WO2002044682A2

WO2002044682A2 - Optisches system

Info

Publication number: WO2002044682A2
Application number: PCT/EP2001/012844
Authority: WO
Inventors: Ulrich Erpenstein; Wilfried Mehr; Olaf Reinhardt; Holger Schanz
Original assignee: Automotive Distance Control Systems Gmbh
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2002-06-06
Also published as: WO2002044682A3; DE10059093A1

Abstract

1. Optisches System mit einer Sendeeinheit. 2.1 Es soll auf einfache Weise und mit geringen Kosten ein zuverlässiger Betrieb des optischen Systems realisiert werden, bei dem durch die Sendeeinheit optische Strahlung in einer bestimmten Senderichtung als optisches Sendesignal über eine Austrittsfläche der Sendeeinheit emittiert wird. 2.2 Hierzu wird in der Sendeeinheit ein Messelement in einem bestimmten Winkel zur Senderichtung angeordnet, das ein Streusignal als die an der Austrittsfläche gestreute optische Strahlung des Sendesignals detektiert. Durch Auswertung des Streusignals wird die Durchlässigkeit der Austrittsfläche als Mass für deren Verunreinigung bestimmt. 2.3 Optisches System zur Implementierung in Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge.

Description

Optisches System

Bei- vielen optischen Systemen wird von der Sendeeinheit einer Meßeinheit optische Strahlung zu Meßzwecken emittiert (dieses Sendesignal wird insbesondere im infraroten (IR) Spektralbereich oder im sichtbaren Spektralbereich emittiert); oftmals wird die optische Strahlung nach einer Reflexion (bsp. an einer Grenzfläche oder an bestimmten Zielobjekten) von einer Empfangseinheit der Meßeinheit detektiert und dieses Reflexionssignal als Empfangssignal ausgewertet. Bsp. werden derartige opti- sehe Systeme zur Bestimmung der Entfernung eines Bezugsobjekts zu bewegten oder ruhenden Objekten (Zieiobjekten) und/oder zur Bestimmung der Geschwindigkeit von bewegten oder ruhenden Objekten (Zielobjekten) für unterschiedliche Beobachtungsbereiche (Entfernungsbereiche) eingesetzt. Anwendungen finden diese optischen Systeme insbesondere in Beobachtungsbereichen mit geringer Entfer- nung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten ("Nahbereich", bsp. je nach

Anwendung bis 20 m oder 250 m Entfernung), bsp. zur Erfassung des ein Kraftfahrzeug umgebenden Verkehrsraums, d.h. zur Bestimmung der Entfernung (des Ab- stands) eines Kraftfahrzeugs als Bezugsobjekt zu vorausfahrenden, nachfolgenden oder entgegenkommenden Fahrzeugen oder sonstigen Reflexionsobjekten und/oder der Geschwindigkeit von vorausfahrenden, nachfolgenden oder entgegenkommenden Fahrzeugen oder sonstigen Reflexionsobjekten. Hierbei wird das Empfangssignal (Reflexionssignal) hinsichtlich der Laufzeit ausgewertet und hieraus insbesondere die gewünschte Entfernungsinformation und/oder Geschwindigkeitsinformation bezüglich der Zielobjekte gewonnen. Bei der Anwendung des optischen Systems und den hierbei durchgeführten Messungen ist insbesondere ein hoher Signalpegel und damit eine hohe Dynamik des Sendesignals (eine große Signalleistung) erwünscht. Aufgrund von Verschmutzungen der Austrittsfläche für das Sendesignal und/oder der Eintrittsfläche für das Empfangssignal (Austrittsfiäche und Eintrittsfläche sind bsp. als Oberfläche von Linsen oder als Abdeckungen auf Linsen ausgebildet) können jedoch Probleme entstehen, da hierdurch insbesondere die Leistung des Sendesignals und folglich auch die Leistung des Empfangssignals reduziert wird. Hierdurch werden auch die mit dem opti- schen System durchgeführten Messungen beeinträchtigt, was wiederum die jeweilige Anwendung des optischen Systems negativ beeinflußt (bsp. wird beim eingangs beschriebenen Anwendungsfall die Erkennung von Zielobjekten erschwert) und womit oftmals ein hohes Sicherheitsrisiko verbunden ist, insbesondere beim Einsatz des optischen Systems in Kraftfahrzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System anzugeben, das einen zuverlässigen Betrieb auf einfache Weise und mit geringen Kosten gewährleistet. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des

Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Systems sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Beim vorgeschlagenen optischen System wird zur Erkennung der Durchlässigkeit und damit von Verunreinigungen (Verschmutzungen) der für die Emission der optischen Strahlung vorgesehenen Austrittsfläche der Sendeeinheit die an der Austrittsfläche diffus zurückgestreute optische Strahlung detektiert, d.h. das vom Sendesignal (der von der Sendeeinheit emittierten optischen Strahlung) infolge von Streueffekten herrührende Streusignal; hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die

Leistung der zurückgestreuten optischen Strahlung und damit des Streusignals von der Verunreinigung (Verschmutzung) der Austrittst! äche abhängt, da bei einer stärkeren Verschmutzung der Austrittsfläche mehr Streupartikel vorhanden sind und somit die Rückstreuung verstärkt wird. Insbesondere wird das die gleiche Wellenlänge wie das Sendesignal aufweisende

Streusignal (die zurückgestreute optische Strahlung) von mindestens einem in der Meßeinheit angeordneten Empfangselement als Meßelement detektiert. Als für die zurückgestreute optische Strahlung empfindliches mindestens eine Meßelement (Empfangselement) wird je nach Wellenlänge des Sendesignals und damit des Streusignals bsp. eine im optischen Spektralbereich (sichtbaren Spektralbereich oder infraroten Spektralbereich) arbeitende Empfangsdiode (bsp. eine PIN-Diode) oder ein Fotoempfänger oder ein Fototransistor verwendet; das mindestens eine Meßelement sollte kein optisches Signal in der Senderichtung detektieren und nur für die außerhalb der Senderichtung an der Austrittsfläche zurückgestreute optische Strahlung empfindlich sein.

Die Leistung des Streusignals (der zurückgestreuten optischen Strahlung) ist im Vergleich zur Leistung des Sendesignals (der von der Sendeeinheit in der Senderich- ^' tung emittierten optischen Strahlung) sehr gering, so daß das Streusignal mit geeigneten Mitteln vom Sendesignal separiert werden muß. Diese Selektivität kann zum einen durch die Anordnung des mindestens einen Meßelements (Empfangselements) in der Sendeeinheit und zum andern über die Vorgabe der Reflexionseigenschaften bzw. Absorptionseigenschaften bestimmter Flächen der Sendeeinheit er- reicht werden, insbesondere über die Oberflächenbeschaffenheit und/oder Farbgebung bestimmter Flächen der Sendeeinheit. Das mindestens eine Meßelement ist in einem bestimmten Winkel zur Senderichtung angeordnet, d.h. die Richtung der Empfindlichkeit des mindestens einen Meßelements (die Empfangsrichtung des Empfangselements als Meßelement) nimmt einen bestimmten Winkel zur Hauptrich- tung der emittierten optischen Strahlung, d.h. zur Achse des Sendesignals ein; dieser Winkel wird vorzugsweise größer als 45° gewählt, insbesondere zu 90° gewählt (in diesem Falle ist die Richtung der Empfindlichkeit des mindestens einen Meßelements senkrecht zur Achse des Sendesignals). Weiterhin können bestimmte Oberflächen der Sendeeinheit, insbesondere im Gehäuse der Sendeeinheit, so ausgestal- tet werden, daß das Streusignal selektiv zum mindestens einen Meßelement gelangen kann, störende Signale jedoch ausgefiltert werden (bsp. einfallendes Umgebungslicht oder das Sendesignal); insbesondere werden hierzu die Oberflächen des in der Sendeeinheit für die emittierte optische Strahlung gebildeten Sendekanals (bsp. sind dies die Innenflächen des Gehäuses der Sendeeinheit) und die Oberflä- chen des in der Sendeeinheit für die gestreute optische Strahlung gebildeten Streukanals (bsp. sind dies die Innenflächen eines in das Gehäuse der Sendeeinheit eingebrachten, den Streukanal bildenden Einsatzteils) entsprechend ausgestaltet. Bsp. können bestimmte Oberflächen der Sendeeinheit (insbesondere die dem mindestens einen Meßelement gegenüberliegende Oberflächen) mit einem geringen Ab- Sorptionsvermögen (hohem Reflexionsvermögen) versehen werden, um das Streusignal (die zurückgestreute optische Strahlung) selektiv zu verstärken, während andere Oberflächen der Sendeeinheit mit einem hohen Absorptionsvermögen (geringen Reflexionsvermögen) versehen werden, um Störsignale (bsp. einfallendes Umge- bungslicht) zu unterdrücken bzw. auszufiltem. Das Absorptionsvermögen (Reflexionsvermögen) der Oberflächen der Sendeeinheit kann bsp. durch die Farbgebung der Oberfläche beeinflußt werden, wobei insbesondere zur Vorgabe eines hohen Absorptionsvermögens (geringen Reflexionsvermögens) schwarze Oberflächen und zur Vorgabe eines geringen Absorptionsvermögens (hohen Reflexionsvermögens) weiße Oberflächen, bsp. Oberflächen aus weißem Papier oder Kunststoff, gewählt werden und/oder durch entsprechende Strukturierung der Oberfläche, wobei insbesondere zur Vorgabe eines geringen Absorptionsvermögens (hohen Reflexionsvermögens) glatte (unstrukturierte) Oberflächen und zur Vorgabe eines hohen Absorp- tionsvermögens (geringen Reflexionsvermögens) strukturierte, mit „optische Fallen" versehene Oberflächen gewählt werden, bsp. in Form von Geometrieelementen (bsp. prismatischen Körpern).

Im in der Sendeeinheit für die gestreute optische Strahlung vorgesehenen Streukanal kann das mindestens eine Meßelement angeordnet werden; bsp. ist das minde- stens eine Meßelement an einem Ende des bsp. als Einsatzteil in der Form eines

Kamins in das Gehäuse der Sendeeinheit eingebrachten Streukanals angeordnet. Dieser Streukanal, insbesondere dessen Oberfläche, kann zur Beeinflussung des Streusignals, insbesondere zur selektiven Verstärkung des Streusignals gegenüber Störsignalen oder dem Sendesignal, entsprechend den oben beschriebenen Maß- nahmen ausgestaltet werden, um die gewünschten Absorptionseigenschaften (Reflexionseigenschaften) zu erreichen.

Nach einer Signalverstärkung und Signalwandlung des Streusignals wird das verstärkte und bsp. digital gewandelte Streusignal weiterverarbeitet bzw. ausgewertet, insbesondere durch den Vergleich mit einem Schwellwert, der einem Zustand der Austrittsfläche mit definierter Durchlässigkeit und damit definierter Reinheit (Sauberkeit) entspricht, insbesondere einem unverschmutzten (reinen) Zustand der Austrittsfläche. Falls das optische System eine Empfangseinheit zur Detektion eines Reflexionssignals als Empfangssignal aufweist, kann von der Durchlässigkeit der Austrittsfläche für das Sendesignal auf die Durchlässigkeit der Eintrittsfläche für das Empfangssignal und damit auch auf die Verunreinigung der Eintrittsfläche geschlossen werden, insbesondere dann, wenn die Austrittsfläche und die Eintrittsfläche benachbart zueinander angeordnet sind. Eine Erkennung der Durchlässigkeit und damit der Verunreinigung der Austrittsfläche für das von der Sendeeinheit der Meßeinheit emittierte Sendesignal kann sowohl bei optischen Systemen, bei denen das Sendesignal zyklisch unterbrochen wird, d.h. bei denen optische Sendepulse mit bestimmter Pulsdauer emittiert und in den Pulspausen zwischen zwei optischen Sendepulsen die Reflexionssignale der vorausgehenden optischen Sendepulse als Empfangssignale detektiert werden, als auch bei optischen Systemen, bei denen das Sendesignal kontinuierlich ("conti- nuous wave" cw) emittiert wird, d.h. bei denen die Sendefrequenz des Sendesignals variiert (durch Frequenzmodulation (FM) einen bestimmten Modulationsverlauf auf- weist) und gleichzeitig das Empfangssignal detektiert wird, vorgenommen werden.

Vorteilhafterweise ist beim optischen System

• ein einfacher Aufbau gegeben, da nur mindestens ein Meßelement zur Erkennung der Verschmutzung der Austrittsfläche benötigt wird, • eine zuverlässige Erkennung der Verschmutzung der Austrittsfläche für das Sendesignal und ggf. der Eintrittsfläche für das Empfangssignal auch bei veränderlichen Umgebungsbedingungen möglich, wodurch ein ordnungsgemäßer Betrieb des optischen Systems und damit eine ausreichende Sicherheit für die jeweilige Anwendung des optischen Systems gewährleistet ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert, ein in einem Kraftfahrzeug implementiertes optisches System zur Bestimmung der Entfernung mittels optischer IR-Pulse.

Hierbei zeigt die Figur eine schematische Schnittzeichnung der Sendeeinheit der Meßeinheit.

Im Nahbereich eines Kraftfahrzeugs kann die Entfernung und/oder die Geschwindigkeit von im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten, d.h. der Abstand zwischen dem eigenen Kraftfahrzeug und vorausfahrenden, entgegenkommenden oder nachfolgenden Fahrzeugen, Personen und sonstigen Reflexionsobjekten und/oder die Geschwindigkeit von vorausfahrenden, entgegenkommenden oder nachfolgenden Fahrzeugen, Personen und sonstigen Reflexionsobjekten, als Basis für Fahrerassistenzsysteme Verwendung finden. Die Entfernung und/oder Geschwindigkeit muß eindeutig und mit hoher Auflösung bestimmt werden: bsp. beträgt der gewünschte Entfernungseindeutigkeitsbereich 10 m, die gewünschte Entfernungsauflösung 0.5 m und die gewünschte Geschwindigkeitsauflösung 1 m/s. Vorzugsweise wird zur Entfernungsbestimmung zwischen dem eigenen Kraftfahrzeug als Bezugsobjekt und den Zielobjekten ein Pulsverfahren eingesetzt, d.h. die Ermittlung der Laufzeit von optischen Pulsen dient als Grundlage zur Entfernungsmessung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten.

In mehreren Meßphasen eines Meßvorgangs wird

• von der Sendeeinheit 4 der Meßeinheit ein Sendesignal 13 als optische Strahlung im infraroten (IR) Spektralbereich mit der Wellenlänge von bsp. 850 nm emittiert; das Sendesignal 13 wird hierbei innerhalb des im Gehäuse 21 der Sendeeinheit 4 gebildeten Sendekanals 1 1 hauptsächlich entlang einer be- stimmten Hauptrichtung (der Senderichtung 1 2 als optischer Achse der emittierten optischen Strahlung) und über die Senderlinse 8 und die vor der Senderlinse 8 angeordnete, als Austrittsfläche 7 fungierende Abdeckung für die Senderlinse 8 (bsp. eine Glasabdeckung) emittiert. Bsp. sind die im sichtbaren Spektralbereich oder infraroten Spektralbereich arbeitenden Sendeelemente 6 der Sendeeinheit 4 als Sendedioden oder als Halbleiterlaser ausgebildet, bsp. ist ein ein pulsförmiges Sendesignal 13 mit einer Leistung von bsp. 1 0 W und einer Weilenlänge von bsp. 850 nm emittierender gepulster IR-Halbleiterlaser vorgesehen.

• das durch Reflexion an den sich im durch das Sendesignal 13 erfaßten Entfer- nungsbereich und Winkelbereich befindlichen Zielobjekten (bsp. den vorausfahrenden Fahrzeugen oder Hindernissen) erhaltene Reflexionssignal wird von der Empfangseinheit der Meßeinheit als analoges Empfangssignal detektiert.

• von einer Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit wird das Empfangssignal hinsichtlich der Laufzeit ausgewertet und aus den Reflexionssignalen aus verschiede- nen Meßphasen die Entfernungsinformation und aus den Reflexionssignalen aufeinanderfolgender Meßvorgänge die Geschwindigkeitsinformation gewonnen, d.h. die Entfernung zwischen dem eigenen Kraftfahrzeug als Bezugsobjekt und Reflexionsobjekten als Zielobjekt und/oder die Geschwindigkeit der Reflexionsobjekte als Zielobjekt bestimmt.

Zur Erkennung von Verunreinigungen (Verschmutzungen) der Austrittsfläche 7 für das von der Sendeeinheit 4 emittierte Sendesignal 1 3 ist in der Sendeeinheit 4 ein ein Empfangselement als Meßeiement 1 aufnehmender Streukanal 2 angeordnet, der bsp. von einer Oberflächenseite, bsp. von der auf einem Schaltungsträger 1 9 angeordneten Unterseite 20 des Gehäuses 21 der Sendeeinheit 4, in das Gehäuse 21 der Sendeeinheit 4 eingebracht ist. Das bsp. auf dem Schaltungsträger 1 9 ange- ordnete Meßelement 1 ist bsp. als Empfangsdiode, bsp. als PIN-Diode ausgebildet, die bsp. für die Wellenlänge des Sendesignals 13 von bsp. 850 nm empfindlich ist; dieses Meßelement 1 ist bsp. in einem Winkel von 90° zur Senderichtung 1 2 angeordnet, d.h. die Fläche der Empfindlichkeit des Meßelements 1 ist senkrecht zur Senderichtung 1 2 (optischen Achse) des Sendesignals 13. Die Wandung 18 des Streukanals 2 besteht bsp. aus einem weißen Kunstoffmaterial mit einer glatten

Oberfläche und besitzt damit ein hohes Reflexionsvermögen zur Weiterleitung des Streusignals 1 5 an das Meßelement 1 . Die Oberfläche 1 6 der Innenseite der Wandung des Sendekanals 1 1 und damit die Innenseite des Gehäuses 21 der Sendeeinheit 4 ist strukturiert ausgebildet und mit als prismatische Körper ausgebildeten Geometrieelementen 1 7 versehen. Somit wird die an Schmutzpartikeln der Austrittsfläche 7 gebildete Streustrahlung (d.h. der gestreute Anteil der optischen Strahlung des Sendesignals 13) als Streusignal 15 in der Sendeeinheit 4 selektiv dem Streukanal 2 und damit dem Meßelement 1 zugeführt, ohne daß Störsignale, bsp. das Sendesignal 13 oder das Umgebungslicht dorthin gelangen können. Dieses vom bsp. als PIN-Diode ausgebildeten Meßelement 1 detektierte Streusignal 1 5 wird durch eine Auswerteeinheit (Steuereinheit) ausgewertet: hierzu wird bsp. das Streusignal 1 5 von einer Verstärkereinheit analog verstärkt und bsp. in ein digitales Signal gewandelt, das mit einem Schwellwert verglichen wird; dieser Schwellwert wird als Referenzwert im unverschmutzten Zustand der Austrittsfläche 7 bestimmt. In Ab- hängigkeit dieses Vergleichs kann somit der Verschmutzungsgrad der Austrittsfläche 7 erkannt werden und bei einer erkannten Verunreinigung der Austrittsfläche 7 das Fahrerassistenzsystem deaktiviert und ein Warnhinweis an den Bediener mit der Aufforderung zum Reinigen der Austrittsfläche 7 gegeben werden.

Claims

Patentansprüche

Optisches System mit einer Sendeeinheit (4), die optische Strahlung in einer bestimmten Senderichtung (1 2) als Sendesignal (13) über eine Austrittsfläche (7) emittiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (4) mindestens ein in einem bestimmten Winkel zur Sende- richtung (1 2) angeordnetes Meßelement (1 ) zur Detektion eines Streusignals

(1 5) als die an der Austrittsfläche (7) gestreute optische Strahlung des Sendesignals (13) aufweist, und daß durch Auswertung des Streusignals (1 5) die Durchlässigkeit der Austrittsfläche (7) als Maß für deren Verunreinigung bestimmt wird.

Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Meßelement (1 ) so in der Sendeeinheit (4) angeordnet ist, daß seine Detektionsfläche einen Winkel von mehr als 45° zur Senderichtung (1 2) des Sendesignals (13) aufweist.

Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Meßelement (1 ) so in der Sendeeinheit (4) angeordnet ist, daß seine Detektionsfläche einen Winkel von 90° zur Senderichtung (1 2) des Sendesignals (13) aufweist.

Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendeeinheit (4) ein das mindestens eine Meßelement (1 ) aufnehmender Streukanal (2) angeordnet ist.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendeeinheit (4) ein Sendekanal (1 1 ) für das emittierte Sendesignal (1 3) gebildet ist.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsvermögen der Oberflächen von Streukanal (2) und Sendekanal (1 1 ) so gewählt ist, daß das vom mindestens einen Meßelement (1 ) detek- tierte Streusignal (1 5) selektiv verstärkt wird.

7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbgebung der Oberflächen von Streukanal (2) und Sendekanal (1 1 ) so gewählt ist, daß das vom mindestens einen Meßelement (1 ) detektierte Streusignal (1 5) selektiv verstärkt wird.

8. Optisches System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die

Strukturierung der Oberflächen von Streukanal (2) und Sendekanal (1 1 ) so gewählt ist, daß das vom mindestens einen Meßelement (1 ) detektierte Streusignal (1 5) selektiv verstärkt wird.

9. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strukturierung der Oberflächen des Sendekanals (1 1 ) Geometrieelemente (1 7) vorgesehen sind.

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Streusignal (1 5) von einer Verstärkereinheit verstärkt wird und durch

Vergleich mit einem Schwellwert ausgewertet wird.

1 1 . Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Empfangseinheit vorgesehen ist, die ein Reflexionssignal als Empfangs- Signal an einer Eintrittsfläche detektiert, und daß die Verunreinigung der Aus- trittsfläche (7) als Maß für die Verunreinigung der Eintrittsfläche herangezogen wird.

2. Optisches System nach Anspruch 1 1 zur Bestimmung der Entfernung von Zielobjekten anhand der Laufzeitmessung des von der Sendeeinheit (4) emittierten Sendesignals (1 3).