wobei die Vorrichtung zum Verarbeiten der Signale eine Vorrichtung aufweist zum Erzeugen eines Schwellensignals für Signale und zum Zurückweisen von Fremdsignalen vom genannten Detektor.

2. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, die weiterhin eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen für die Zielobjektdarstellung aufweist.

3. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, bei der die Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen für die zentrale Ausrichtung in Bezug auf den genannten Detektor aufweist.

4. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, bei der die Vorrichtung zum vertikalen Abtasten weiterhin eine Vorrichtung zum Verschieben eines Gehäuses der Abtastvorrichtung aufweist.

5. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, bei der diese mindestens zwei Ebenen im optischen Weg aufweist.

6. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, bei der die von der Strahlungsquelle (10) auf das Zielobjekt gerichtete Strahlung in einem der gleichen Kanäle wie die vom genannten Zielobjekt auf den Detektor (40a, 40b) gerichtete Strahlung verläuft.

7. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, bei der die Detektor-Vorrichtung, die die vom Abtastelement (18) reflektierte Strahlung entlang jedem der genannten Kanäle empfängt, weiterhin einen Einzelelement-Detektor sowie eine Detektoranordnung (40b, Fig. 4) aufweist.

8. Die Abtastvorrichtung von Anspruch 1, bei der die Strahlungsquelle ein GaAlAs-Laser ist.

9. Ein Verfahren zum optischen Abtasten mit den folgenden Verfahrensschritten:

Richten der von einer Strahlungsquelle (10) kommenden Strahlung auf einen konkaven Reflektor (18) auf einer rotierenden Abtastscheibe (20) und auf eine Vorrichtung zum vertikalen Abtasten eines Gesichtsfeldes;

Richten der genannten Strahlung auf ein Zielobjekt in einem Zielobjektgebiet;

Richten der von dem genannten Zielobjekt reflektierten Strahlung auf die genannte Abtastscheibe (20) entlang einer Vielzahl von Kanälen in mindestens zwei Ebenen im optischen Weg;

Verwenden von mit einem Gehäuse einen integralen Teil bildenden Spiegeln (24a, 24b, 28a, 28b, 32a, 32b) zum Richten der Strahlung;

Richten der vom genannten Abtastelement (18) reflektierten Strahlung entlang jedem der genannten Kanäle auf die Strahlungsdetektor-Vorrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß Information von der genannten Strahlungsdetektor- Vorrichtung dazu dient, um Reflektivität, Entfernung und laterale Position des Zielobjekts zu bestimmen.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin den Schritt zum Richten der von der Strahlungsquelle (10) kommenden Strahlung auf das Zielobjekt und mindestens eines Teils der Strahlung vom Zielobjekt entlang des gleichen Kanals aufweist.

11. Das Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin den Schritt zum Bestimmen des Schwerpunktes der vom Zielobjekt reflektierten Strahlung aufweist.