WO2021004982A1 - Optische sendeeinheit für eine optische detektionsvorrichtung, optische detektionsvorrichtung sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Optische sendeeinheit für eine optische detektionsvorrichtung, optische detektionsvorrichtung sowie kraftfahrzeug Download PDF

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WO2021004982A1
WO2021004982A1 PCT/EP2020/068928 EP2020068928W WO2021004982A1 WO 2021004982 A1 WO2021004982 A1 WO 2021004982A1 EP 2020068928 W EP2020068928 W EP 2020068928W WO 2021004982 A1 WO2021004982 A1 WO 2021004982A1
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optical
encapsulation
transmitter
light beams
detection device
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PCT/EP2020/068928
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Christoph Parl
Bernd BERTSCHINGER
Lin Lin
Ho Hoai Duc NGUYEN
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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Publication date
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    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • Optical transmission unit for an optical detection device optical
  • the invention relates to an optical transmission unit for an optical detection device, comprising at least one optical transmitter for generating light beams and at least one deflection unit which is designed to deflect the generated light beams in different spatial directions.
  • the invention also relates to an optical detection device and a motor vehicle with an optical detection device.
  • Known optical transmitter units for optical detection devices with which light beams are deflected in different spatial directions during a scanning process, have a mechanical deflection unit in order to deflect the light beams one after the other in the corresponding spatial directions.
  • rotating mirror units or micro-electro-mechanical systems, so-called MEMS mirrors are used as deflection units.
  • MEMS mirrors are used as deflection units.
  • Light transmitter and a light receiver which are each arranged in a chamber of a common housing in spatial proximity to one another.
  • the sending chamber and the receiving chamber are separated from one another by an opaque partition. Due to the partition between the transmitting chamber containing the light transmitter and the receiving chamber containing the light receiver, the transmitting channel and the receiving channel within the housing are completely separated from one another in optical terms, so that crosstalk between the transmitting channel and the receiving channel is reliably excluded.
  • the detection device has a window module which comprises a partition wall for separating electromagnetic transmitted and received signals.
  • the partition divides at least one transmission chamber with at least one transmitter from at least one reception chamber with at least one receiver.
  • a high beam quality is an important property of a transmitter unit.
  • the divergence of the light rays emitted is of particular importance. So that objects in a far field, i.e. for example at a distance of more than 50m, in particular more than 100m, can be detected by means of an optical detection device, the divergence of the light beams must be as small as possible so that as much energy as possible from the light beams generated returns to the object can be reflected to the detection device.
  • the intensity of the light rays is another important parameter that influences the beam quality.
  • optical paths of an optical device in particular of optical transmitter units and optical detection devices, also have to follow
  • the invention is based on the object of an optical transmission unit for a
  • an optical detection device of an optical transmitter unit and a motor vehicle with an optical detection device against environmental influences with a high beam quality.
  • this object is achieved in that the optical transmitter and the deflection unit are arranged in an interior space that is encapsulated
  • the optical transmission unit comprises at least one optical transmitter and at least one deflection unit.
  • Light beams are generated with the at least one optical transmitter.
  • the at least one deflection unit is arranged in the optical path of the generated light beams. With the help of the deflection unit, the generated light beams are deflected in different spatial directions.
  • Such transmission optics can for example include a rotating mirror unit, a MEMS mirror or an optical switch in order to deflect the light beams.
  • Deflection units This means that they have moving components.
  • a body carrying the mirror surfaces is usually driven by a motor, so that the body rotates about an axis.
  • MEMS mirrors can be excited with an alternating voltage so that they oscillate around an axis. Both with rotating mirror units and with MEMS mirrors, the light beams are reflected in the mirror surface depending on the current alignment of the mirror relative to the optical transmitter
  • an optical switch is usually a non-movable deflection unit. That means that an optical switch doesn't have any
  • An optical switch here comprises at least one optical waveguide into which the light beams are coupled.
  • the refractive index of the optical waveguide is changed or locally varied. Consequently, an optical switch differs from the previous deflection units not only in that the optical switch has no moving components, but also in that the optical switch deflects the light beams not by reflection but by refraction of the light beam.
  • a common optical waveguide can be, for example, a liquid crystal waveguide.
  • the refractive index of a liquid crystal waveguide can be influenced by the application of a voltage or an electric field and configured as required.
  • the refractive index of the liquid crystal waveguide can have a refractive index gradient both in one dimension and in two dimensions.
  • the coupled-in light beams are deflected in two dimensions can. These dimensions can represent the horizontal and / or the vertical field of view of the optical transmission unit.
  • acousto-optical modulators or so-called “phased-array optics” can also be used as deflection units.
  • Laser diodes in particular, both surface emitters and edge emitters, can be used as optical transmitters.
  • the optical transmission unit according to the invention is particularly suitable for scanning optical detection devices, i. H. Laser scanner, suitable.
  • the optical transmission unit emits light beams in a large number of different spatial directions in the vicinity of the laser scanner.
  • Light beams reflected on an object in the vicinity of the laser scanner can then be received by a receiving unit of the laser scanner.
  • An evaluation unit can be used to generate a point cloud with measuring points in the surroundings based on the received light beams or on the basis of the electrical signal generated during the absorption of the light beams in a photodetector of the receiving unit. Objects can then be recognized and classified within this point cloud.
  • ultrasonic sensors can be manufactured in a production facility.
  • optical detection devices can be manufactured in a production facility.
  • front cameras can be manufactured in a production facility.
  • radar sensors can be manufactured in a production facility.
  • Detection device are manufactured in the clean room, the size of the clean room can be reduced and thus costs can be saved.
  • the deflection unit and the optical path within the optical transmitter unit are arranged according to the invention in an interior of the optical transmitter unit, which is enclosed by an encapsulation and is hermetically sealed from the surrounding atmosphere is encapsulated.
  • the hermetic encapsulation prevents foreign particles from entering the interior of the encapsulation.
  • Hermetically encapsulated in the context of the invention means that the encapsulation seals the interior against foreign particles, liquids and gases. This means that neither foreign particles, liquids nor gases from an environment enter the
  • the hermetic encapsulation thus offers the advantage that no foreign particles can get into the optical path of the light beams within the encapsulation after the optical transmitter unit has been installed.
  • This also offers the advantage, particularly when the optical transmission unit is installed in an optical detection device, that no foreign particles can penetrate the transmission unit during the installation process. It is thus made possible that after the production of the optical transmission unit with the encapsulation according to the invention, the further assembly of the optical detection device can also be carried out outside a clean room without foreign particles being able to penetrate the optical transmission unit.
  • a clean room within a manufacturing facility can be designed with a smaller size.
  • the transmission unit can be assembled in a first production site, transported to a second production site and installed in an optical detection device in the second production site.
  • the encapsulation also offers protection against outgassing when assembling an optical
  • Detection device used glue, which also some time after assembly outgas even further. This prevents these gases from being deposited, for example, on the optical transmitter or the deflection unit and reducing the beam quality.
  • the hermetic encapsulation makes it possible for the interior of the encapsulation to have a different atmosphere and a different atmospheric pressure from the ambient atmosphere.
  • the ambient atmosphere and the ambient pressure are in particular an ambient atmosphere and an ambient pressure during operation of the optical transmission unit, that is to say
  • the hermetic encapsulation can ensure that an atmosphere prevailing in the clean room, e.g. B. with a very low humidity, even after assembly within the interior. This can, for example, increase the service life of the optical transmitter or a
  • the atmosphere and the atmospheric pressure within the interior can also be the same or very similar to an ambient atmosphere and a
  • the atmosphere within the encapsulation can be formed by a protective gas that fills the interior of the encapsulation.
  • Inert gases such as nitrogen or helium in particular can be used as protective gas.
  • Such particularly inert gases offer the advantage that no oxidation can take place in the interior of the encapsulation. The service life of the optical transmitter and the deflection unit can thus be increased.
  • the atmospheric pressure within the encapsulation can be greater than the ambient pressure of the ambient atmosphere.
  • an overpressure can be applied to the interior of the hermetic encapsulation, so that the atmospheric pressure within the interior is greater than the ambient pressure.
  • a pressure sensor can be arranged in the encapsulation, with which it can be determined, preferably taking into account a current temperature, whether the encapsulation is damaged and thus the
  • a temperature sensor can be provided in the transmission unit, which can be arranged both in the interior of the encapsulation and outside of the encapsulation.
  • the atmospheric pressure in the interior of the encapsulation can be less than the ambient pressure of the ambient atmosphere
  • the encapsulation can comprise at least one separating means which hermetically divides the interior of the encapsulation into a first and a second area and has at least one section that is optically transparent for the light beams generated, the at least one optical transmitter in the first area and the at least a deflection unit is arranged in the second area and wherein the generated light beams through the optically transparent section of the
  • Release agent can enter the second area from the first area.
  • the release agent can for example be made of a metal, in particular aluminum.
  • the optically transparent section can be made of glass or polymer, for example.
  • the optically transparent section can be arranged in a recess of the separating means and can be glued or welded to the separating means.
  • the atmosphere and / or the atmospheric pressure in the first and in the second area can be different from one another.
  • An atmosphere and / or an atmospheric pressure can thus be provided both for the optical transmitter in the first area and for the deflection unit in the second area, which ensure optimal operation for the optical transmitter and for the deflection unit.
  • a protective gas can be provided in the first area that the oxidation of the optical transmitter prevented and a negative pressure can be generated in the second area so that a mechanical deflection unit can be operated with the lowest possible friction losses.
  • the first region can be filled with a material that is optically transparent for the light beams and that has a refractive index that is smaller than the refractive index of the at least one optical transmitter on one
  • an immersion liquid for example an immersion liquid, in particular an immersion oil, or an optical gel can be used.
  • the transmission unit can comprise at least one transmission optics in order to model a beam shape of the light beams emitted by the optical transmitter, the transmission optics also being arranged within the encapsulation. Modeling in the sense of the invention means that in particular a cross-section of the direction generated is influenced or adapted by the transmission optics.
  • the transmission optics can include one or more lenses that the
  • the transmission optics can be designed in such a way that the light beams generated in one spatial direction, for example in a vertical one
  • the transmission optics can, for example, be fastened in the shielding by means of an enclosure.
  • the enclosure can form the separating means for the first and second areas.
  • the optically transparent area of the release agent can be formed by the transmission optics. If transmission optics with a frame are used as a separating means, the number of components required can be reduced.
  • the encapsulation can have a transmission window which consists of a polymer or glass and through which the deflected light beams can exit the transmission unit.
  • the inside of the encapsulation can be coated at least in sections with an anti-reflection coating.
  • An anti-reflection coating offers the advantage that any scattered radiation that may arise within the encapsulation can be absorbed by the anti-reflection coating. This prevents light rays from being hit by multiple reflections
  • Inner side surfaces of the encapsulation and / or on the components arranged in the interior of the encapsulation emerge from the transmission unit in an undesired spatial direction. This also increases the eye safety of the transmitter unit.
  • At least one board in particular a ceramic board, on which at least the at least one optical transmitter is arranged, can form at least a first section of the encapsulation.
  • This offers the advantage that the structure of the encapsulation can be simplified in that a circuit board, on which, for example, the at least one optical transmitter and the deflection unit are applied on a circuit board and adjusted relative to one another, forms one side of the encapsulation. The encapsulation can then be achieved by applying the rest of the encapsulation structure, for example as
  • the encapsulation structure can be designed as a half cylinder or as a cuboid, are closed.
  • the encapsulation structure can be glued, soldered or welded to the circuit board, for example.
  • the encapsulation can have a cylindrical shape, the base area of which is formed by the circuit board.
  • the at least one optical transmitter can be applied to the circuit board.
  • the deflection unit can be fastened within the cylindrical casing by means of a holding element.
  • circuit board as a side surface of the encapsulation offers the particular advantage that no openings have to be provided in the encapsulation for electrical contacting of the electrical components in the interior of the encapsulation. Instead, the contact can be made using the electrical contacts integrated in the board. The hermetic shielding of the encapsulation is thus improved.
  • optical detection device according to the invention with an optical transmission unit according to the invention.
  • the detection device can have an exit window which, when the transmission unit is installed, passes through the transmission window Sending unit is closed.
  • a cutout can be provided in the housing of the detection device, which after the installation of the optical transmission unit is closed by the transmission window of the transmission unit.
  • the transmission window of the optical transmission unit can be the exit window of the
  • the recess in the housing of the detection device can be adapted to a contour of the transmission window.
  • the transmission window of the optical transmission unit can be connected to the housing, for example by gluing or welding.
  • the exit window of the optical detection device eliminates the need for a separate exit window of the optical detection device. It is thus possible to save on one component of the detection device.
  • an additional exit window of the optical detection device forms two further interfaces for the deflected
  • the detection device can additionally have a
  • Have receiving unit which is also arranged in the encapsulation.
  • a receiving unit can for example comprise at least one optical receiver and optionally at least one receiving optics.
  • the receiving unit can be arranged, for example, in the second area of the interior of the encapsulation.
  • the object is also achieved by a motor vehicle with an optical detection device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a front view of a motor vehicle which has a driver assistance system with an optical detection device
  • FIG. 2 shows a functional diagram of the motor vehicle with the driver assistance system from FIG. 1;
  • Figure 3 is a perspective view of a transmission unit of the optical
  • Figure 4 is a perspective view of a transmission unit of the optical Detection device of the motor vehicle from Figures 1 and 2 according to a second embodiment of the invention
  • Figure 5 is a perspective view of a transmission unit of the optical
  • the front view of a motor vehicle 10 is shown in FIG.
  • the motor vehicle 10 has an optical detection device 11 in the form of a laser scanner.
  • the surroundings 15 of the motor vehicle 10 can be scanned with the optical detection device 11.
  • the optical detection device 11 is designed to detect objects in the vicinity of the motor vehicle 10 and to detect the positions and the distances to the objects 19.
  • Objects 19 can be other vehicles, pedestrians or other obstacles, for example.
  • the optical detection device 11 can be installed centrally in the front bumper of the motor vehicle 10. In this installation position, a surrounding area in front of the motor vehicle 10 is monitored.
  • the surrounding area that can be detected with an optical detection device 11 is also referred to as the field of view 18.
  • the required field of view 18 can vary both in orientation and in extent. In addition to the installation centrally in the bumper, further installation positions are therefore possible in order to allow different orientations of the field of view 18 and thus other surrounding areas of the
  • the optical detection device 11 can also be fastened in the radiator grille, on the rear bumper or on the side of the motor vehicle 10.
  • FIG. 2 shows a functional diagram of some components of motor vehicle 10.
  • the motor vehicle 10 moves in the direction of travel 53.
  • the functional diagram is only intended to represent the functional principle of a driver assistance system with an optical detection device 11 in a vehicle and not the spatial orientation.
  • the optical detection device 11 comprises a transmission unit 12 and a
  • the transmitting unit 12 comprises an optical transmitter 20, for example at least one laser diode, in particular an edge emitter or a vertical cavity surface
  • Emitting laser (VCSEL) diode and a deflection unit 22, in particular at least one rotating or oscillating mirror, a waveguide or a so-called optical phased array.
  • the receiving unit 12 includes receiving optics 32 and an optical receiver 30.
  • a lens, a (micro) lens array, or a filter, for example, can be used as receiving optics 32.
  • Photodetectors such as a photodiode or an avalanche photodiode (APD for short) can be used as optical receivers 30, both individually and in the form of a one-dimensional or two-dimensional CCD array.
  • the light source 20 generates light beams 16 which are deflected by means of the deflection unit 22.
  • the deflected light beams 17 are then in the
  • the deflected light beams 17 are reflected on an object 19.
  • the reflected light beams 32 are received by the optical receiver 30 so that an electrical signal is generated.
  • the electrical signal is transmitted to the electronic control and evaluation device 13, which determines the position and the distance to the object 19.
  • the so-called light transit time principle is used to determine the distance. This means that the time difference between the emission of the generated light beams 16 and the reception of the reflected light beams 32 is determined and the distance covered by the light beam is calculated on the basis of the transit time.
  • the position of the object i.e. the angle of the object to a reference axis, e.g. B. the vehicle longitudinal axis, is determined by means of the spatial direction in which the optical detection device 11 emits the light beams 17 at a given point in time and receives the associated reflected light beams 32.
  • the sampling frequency of the optical detection device 11 is selected here so that the reflection of an emitted light beam 17 on an object 19 is at a maximum detectable distance of the optical
  • Detection device 11 is located on the motor vehicle 10, can be received before the next light beam 17 is emitted. In this way, the angle of the object 19 to the reference axis can be determined in a simple manner without the need for an angle-resolving optical receiver 30. In addition or as an alternative, an angle-resolving optical receiver 30 can of course also be used.
  • the motor vehicle 10 also has a driver assistance system 50.
  • Driver assistance system 50 can support a driver of motor vehicle 10 or drive motor vehicle 10 at least partially autonomously.
  • Driver assistance system 50 can influence driving functions of motor vehicle 10, for example an engine controller, a braking function or a steering function, or information or warning signals can be output.
  • the driver assistance system is for this purpose 50 with functional devices 52 regulating and / or controlling.
  • Two functional devices 52 are shown by way of example in FIG. Both
  • Functional devices 52 can be, for example, an engine control system, a braking system, a steering system, a chassis control or a
  • the electronic control and evaluation device of the optical detection device 11 provides information on objects 19 to an electronic control device 51 of the driver assistance system 50.
  • Object information can be used as one of the input parameters for the
  • the transmission unit 12 has an optical transmitter 20 and a deflection unit 22.
  • the deflection unit 22 is as vibrating
  • Micromirror is formed, which is controlled by a drive unit 41.
  • the optical transmitter 20, the deflection unit 22 and the drive unit 41 are arranged in an interior space 24 of the transmitter unit 12, which is enclosed by an encapsulation 23 and hermetically encapsulated from an ambient atmosphere.
  • the drive unit 41 can optionally also be arranged outside the encapsulation 23.
  • the atmospheric pressure in the interior space 24 of the encapsulation 23 is less than 1 hPa. In other words, the atmospheric pressure in the interior space 24 of the encapsulation 23 is almost unity
  • Vacuum Such a low atmospheric pressure requires an atmosphere which has particularly low humidity. This means that no moisture can deposit on one or more components.
  • the low atmospheric density enables particularly loss-free oscillation of the deflection unit 22.
  • the deflection area 42 and thus the maximum deflection angle of the deflection unit 22 can therefore be enlarged.
  • the light beams 16 generated by the light source 20 are deflected one after the other in different spatial directions by means of the deflection unit 22.
  • Deflected light beams 17 exit the enclosure 23 through a transmission window 42 of the encapsulation 23 and reach the surrounding area 15.
  • the angular range in which deflected light beams 17 are emitted can be increased.
  • the field of view 18 of the detection device 11 and thus also the surrounding area 15 in which objects 19 can be detected are thus enlarged.
  • the hermetic encapsulation 23 of the optical transmitter 20 and the deflection unit 22 in the interior 24 of the encapsulation 23 also prevents foreign particles, moisture or other substances in solid, liquid or gaseous form from entering the optical path of the transmitter unit 12. A high beam quality of the transmitting unit 12 is thus ensured and objects 19 can be detected with high reliability.
  • FIG. 4 A second embodiment of the invention is shown in FIG. 4, which differs from the previous embodiment in that the transmitting unit 12 in this embodiment comprises a separating means 27 with an optically transparent section 28.
  • the separating means 27 divides the interior space 24 of the encapsulation 23 into a first and a second area 25, 26.
  • the separating means 27 is in this embodiment by a transmission optics, in particular a lens, a mirror, a diffractive optical element or a combination of such optical components, and a corresponding holding element for the
  • the transmission optics here forms the optically transparent section 28 of the separating means 27.
  • the separating means 27 By forming the separating means 27 by means of a transmission optics with associated holding elements of the transmission optics, the number of components can be reduced.
  • the transmission optics are designed in such a way that the generated light beams 16 are modeled by means of the transmission optics. This means that in particular a beam cross-section of the light beams 16 generated is influenced; for example, a bar-shaped beam cross-section can be generated from a circular beam cross-section by means of the transmission optics.
  • the beam cross-section can be adapted to predetermined requirements by means of the transmission optics and the beam quality can be increased.
  • the separating means 27 is designed such that in the first and second areas 25, 26 of the interior 24 of the encapsulation 23 different atmospheres and
  • Atmospheric pressures can prevail.
  • an immersion oil is introduced in the first area 25 and an atmospheric pressure of less than 1 hPa in the second area 25.
  • the immersion oil increases both the output efficiency of the generated light beams 16 from the optical transmitter 20 and the injection efficiency of the generated light beams 16 into the transmission optics.
  • a suitable immersion oil here has a Refractive index that is smaller than the refractive index of the optical transmitter (20) at a transition from a light-emitting region of the optical transmitter (20) to the first region (25) and greater than the refractive index of the optically transparent region (28) of the separating means (27) is at a transition to the first area (25).
  • the immersion oil also prevents the surface of the optical transmitter 20 from being oxidized.
  • An atmospheric pressure of less than 1 hPa in the second area increases the field of view of the optical as described in the previous embodiment
  • Embodiment differs in that not only the optical components for emitting deflected light beams 17 are arranged in the interior 24 of the encapsulation 22, but also components of an optical receiving unit 13 for receiving light beams 32 reflected on an object 19.
  • a structure shown in FIG. 5 is also referred to as a coaxial system, since the transmitted and received beams have the same optical path, at least in sections.
  • a receiving optics 31 and an optical receiver 30 of the receiving unit 13 of the optical detection device 11 as well as a beam splitter 33 are arranged in the second area 26 of the interior 24 of the encapsulation 23.
  • the beam splitter 33 is arranged in such a way that the light beams 29 modeled by the transmission optics as an optically transparent area 28 of the separating means 27 can transmit through the beam splitter and can be deflected by the deflection unit 22. Light beams 32 reflected on an object 19 are reflected by the deflection unit 22 in the direction of the beam splitter 33.
  • the beam splitter 33 reflects this
  • the receiving optics 31 can be, for example, a lens, a mirror, a diffractive optical element or a combination of such optical components.
  • the optical receiving path can also be kept free of foreign particles. Losses in the receive path can thus be reduced will.
  • the components for receiving light beams 32 reflected on an object 19 can each also be arranged in the first region.
  • the transmission optics forming the optically transparent section 27 of the separating means 27 can also be used at the same time as receiving optics.
  • a third area can also be provided in the interior 24 of the encapsulation 23, in which one for the
  • Reception components adapted atmosphere and an adapted atmospheric pressure prevails.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sendeeinheit (12) für eine optische Detektionsvorrichtung (11) für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem optischen Sender (20) zur Erzeugung von Lichtstrahlen (16) und mit zumindest einer Auslenkeinheit (22), die dazu ausgelegt ist, die erzeugten Lichtstrahlen (16) in unterschiedliche Raumrichtungen auszulenken. Der optische Sender (20) und die Auslenkeinheit (22) sind hierbei in einem Innenraum (24) angeordnet, der von einer Kapselung (23) umschlossen und von dieser hermetisch gegenüber einer Umgebungsatmosphäre abgekapselt ist, sodass der Innenraum (24) der Kapselung (23) eine zur Umgebungsatmosphäre unterschiedliche Atmosphäre und einen unterschiedlichen Atmosphärendruck aufweisen kann.

Description

Optische Sendeeinheit für eine optische Detektionsvorrichtung, optische
Detektionsvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine optische Sendeeinheit für eine optische Detektionsvorrichtung, umfassend zumindest einen optischen Sender zur Erzeugung von Lichtstrahlen und zumindest eine Auslenkeinheit, die dazu ausgelegt ist, die erzeugten Lichtstrahlen in unterschiedliche Raumrichtungen auszulenken.
Ferner betrifft die Erfindung eine optische Detektionsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer optischen Detektionsvorrichtung.
Bekannte optische Sendeeinheiten für optische Detektionsvorrichtungen, mit denen Lichtstrahlen bei einem Abtastvorgang in unterschiedliche Raumrichtungen ausgelenkt werden, weisen eine mechanische Ablenkeinheit auf, um die Lichtstrahlen nacheinander in die entsprechenden Raumrichtungen auszulenken. Als Ablenkeinheit kommen hier beispielsweise rotierende Spiegeleinheiten oder Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme, sogenannte MEMS-Spiegel, zum Einsatz. Mit solchen optischen Sendeeinheiten ist es möglich, eine Umgebung schrittweise abzutasten.
Aus der EP 1 118 874 A2 ist eine optische Abtastvorrichtung bekannt, die einen
Lichtsender und einen Lichtempfänger umfasst, die jeweils in einer Kammer eines gemeinsamen Gehäuses in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind. Die Sende kammer und die Empfangskammer sind durch eine lichtundurchlässige Trennwand voneinander getrennt. Durch die Trennwand zwischen der den Lichtsender enthaltenden Sendekammer und der den Lichtempfänger enthaltenden Empfangskammer sind der Sendekanal und der Empfangskanal innerhalb des Gehäuses in optischer Hinsicht vollständig voneinander getrennt, sodass ein Übersprechen zwischen dem Sendekanal und dem Empfangskanal sicher ausgeschlossen wird.
In der DE 10 2017 125 186 A1 wird eine Detektionsvorrichtung für ein Fahrzeug offenbart. Die Detektionsvorrichtung weist ein Fenstermodul auf, das eine Trennwand zur Trennung von elektromagnetischen Sende- und Empfangssignalen umfasst. Die Trennwand trennt hierbei wenigstens eine Sendekammer mit wenigstens einem Sender von wenigstens einer Empfangskammer mit wenigstens einem Empfänger.
Beim Zusammenbau von optischen Vorrichtung, insbesondere von optischen
Sendeeinheiten und optischen Detektionsvorrichtungen, ist darauf zu achten, dass keine Fremdpartikel, insbesondere Staubpartikel, Haare oder sonstige makroskopische und mikroskopische Partikel, in den optischen Pfad beziehungsweise die optischen Pfade gelangen. Durch solche Partikel kann beispielsweise die Strahlqualität von erzeugten Lichtstrahlen vermindert werden, da Lichtstrahlen an solchen Partikeln gestreut oder absorbiert werden können. Hierzu werden optische Vorrichtungen üblicherweise in einem Reinraum zusammengebaut. Die Produktion in einem Reinraum ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.
Eine hohe Strahlqualität ist eine wichtige Eigenschaft einer Sendeeinheit. Je höher die Strahlqualität, desto höher ist beispielsweise die Reichweite von ausgesendeten
Lichtstrahlen. Hierbei ist beispielsweise die Divergenz der ausgesendeten Lichstrahlen von besonderer Wichtigkeit. Damit Objekte in einem Fernfeld, das heißt beispielsweise in einem Abstand von mehr als 50m, insbesondere mehr als 100m, mittels einer optischen Detektionsvorrichtung detektiert werden können, muss die Divergenz der Lichtstrahlen möglichst gering sein, damit möglichst viel Energie der erzeugten Lichtstrahlen an dem Objekt zurück zur Detektionsvorrichtung reflektieren werden kann. Zudem ist die Intensität der Lichtstrahlen ein weiterer wichtiger Parameter, der Einfluss auf die Strahlqualität ab.
Da die Intensität der Lichtstrahlen exponentiell mit der zurückgelegten Weglänge abnimmt, ist es wichtig, dass die Intensitätsverringerung innerhalb der Sendeeinheit beispielsweise durch Streuung an Fremdpartikeln oder durch Feuchtigkeitsablagerungen, beispielsweise an der Auslenkeinheit, vermieden wird.
Weiterhin müssen die optischen Pfade einer optischen Vorrichtung, insbesondere von optischen Sendeeinheiten und optischen Detektionsvorrichtungen, auch nach
Zusammenbau der Vorrichtung im Betriebszustand vor Partikeln und vor
Umgebungseinflüssen geschützt werden. Sich ändernde Temperaturen und/oder sich ändere Umgebungsatmosphären kann insbesondere zur Ablagerung von Feuchtigkeit in einer optischen Vorrichtung führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Sendeeinheit für eine
Detektionsvorrichtung, eine optische Detektionsvorrichtung einer optischen Sendeeinheit und ein Kraftfahrzeug mit einer optischen Detektionsvorrichtung besser gegenüber Umgebungseinflüssen zu schützen mit einer hohen Strahlqualität zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der optische Sender und die Auslenkeinheit in einem Innenraum angeordnet sind, der von einer Kapselung
umschlossen und von dieser hermetisch gegenüber einer Umgebungsatmosphäre abgekapselt ist, sodass der Innenraum der Kapselung eine zur einer Umgebungsatmosphäre unterschiedliche Atmosphäre und einen zur einem Umgebungsdruck unterschiedlichen Atmosphärendruck aufweisen kann.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Sendeeinheit zumindest einen optischen Sender und zumindest eine Auslenkeinheit. Mit dem zumindest einen optischen Sender werden Lichtstrahlen erzeugt. Die zumindest eine Auslenkeinheit ist im optischen Pfad der erzeugten Lichtstrahlen angeordnet. Mit Hilfe der Auslenkeinheit werden die erzeugten Lichtstrahlen in unterschiedliche Raumrichtung ausgelenkt. Eine solche Sendeoptik kann beispielsweise eine rotierende Spiegeleinheit, einen MEMS-Spiegel oder einen optischen Schalter umfassen, um die Lichtstrahlen auszulenken.
Rotierende Spiegeleinheiten und MEMS-Spiegel sind sogenannte mechanische
Auslenkeinheiten. Das heißt, dass diese bewegliche Komponenten aufweisen. Bei einer rotierenden Spiegeleinheit wird für gewöhnlich ein die Spiegelflächen tragender Körper von einem Motor angetrieben, so dass der Körper um eine Achse rotiert. MEMS-Spiegel andererseits können mit einer Wechselspannung angeregt werden, so dass diese um eine Achse schwingen. Sowohl bei rotierenden Spiegeleinheiten als auch bei MEMS-Spiegeln werden die Lichtstrahlen durch Reflektion an der Spiegeloberfläche in Abhängigkeit von der momentanen Ausrichtung des Spiegels relativ zum optischen Sender in die
entsprechende Raumrichtung ausgelenkt.
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei einem optischen Schalter üblicherweise um eine nicht-bewegliche Auslenkeinheit. Das heißt, dass ein optischer Schalter keine
beweglichen Komponenten aufweist. Ein optischer Schalter umfasst hierbei zumindest einen optischen Wellenleiter, in den die Lichtstrahlen eingekoppelt werden. Um die Lichtstrahlen mittels des optischen Schalters in die entsprechende Raumrichtung auszulenken, wird der Brechungsindex des optischen Wellenleiters verändert oder lokal variiert. Folglich unterscheidet sich ein optischer Schalter nicht nur dadurch von den vorherigen Auslenkeinheiten, dass der optische Schalter keine beweglichen Komponenten aufweist, sondern auch dadurch, dass der optische Schalter die Lichtstrahlen nicht durch Reflektion, sondern durch Brechung des Lichtstrahls ablenkt.
Ein gängiger optischer Wellenleiter kann beispielsweise ein Flüssigkristall-Wellenleiter sein. Der Brechungsindex eines Flüssigkristall-Wellenleiters kann durch das Anlegen einer Spannung bzw. durch ein elektrisches Feld beeinflusst und je nach Bedarf konfiguriert werden. Hierbei kann der Brechungsindex des Flüssigkristall-Wellenleiters sowohl in einer Dimension als auch in zwei Dimensionen einen Brechungsindexgradienten aufweisen.
Dies bedeutet, dass eingekoppelte Lichtstrahlen in zwei Dimensionen ausgelenkt werden können. Diese Dimensionen können das horizontale und / oder das vertikale Blickfeld der optischen Sendeeinheit darstellen.
Als Auslenkeinheit können alternativ auch akustooptische Modulatoren oder sogenannte „Phased-array optics“ in Betracht kommen. Als optische Sender können insbesondere Laserdioden verwendet werde, sowohl Oberflächenemitter als auch Kantenemitter.
Die erfindungsgemäße optische Sendeeinheit ist insbesondere für abtastende optische Detektionsvorrichtungen, d. h. Laserscanner, geeignet. Bei einem Laserscanner werden mittels der optischen Sendeeinheit Lichtstrahlen in eine Vielzahl von unterschiedlichen Raumrichtungen in eine Umgebung des Laserscanners ausgesendet. An einem Objekt in der Umgebung des Laserscanners reflektierte Lichtstrahlen können dann von einer Empfangseinheit des Laserscanners empfangen werden. Mittels einer Auswerteeinheit kann anhand der empfangenen Lichtstrahlen bzw. anhand des bei der Absorption der Lichtstrahlen in einem Photodetektor der Empfangseinheit erzeugten elektrischen Signals eine Punktwolke mit Messpunkten der Umgebung erzeugt werden. Innerhalb dieser Punktwolke können anschließend Objekte erkannt und klassifiziert werden.
Üblicherweise wird in Produktionsstätte nicht nur ein einzelnes Produkt, sondern eine Vielzahl von unterschiedlichen Produkten gefertigt. Beispielsweise können in einer Produktionsstätte sowohl Ultraschallsensoren, optische Detektionsvorrichtungen, Front kameras als auch Radarsensoren gefertigt werden. Je nach Produkt können
unterschiedliche Anforderungen an Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, oder Anzahl und Größe von Fremdpartikeln pro Kubikmeter gelten. Während Temperatur und Luftfeuchtigkeit innerhalb der Produktionsstätte mittels Klimaanlagen auf einfache Art und Weise geregelt werden können, ist die Einhaltung einer definierten Anzahl von
Fremdpartikeln mit einer definierten maximalen Größe mit aufwendigen Maßnahmen verknüpft. Insbesondere bei optischen Systemen und Vorrichtungen ist es wichtig, dass möglichst wenig Fremdpartikel in der Produktionsstätte vorhanden sind, damit das System oder die Vorrichtung nicht durch Fremdpartikel verunreinigt und somit die
Leistungsfähigkeit des Systems bzw. der Vorrichtung reduziert wird. Daher werden solche Systeme und Vorrichtungen häufig in sogenannten Reinräumen gefertigt. In Reinräumen werden besondere Maßnahmen getroffen, um die Anzahl und die Größe von
Fremdpartikeln im Reinraum möglichst gering zu halten, wie beispielsweise Fachpersonal mit Zusatzqualifikation zur Arbeit im Reinraum, Zutrittskontrollen, spezielle Kleidung für das Fachpersonal im Reinraum oder definierte Luftströme innerhalb des Reinraums.
Das Vorhalten eines Reinraums innerhalb einer Produktionsstätte ist allerdings mit hohen Kosten verbunden und benötigt zudem eine große Fläche innerhalb der Produktionsstätte, da beispielsweise ein separater Umkleideraum für das Fachpersonal und zumindest eine Schleuse für den Zugang in den Reinraum vorgesehen werden müssen. Daher ist es von Vorteil, wenn nur einzelne Teile einer optischen Detektionsvorrichtung in einem Reinraum gefertigt werden müssen und der Zusammenbau der Vorrichtung außerhalb des
Reinraums durchgeführt werden kann. Muss nur ein Teil der optischen
Detektionsvorrichtung im Reinraum gefertigt werden, kann die Größe des Reinraums reduziert und somit Kosten gespart werden.
Um sicherzustellen, dass keine Fremdpartikel den optischen Sender, die Auslenkeinheit sowie den optischen Pfad innerhalb der optischen Sendeeinheit verunreinigen, sind der optische Sender und die Auslenkeinheit erfindungsgemäß in einem Innenraum der optischen Sendeeinheit angeordnet, der von einer Kapselung umschlossen und von dieser hermetisch gegenüber einer Umgebungsatmosphäre gekapselt ist. Durch die hermetische Kapselung wird vermieden, dass Fremdpartikel in die den Innenraum der Verkapselung eintreten können.
Hermetisch gekapselt im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Verkapselung den Innenraum gegenüber Fremdpartikel, Flüssigkeiten und Gase abdichtet. Das heißt, dass weder Fremdpartikel, noch Flüssigkeiten noch Gase aus einer Umgebung in den
Innenraum eintreten können. Gleichzeitig können auch keine Partikel, Flüssigkeiten oder Gase aus dem Innenraum heraustreten.
Die hermetische Kapselung bietet somit den Vorteil, dass nach der Montage der optischen Sendeeinheit keine Fremdpartikel in den optischen Pfad der Lichtstrahlen innerhalb der Kapselung gelangen können. Dies bietet weiterhin insbesondere bei einem Einbau der optischen Sendeeinheit in einer optischen Detektionsvorrichtung den Vorteil, dass während des Einbauprozesses keine Fremdpartikel in die Sendeeinheit eindringen können. Somit ist es ermöglicht, dass nach der Herstellung der optischen Sendeeinheit mit der erfindungsgemäßen Verkapselung der weitere Zusammenbau der optischen Detektionsvorrichtung auch außerhalb eines Reinraums durchgeführt werden kann, ohne dass Fremdpartikel in die optische Sendeeinheit eindringen können. Somit kann ein Reinraum innerhalb einer Produktionsstätte mit einer kleineren Größe ausgelegt werden. Alternativ kann die Sendeeinheit in einer ersten Produktionsstätte zusammengebaut, zu einer zweiten Produktionsstätte transportiert und in der zweiten Produktionsstätte in eine optische Detektionsvorrichtung eingebaut werden. Die Kapselung bietet zudem einen Schutz gegenüber Ausgasungen der beim Zusammenbau einer optischen
Detektionsvorrichtung eingesetzten Kleber, die auch einige Zeit nach dem Zusammenbau noch weiter ausgasen. Somit wird verhindert, dass sich diese Gase beispielsweise auf dem optischen Sender oder der Auslenkeinheit ablagern und die Strahlqualität vermindern.
Zusätzlich ermöglicht die hermetische Kapselung, dass innerhalb des Innenraums der Kapselung eine zur Umgebungsatmosphäre unterschiedliche Atmosphäre und einen unterschiedlichen Atmosphärendruck aufweisen kann. Die Umgebungsatmosphäre und der Umgebungsdruck sind hierbei insbesondere eine Umgebungsatmosphäre und ein Umgebungsdruck während eines Betriebes der optischen Sendeeinheit, also
insbesondere eine Umgebungsatmosphäre und ein Umgebungsdruck außerhalb einer Produktionsstätte. Beispielsweise kann durch die hermetische Kapselung sichergestellt werden, dass eine im Reinraum herrschende Atmosphäre, z. B. mit einer sehr niedrigen Luftfeuchtigkeit, auch nach dem Zusammenbau innerhalb des Innenraums vorliegt. Dies kann beispielsweise die Lebensdauer des optischen Senders erhöhen oder ein
Kondensieren von Feuchtigkeit auf dem optischen Sender oder der Auslenkeinheit bei niedrigen Temperaturen verhindern, beispielsweise unterhalb von 0°C.
Die Atmosphäre sowie der Atmosphärendruck innerhalb des Innenraums können auch gleich bzw. sehr ähnlich sein zu einer Umgebungsatmosphäre und einem
Umgebungsdruck. Solange im Innenraum der Kapselung bekannte Bedingungen vorliegen kann ein sicherer Betrieb der Sendeeinheit gewährleistet werden.
In einer Ausführungsform kann die Atmosphäre innerhalb der Kapselung durch ein Schutzgas gebildet sein, dass den Innenraum der Kapselung ausfüllt. Als Schutzgas können insbesondere Inertgase wie Stickstoff oder Helium verwendet werden. Solche besonders reaktionsträgen Gase bieten den Vorteil, dass keine Oxidation im Innenraum der Kapselung stattfinden kann. Somit kann die Lebensdauer des optischen Senders und der Auslenkeinheit erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Atmosphärendruck innerhalb der Kapselung größer sein als der Umgebungsdruck der Umgebungsatmosphäre. Mit anderen Worten kann der Innenraum der hermetischen Kapselung mit einem Überdruck beaufschlagt werden, sodass innerhalb des Innenraums ein größerer Atmosphärendruck herrscht als der Umgebungsdruck. Dies bietet den Vorteil, dass bei einer Beschädigung der
Kapselung ein Eindringen von Fremdpartikeln vermieden wird, da bei dem
Druckausgleich, der zwischen dem Atmosphärendruck innerhalb der Kapselung und dem Umgebungsdruck in der Umgebung durch die Beschädigung entsteht, zunächst lediglich Gase aus der Kapselung heraustreten. Dies kann zumindest zeitweise einen weiteren sicheren Betrieb der Sendeeinheit gewährleisten. Um eine mögliche Druckänderung im Innenraum der Kapselung zu detektieren, kann beispielsweise ein Drucksensor in der Kapselung angeordnet sein, mit dem vorzugsweise unter Berücksichtigung einer aktuellen Temperatur bestimmt werden kann, ob die Kapselung beschädigt und somit den
Innenraum nicht mehr hermetisch abkapselt ist. Zur Bestimmung der Temperatur kann ein Temperatursensor in der Sendeeinheit vorgesehen sein, der sowohl im Innenraum der Kapselung als auch außerhalb der Kapselung angeordnet sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Atmosphärendruck im Innenraum der Kapselung kleiner als der Umgebungsdruck der Umgebungsatmosphäre sein,
insbesondere kleiner als 1 hPa. Mit anderen Worten kann gemäß dieser Ausführungsform im Innenraum der Kapselung ein Unterdrück gegenüber einem Umgebungsdruck vorliegen, der einem Vakuum entspricht bzw. sehr nah an einem Vakuum ist. Ein solcher Atmosphärendruck bietet insbesondere bei mechanischen Auslenkeinheiten Vorteile, da diese bei einem Betrieb mit geringen Atmosphärendruck deutlich geringe
Reibungsverluste gegenüber einem Betrieb im Umgebungsdruck aufweisen. Dies kann beispielsweise bei rotierenden Auslenkeinheiten eine energiesparendere Rotation und bei schwingenden Auslenkeinheiten einen größeren maximalen Auslenkwinkel ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kapselung zumindest ein Trennmittel umfassen, das den Innenraum der Kapselung hermetisch in einen ersten und einen zweiten Bereich unterteilt und zumindest einen für die erzeugten Lichtstrahlen optisch transparenten Abschnitt aufweist, wobei der zumindest eine optische Sender im ersten Bereich und die zumindest eine Auslenkeinheit im zweiten Bereich angeordnet ist und wobei die erzeugten Lichtstrahlen durch den optisch transparenten Abschnitt des
Trennmittels aus dem ersten Bereich in den zweiten Bereich eintreten können. Das Trennmittel kann beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Aluminium, sein. Der optisch transparente Abschnitt kann beispielsweise aus Glas oder Polymer sein. Der optisch transparente Abschnitt kann hierbei in einer Aussparung des Trennmittels angeordnet sein und mit dem Trennmittel verklebt oder verschweißt sein.
Durch das Unterteilen des Innenraums der Kapselung in einen ersten und einen zweiten Bereich können die Atmosphäre und/oder der Atmosphärendruck im ersten und im zweiten Bereich unterschiedlich voneinander sein. Somit kann sowohl für den optischen Sender im ersten Bereich als auch für die Auslenkeinheit im zweiten Bereich jeweils eine Atmosphäre und/oder ein Atmosphärendruck bereitgestellt werden, die einen optimalen Betrieb für den optischen Sender und für die Auslenkeinheit gewährleisten. Beispielsweise kann in dem ersten Bereich ein Schutzgas bereitgestellt werden, das die Oxidation des optischen Senders verhindert und im zweiten Bereich ein Unterdrück erzeugt werden, damit eine mechanische Auslenkeinheit mit möglichst geringen Reibungsverlusten betrieben werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann der erste Bereich mit einem für die Lichtstrahlen optisch transparenten Material gefüllt sein, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der Brechungsindex des zumindest einen optischen Senders an einem
Übergang von einem lichtemittierenden Bereich der optischen Senders zum ersten Bereich und größer als der Brechungsindex des optisch transparenten Bereichs des Trennmittels an einem Übergang zum ersten Bereich ist. Mit einem solchen optische transparenten Material kann sowohl die Auskopplung der erzeugten Lichtstrahlen aus dem optischen Sender als auch das Einkoppeln der Lichtstrahlen in den optischen
transparenten Abschnitt des Trennmittels verbessert werden. Somit können optische Verluste reduziert werden. Als geeignetes optisch transparentes Material kann
beispielsweise eine Immersionsflüssigkeit, insbesondere ein Immersionsöl, oder ein optisches Gel verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Sendeeinheit zumindest einer Sendeoptik umfassen, um eine Strahlform der vom optischen Sender ausgesendeten Lichtstrahlen zu modellieren, wobei die Sendeoptik ebenfalls innerhalb der Kapselung angeordnet ist. Modellieren im Sinne der Erfindung bedeutet, dass insbesondere ein Querschnitt der erzeugten Richtung durch die Sendeoptik die beeinflusst bzw. angepasst wird.
Beispielsweise kann die Sendeoptik eine oder mehrere Linsen umfassen, die die
Lichtstrahlen parallelisiert, also insbesondere einer Divergenz der Lichtstrahlen entgegenwirken. Weiterhin kann die Sendeoptik derart ausgestaltet sein, dass die erzeugten Lichtstrahlen in einer Raumrichtung, beispielsweise in eine vertikale
Raumrichtung, aufgeweitet werden, sodass die Lichtstrahlen keinen kreisförmigen, sondern einen balkenförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Sendeoptik kann beispielsweise mittels einer Einfassung in der Abschirmung befestigt werden. Die Einfassung kann in dieser Ausgestaltung das Trennmittel für den ersten und den zweiten Bereich bilden. Der optisch transparente Bereich des Trennmittels kann durch die Sendeoptik ausbilden werden. Wird eine Sendeoptik mit einer Einfassung als Trennmittel verwendet, kann die Anzahl an benötigen Bauteilen reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kapselung ein Sendefenster aufweisen, das aus einem Polymer oder Glas besteht und durch das ausgelenkte Lichtstrahlen aus der Sendeeinheit austreten können. In einer weiteren Ausführungsform kann die Innenseite der Kapselung zumindest abschnittsweise mit einer Anti-Reflektionsbeschichtung beschichtet sein. Eine Anti- Reflektionsbeschichtung bietet den Vorteil, dass eventuell entstehende Streustrahlung innerhalb der Kapselung durch die Anti-Reflektionsbeschichtung absorbiert werden kann. Somit wird vermieden, dass Lichtstrahlen durch Mehrfachreflektionen an den
Innenseitenflächen der Kapselung und/oder an den in dem Innenraum der Kapselung angeordneten Bauelementen in einer ungewollten Raumrichtung aus der Sendeeinheit austreten. Dies erhöht zudem die Augensicherheit der Sendeeinheit.
In einer Ausführungsform kann zumindest eine Platine, insbesondere eine Keramikplatine, auf der zumindest der zumindest eine optische Sender angeordnet ist, zumindest einen ersten Abschnitt der Kapselung bilden. Dies bietet den Vorteil, dass der Aufbau der Kapselung vereinfacht werden kann, indem eine Platine, auf der beispielsweise der zumindest eine optische Sender und die Auslenkeinheit auf einer Platine aufgebracht und relativ zueinander justiert werden, eine Seite der Kapselung bildet. Die Kapselung kann dann durch Aufbringen der übrigen Kapselungsstruktur, die beispielsweise als
Halbzylinder oder als Quader ausgebildet sein kann, verschlossen werden. Zum hermetischen Verschließen kann die Kapselungsstruktur mit der Platine beispielsweise verklebt, verlötet oder veschweißt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kapselung eine Zylinderform aufweisen, deren Grundfläche durch die Platine gebildet wird. Hierbei kann der zumindest eine optische Sender auf die Platine aufgebracht werden. Die Auslenkeinheit kann mittels eines Halteelementes innerhalb der zylinderförmigen Kapselung befestigt werden.
Das Verwenden einer Platine als eine Seitenfläche der Kapselung bietet insbesondere den Vorteil, dass keine Öffnungen in der Kapselung vorgesehen werden müssen für eine elektrische Kontaktierung der elektrischen Komponenten im Innenraum der Kapselung. Stattdessen kann die Kontaktierung mittels der in der Platine integrierten elektrischen Kontakte realisiert werden. Somit wird die hermetische Abschirmung der Kapselung verbessert.
Die Aufgabe wird ferner durch eine erfindungsgemäße optische Detektionsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen optischen Sendeeinheit gelöst.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Detektionsvorrichtung ein Austrittsfenster aufweisen, welches bei eingebauter Sendeeinheit durch das Sendefenster der Sendeeinheit verschlossen ist. Mit anderen Worten kann im Gehäuse der Detektionsvorrichtung eine Aussparung vorgesehen sein, die nach dem Einbau der optischen Sendeeinheit durch das Sendefenster der Sendeeinheit verschlossen wird. Somit kann das Sendefenster der optischen Sendeeinheit das Austrittsfenster der
Detektionsvorrichtung bilden. Die Aussparung im Gehäuse der Detektionsvorrichtung kann bei dieser Ausführungsform an eine Kontur des Sendefensters angepasst sein. Nach dem Einbau der Sendeeinheit kann das Sendefenster der optischen Sendeeinheit mit dem Gehäuse verbunden werden, beispielsweise durch verkleben oder verschweißen.
Der Vorteil beim Verwenden des Sendefensters der optischen Sendeeinheit als
Austrittsfenster der optischen Detektionsvorrichtung ist der Entfall eines separaten Austrittsfensters der optischen Detektionsvorrichtung. Somit kann auf ein Bauelement der Detektionsvorrichtung eingespart werden. Zudem bildet ein zusätzliches Austrittfenster der optischen Detektionsvorrichtung zwei weitere Grenzflächen für die abgelenkten
Lichtstrahlen. Durch den Entfall dieser zwei weiteren Grenzflächen kann die Strahlqualität erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Detektionsvorrichtung zusätzlich eine
Empfangseinheit aufweisen, die ebenfalls in der Kapselung angeordnet ist. Eine solche Empfangseinheit kann beispielsweise zumindest einen optischen Empfänger und optional zumindest eine Empfangsoptik umfassen. Die Empfangseinheit kann beispielsweise im zweiten Bereich des Innenraums der Kapselung angeordnet sein.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Kraftfahrzeug mir einer erfindungsgemäßen optischen Detektionsvorrichtung gelöst.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen schematisch:
Figur 1 ein Kraftfahrzeug in der Vorderansicht, welches ein Fahrerassistenzsys tem mit einer optischen Detektionsvorrichtung aufweist;
Figur 2 ein Funktionsschaubild des Kraftfahrzeugs mit dem Fahrerassistenzsystem aus der Figur 1 ;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer Sendeeinheit der optischen
Detektionsvorrichtung des Kraftfahrzeugs aus den Figuren 1 und 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer Sendeeinheit der optischen Detektionsvorrichtung des Kraftfahrzeugs aus den Figuren 1 und 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 eine perspektivische Darstellung einer Sendeeinheit der optischen
Detektionsvorrichtung des Kraftfahrzeugs aus den Figuren 1 und 2 gemäß einer dritten Ausführungsform;
In der Figur 1 ist die Frontansicht eines Kraftfahrzeugs 10 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist eine optische Detektionsvorrichtung 11 in Form eines Laserscanner auf. Mit der optischen Detektionsvorrichtung 11 kann eine Umgebung 15 des Kraftfahrzeugs 10 abgetastet werden. Das heißt, dass die optische Detektionsvorrichtung 11 dazu ausgebildet ist, Objekte in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 zu detektieren und die Positionen und die Abstände zu den Objekten 19 zu erfassen. Objekte 19 können beispielsweise andere Fahrzeuge, Fußgänger oder sonstige Hindernisse sein. Die optische Detektionsvorrichtung 11 kann, wie in Figur 1 dargestellt, zentral in der vorderen Stoßstange des Kraftfahrzeugs 10 verbaut sein. Bei dieser Verbauungsposition wird ein Umgebungsbereich vor dem Kraftfahrzeug 10 überwacht. Der Umgebungsbereich, der mit einer optischen Detektionsvorrichtung 11 erfasst werden kann, wird auch als Sichtfeld 18 bezeichnet. Je nach Anwendungszweck kann das benötigte Sichtfeld 18 sowohl in der Ausrichtung als auch in der Ausdehnung variieren. Neben der Verbauung zentral in der Stoßstang sind daher weitere Verbauungspositionen möglich, um unterschiedliche Ausrichtungen des Sichtfeldes 18 und damit andere Umgebungsbereiche des
Kraftfahrzeugs 10 zu erfassen. Beispielsweise kann die optische Detektionsvorrichtung 11 auch im Kühlergrill, an der hinteren Stoßstange oder seitlich am Kraftfahrzeug 10 befestigt werden.
In der Figur 2 ist ein Funktionsschaubild einiger Bauteile des Kraftfahrzeugs 10 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 bewegt sich in Fahrtrichtung 53. Das Funktionsschaubild soll hierbei lediglich das Funktionsprinzip eines Fahrerassistenzsystems mit einer optischen Detektionsvorrichtung 11 in einem Fahrzeug darstellen und nicht die räumliche Orientierung.
Die optische Detektionsvorrichtung 11 umfasst eine Sendeeinheit 12 und eine
Empfangseinheit 13 sowie eine elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung 13. Die Sendeeinheit 12 umfasst einen optischen Sender 20, beispielsweise zumindest einer Laserdiode, insbesondere einem Kantenemitter oder einer Vertical Cavity Surface
Emitting Laser (VCSEL) - Diode, und eine Auslenkeinheit 22, insbesondere zumindest einen rotierenden oder schwingenden Spiegel, einen Wellenleiter oder einen sogenanntes Optical Phased Array. Die Empfangseinheit 12 umfasst eine Empfangsoptik 32 und einen optischen Empfänger 30. Als Empfangsoptik 32 kann beispielsweise eine Linse, ein (Mikro-) Linsenarray oder ein Filter zum Einsatz kommen. Als optische Empfänger 30 können Photodetektoren wie eine Photodiode oder eine Lawinenphotodiode (Avalanche Photodiode - kurz APD) eingesetzt werden, sowohl einzeln als auch in Form eines eindimensionalen oder zweidimensionalen CCD-Arrays.
Mit der Lichtquelle 20 werden Lichtstrahlen 16 erzeugt, die mittels der Auslenkeinheit 22 ausgelenkt werden. Die ausgelenkten Lichtstrahlen 17 werden dann in den
Umgebungsbereich 15 ausgesendet. Die ausgelenkten Lichtstrahlen 17 werden an einem Objekt 19 reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen 32 werden vom optischen Empfänger 30 empfangen, so dass ein elektrisches Signal erzeugt wird. Das elektrische Signal wird an die elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung 13 übertragen, die die Position und den Abstand zu dem Objekt 19 bestimmt.
Zur Abstandsbestimmung wird das sogenannte Lichtlaufzeitprinzip angewandt. Dies bedeutet, dass die Zeitdifferenz zwischen Aussenden der erzeugten Lichtstrahlen 16 und dem Empfangen der reflektierten Lichtstrahlen 32 bestimmt und auf Basis der Laufzeit die vom Lichtstrahl zurückgelegte Entfernung berechnet wird. Die Position des Objektes, das heißt der Winkel des Objektes zu einer Referenzachse, z. B. der Fahrzeuglängsachse, wird mittels der Raumrichtung bestimmt, in der die optische Detektionsvorrichtung 11 zu einem gegebenen Zeitpunkt die Lichtstrahlen 17 aussendet und zugehörige reflektierte Lichtstrahlen 32 empfängt. Die Abtastfrequenz der optische Detektionsvorrichtung 11 ist hierbei so gewählt, dass die Reflektion eines ausgesendeten Lichtstrahls 17 an einem Objekt 19, dass sich in einer maximal erfassbaren Distanz der optische
Detektionsvorrichtung 11 zum Kraftfahrzeug 10 befindet, empfangen werden kann, bevor der nächste Lichtstrahl 17 ausgesendet wird. Auf diese Weise kann auf einfache Weise der Winkel der Objektes 19 zur Referenzachse bestimmt werden, ohne dass ein winkelauflösender optischer Empfänger 30 benötigt wird. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich auch ein winkelauflösender optischer Empfänger 30 eingesetzt werden.
Das Kraftfahrzeug 10 weist außerdem ein Fahrerassistenzsystem 50 auf. Mit dem
Fahrerassistenzsystem 50 kann ein Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 unterstützt werden oder das Kraftfahrzeug 10 zumindest teilweise autonom fahren. Mit dem
Fahrerassistenzsystem 50 können Fahrfunktionen des Kraftfahrzeugs 10, beispielsweise eine Motorsteuerung, eine Bremsfunktion oder eine Lenkfunktion beeinflusst oder Hinweise oder Warnsignale ausgegeben werden. Hierzu ist das Fahrerassistenzsystem 50 mit Funktionseinrichtungen 52 regelnd und/oder steuernd verbunden. In der Figur 2 sind beispielhaft zwei Funktionseinrichtungen 52 dargestellt. Bei den
Funktionseinrichtungen 52 kann es sich beispielsweise um ein Motorsteuerungssystem, ein Bremssystem, ein Lenksystem, eine Fahrwerksteuerung oder ein
Signalausgabesystem handeln. Die elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung der optische Detektionsvorrichtung 11 stellt hierbei Informationen zu Objekten 19 an eine elektronische Steuereinrichtung 51 des Fahrerassistenzsystems 50 bereit. Diese
Objektinformationen können als eine der Eingabeparameter für die
Funktionseinrichtungen 52 dienen.
In der Figur 3 ist eine erste Ausführungsform der Sendeeinheit 12 der optischen
Detektionsvorrichtung 11 dargestellt. Die Sendeeinheit 12 weist einen optischen Sender 20 und eine Auslenkeinheit 22 auf. Die Auslenkeinheit 22 ist als schwingender
Mikrospiegel ausgebildet, die von einer Antriebseinheit 41 angesteuert wird. Der optische Sender 20, der Auslenkeinheit 22 sowie die Antriebseinheit 41 sind hierbei in einem Innenraum 24 der Sendeeinheit 12 angeordnet, die von einer Kapselung 23 umschlossen und hermetisch gegenüber einer Umgebungsatmosphäre abkapselt. Die Antriebseinheit 41 kann optional auch außerhalb der Kapselung 23 angeordnet sein.
Im von der Kapselung 23 umschlossenen Innenraum 24 liegt eine zur
Umgebungsatmosphäre unterschiedliche Atmosphäre vor. In dieser Ausführungsform ist der Atmosphärendruck im Innenraum 24 der Kapselung 23 kleiner als 1 hPa. Mit anderen Worten ist der Atmosphärendruck im Innenraum 24 der Kapselung 23 nahezu ein
Vakuum. Ein solch niedriger Atmosphärendruck bedingt eine Atmosphäre, die besonders eine geringe Feuchtigkeit aufweist. Somit kann sich keine Feuchtigkeit an einem oder mehreren Bauteilen ablagern. Zusätzlich ermöglicht die geringe Atmosphärendichte ein besonders verlustfreies Schwingen des Auslenkeinheit 22. Der Auslenkbereich 42 und somit der maximale Auslenkwinkel des Auslenkeinheit 22 kann daher vergrößert werden.
Die von der Lichtquelle 20 erzeugten Lichtstrahlen 16 werden mittels des Auslenkeinheit 22 zeitlich nacheinander in unterschiedliche Raumrichtungen ausgelenkt. Die
ausgelenkten Lichtstrahlen 17 treten durch ein Sendefenster 42 der Kapselung 23 aus der Kapselung 23 aus und gelangen in den Umgebungsbereich 15. Durch die Vergrößerung des maximalen Auslenkwinkels des Auslenkeinheit 22 kann der Winkelbereich, in dem ausgelenkte Lichtstrahlen 17 ausgesendet werden, erhöht werden. Somit wird das Sichtfeld 18 der Detektionsvorrichtung 11 und somit auch der Umgebungsbereich 15, in dem Objekte 19 detektiert werden können, vergrößert. Durch die hermetische Kapselung 23 des optischen Senders 20 und der Auslenkeinheit 22 im Innenraum 24 der Kapselung 23 wird zudem verhindert, dass Fremdpartikel, Feuchtigkeit oder sonstige Stoffe in fester, flüssiger oder gasförmiger Form in den optischen Pfad der Sendeeinheit 12 eintreten kann. Somit wird eine hohe Strahlqualität der Sendeeinheit 12 gewährleistet und Objekte 19 können mit hoher Zuverlässigkeit detektiert werden.
In der Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich von der vorherigen Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Sendeeinheit 12 in dieser Ausführungsform eine Trennmittel 27 mit einem optischen transparenten Abschnitt 28 umfasst. Das Trennmittel 27 unterteil den Innenraum 24 der Kapselung 23 in einen ersten und einen zweiten Bereich 25, 26.
Das Trennmittel 27 ist in dieser Ausführungsform durch eine Sendeoptik, insbesondere eine Linse, einen Spiegel, ein diffraktives optisches Element oder eine Kombination aus solchen optischen Bauelementen, und ein entsprechendes Halteelement für die
Sendeoptik ausgebildet. Die Sendeoptik bildet hierbei den optisch transparenten Abschnitt 28 des Trennmittels 27. Durch das Ausbilden des Trennmittels 27 durch eine Sendeoptik mit zugehörigen Halteelementen der Sendeoptik, kann die Anzahl an Bauteilen reduziert werden.
Die Sendeoptik ist derart ausgestaltet, dass die erzeugten Lichtstrahlen 16 mittels der Sendeoptik modelliert werden. Dies bedeutet, dass insbesondere ein Strahlquerschnitt der erzeugten Lichtstrahlen 16 beeinflusst wird, Beispielsweist kann mittels der Sendeoptik aus einem kreisförmigen Strahlquerschnitt ein balkenförmiger Strahlquerschnitt erzeugt werden. Somit kann der Strahlquerschnitt mittels der Sendeoptik an vorbestimmten Anforderungen angepasst werden und die Strahlqualität erhöhen.
Das Trennmittel 27 ist hierbei derart ausgebildet, dass im ersten und im zweiten Bereich 25, 26 des Innenraums 24 der Kapselung 23 unterschiedliche Atmosphären und
Atmosphärendrücke herrschen können. In diesem Beispiel ist im ersten Bereich 25 ein Immersionsöl eingebracht und im zweiten Bereich 25 ein Atmosphärendruck von kleiner als 1 hPa.
Durch das Immersionöl wird sowohl die Auskoppeleffizienz der erzeugten Lichtstrahlen 16 aus dem optischen Sender 20 als auch die Einkoppeleffizienz der erzeugten Lichtstrahlen 16 in die Sendeoptik erhöht. Ein geeignetes Immersionsöl weist hierbei einen Brechungsindex auf, der kleiner als der Brechungsindex des optischen Senders (20) an einem Übergang von einem lichtemittierenden Bereich des optischen Senders (20) zum ersten Bereich (25) und größer als der Brechungsindex des optisch transparenten Bereichs (28) des Trennmittels (27) an einem Übergang zum ersten Bereich (25) ist.
Das Immersionsöl verhindert zudem, dass die Oberfläche des optischen Senders 20 oxidieren kann.
Ein Atmosphärendruck von kleiner als 1 hPa im zweiten Bereich erhöht wie in der vorherigen Ausführungsform beschrieben das Sichtfeld der optischen
Detektionsvorrichtung 11.
In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sich von der vorherigen
Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass im Innenraum 24 der Kapselung 22 nicht nur die optischen Bauelemente für das Aussenden von abgelenkten Lichtstrahlen 17 angeordnet sind, sondern auch Bauelemente einer optischen Empfangseinheit 13 zum Empfangen von an einem Objekt 19 reflektierten Lichtstrahlen 32.
Ein in Figur 5 dargestellter Aufbau wird auch als koaxiales System bezeichnet, da Sende- und Empfangsstrahlen zumindest abschnittsweise den gleichen optischen Pfad aufweisen. In dieser koaxialen Ausführungsform sind gegenüber der in Figur 4 offenbarten Ausführungsform sind zusätzlich eine Empfangsoptik 31 und ein optischer Empfänger 30 der Empfangseinheit 13 der optischen Detektionsvorrichtung 11 sowie ein Strahlteiler 33 im zweiten Bereich 26 des Innenraums 24 der Kapselung 23 angeordnet.
Der Strahlteiler 33 ist derart angeordnet, dass die von der Sendeoptik als optisch transparentem Bereich 28 des Trennmittels 27 modellierten Lichtstrahlen 29 durch den Strahlteiler transmittieren können und von der Auslenkeinheit 22 abgelenkt werden können. An einem Objekt 19 reflektierte Lichtstrahlen 32 werden durch die Auslenkeinheit 22 in Richtung des Strahlteilers 33 reflektiert. Der Strahlteiler 33 reflektiert diese
Lichtstrahlen 32 in Richtung des optischen Empfänger 30. Zwischen dem Strahlteiler 33 und dem optischen Empfänger 30 ist eine Empfangsoptik 31 angeordnet, die Lichtstrahlen 32 parallelisieren oder fokussieren kann. Die Empfangsoptik 31 kann beispielsweise eine Linse, einen Spiegel, ein diffraktives optisches Element oder eine Kombination aus solchen optischen Bauelementen sein.
Durch das Einbringen der optischen Bauelemente für das Empfangen von an einem Objekt 19 reflektierten Lichtstrahlen 32 kann auch der optische Empfangspfad frei von Fremdpartikeln gehalten werden. Somit können Verluste im Empfangspfad reduziert werden.
Die Bauelemente für das Empfangen von an einem Objekt 19 reflektierten Lichtstrahlen 32 können jeweils auch im ersten 25 Bereich angeordnet sein. Hierbei kann die den optisch transparenten Abschnitt 27 des Trennmittels 27 bildende Sendeoptik auch gleichzeitig als Empfangsoptik genutzt werden. Alternativ kann auch ein dritter Bereich im Innenraum 24 der Kapselung 23 vorgesehen sein, in dem eine für die
Empfangsbauelemente angepasste Atmosphäre und ein angepasster Atmosphärendruck herrscht.

Claims

Ansprüche
1. Optische Sendeeinheit (12) für eine optische Detektionsvorrichtung (1 1 ) für ein Kraftfahrzeug (10), mit zumindest einem optischen Sender (20) zur Erzeugung von Lichtstrahlen (16) und mit zumindest einer Auslenkeinheit (22), die dazu ausgelegt ist, die erzeugten Lichtstrahlen (16) in unterschiedliche Raumrichtungen auszulenken,
dadurch gekennzeichnet, dass
der optische Sender (20) und die Auslenkeinheit (22) in einem Innenraum (24) angeordnet sind, der von einer Kapselung (23) umschlossen und von dieser hermetisch gegenüber einer Umgebungsatmosphäre abgekapselt ist, sodass der Innenraum (24) der Kapselung (23) eine zur Umgebungsatmosphäre
unterschiedliche Atmosphäre und einen zum Umgebungsdruck unterschiedlichen Atmosphärendruck aufweisen kann.
2. Sendeeinheit nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Atmosphäre innerhalb der Kapselung (23) durch ein Schutzgas gebildet ist, dass den Innenraum (24) der Kapselung (23) ausfüllt.
3. Sendeeinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Atmosphärendruck innerhalb der Kapselung (23) größer ist als der
Umgebungsdruck der Umgebungsatmosphäre.
4. Sendeeinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Atmosphärendruck im Innenraum der Kapselung (23) kleiner als der
Umgebungsdruck der Umgebungsatmosphäre, insbesondere kleiner als 1 hPa, ist.
5. Sendeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapselung (23) zumindest ein Trennmittel (27) umfasst, das den Innenraum der Kapselung (23) hermetisch in einen ersten und einen zweiten Bereich (25, 26) unterteilt und zumindest einen für die erzeugten Lichtstrahlen (16) optisch transparenten Abschnitt (28) aufweist, wobei der zumindest eine optische Sender ersten Bereich (25) und die zumindest eine Auslenkeinheit (22) im zweiten Bereich (26) angeordnet ist und wobei die erzeugten Lichtstrahlen (16) durch den optisch transparenten Abschnitt (28) des Trennmittels (27) aus dem ersten Bereich (25) in den zweiten Bereich (36) eintreten können.
6. Sendeeinheit nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Atmosphäre und/oder der Atmosphärendruck im ersten und im zweiten Bereich (25, 26) unterschiedlich voneinander sind.
7. Sendeeinheit nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bereich (25) mit einem für die erzeugten Lichtstrahlen (16) optisch transparenten Material gefüllt ist, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der Brechungsindex des zumindest einen optischen Senders (20) an einem Übergang von einem lichtemittierenden Bereich des optischen Senders (20) zum ersten Bereich (25) und größer als der Brechungsindex des optisch transparenten Bereichs (28) des Trennmittels (27) an einem Übergang zum ersten Bereich (25) ist.
8. Sendeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sendeeinheit (12) zumindest einer Sendeoptik (21 ) umfasst, um eine
Strahlform der vom optischen Sender (20) erzeugten Lichtstrahlen (16) zu modellieren, wobei die Sendeoptik (21 ) ebenfalls innerhalb der Kapselung (23) angeordnet ist.
9. Sendeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapselung (23) ein Sendefenster (43) aufweist, das aus einem Polymer oder Glas besteht und durch das ausgelenkte Lichtstrahlen (17) aus der Sendeeinheit (12) austreten können.
10. Sendeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Innenseite der Kapselung (23) zumindest abschnittsweise mit einer Anti- Reflektionsbeschichtung beschichtet ist.
1 1. Sendeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Platine (40), insbesondere eine Keramikplatine, auf der zumindest der zumindest eine optische Sender (20) angeordnet ist, zumindest einen ersten Abschnitt der Kapselung (23) bildet.
12. Optische Detektionsvorrichtung (1 1 ) mit einer Sendeeinheit (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen.
13. Optische Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Detektionsvorrichtung (1 1 ) ein Austrittsfenster aufweist, welches bei eingebauter Sendeeinheit (12) durch das Sendefenster (43) der Sendeeinheit (12) verschlossen ist.
14. Optische Detektionsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Detektionsvorrichtung (1 1 ) zusätzlich eine optische Empfangseinheit (13) aufweist, die ebenfalls in der Kapselung (23) angeordnet ist.
15. Kraftfahrzeug (10) mit einer optischen Detektionsvorrichtung (1 1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen.
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