DE10156282B4 - Entfernungsbildsensor - Google Patents

Abstract

Entfernungsbildsensor bei dem die Laufzeit von Lichtimpulsen ausgewertet wird, die vom Sensor erzeugt und ausgesendet werden und von der zu vermessenden Szene zurückgestreut werden, mit einer Matrix von Lasern, deren Einzelelemente auf die zu vermessende Szene abgebildet werden, und mit einem oder mehreren Empfängern, einer Zwischenoptik, einer Blende mit schlitzförmigen Öffnungen und einer Empfangsoptik, wobei die von der Szene rückgestreuten Lichtimpulse über die Empfangsoptik auf die Blende abgebildet werden, durch die diese Lichtimpulse über die Zwischenoptik auf den einen oder die mehreren Empfänger abgebildet werden.

Description

• Für den mittleren Entfernungsbereich sind folgende aktive Entfernungsbildsensoren bekannt.
• US 5210586 A Bei diesem Vorschlag werden mehrere jeweils lichtleitergekoppelte Senderelemente und Empfangselemente über einen Strahlteiler auf ein mechanisch bewegtes Spiegelsystem abgebildet und mit diesem sowohl in Elevation als auch in Azimuth die Umgebung abgetastet.
• CH 676042 A5 Diese Schrift offenbart die Anwendung einer Blende vor einem von der Herstellung her rechteckigen Fotodetektor mit Entfernungsmesser.
• US 5552893 A In dieser Schrift wird eine Scan-Einrichtung beschrieben bei der mehrere lichtleitergekoppelte Lasersender über einen Spiegel, der mechanisch bewegt wird gescannt wurde.
• US 5953110 A Diese Schrift offenbart eine Anordnung von jeweils lichtleitergekoppelten Empfänger und Lasersender, deren Lichtleiter jeweils zu einer Matrix geformt sind und über eine Optik abgebildet wurden und über die Pulslaufzeit ein Bild der jeweils aufgetretenen Zeitabstände liefert.
• Alle diese Systeme haben den Nachteil, dass sie entweder sehr aufwendig und teuer sind oder nicht mit mehreren beleuchteten Objektflächen, die in der Tiefe gestuft sind, zurecht kommen. Sie sind nur in einem relativ großen Volumen unterbringbar. Außerdem sind sie nur sehr schwer unter Beachtung der Vorschriften für die Augensicherheit zu realisieren.
• Vorliegende Erfindung löst die Aufgabe einen Entfernungsbildsensor mit hoher Langzeitstabilität und unkritischer Justage darzustellen. Außerdem enthält das erfindungsgemäße System keine bewegten Teile und erreicht ein sehr gute Signal-Rausch-Verhältnis. Der Aufbau wird sehr klein und in der Serienproduktion ist das System preisgünstig herstellbar.
• Die Erfindung wird anhand der 1 bis 7 beschrieben.
• Die Erfindung arbeitet im optischen Bereich nach dem Pulslaufzeitverfahren.
• Entsprechend 1 wird auf die, in einem Entfernungsbild darzustellende Szene über eine Sendeoptik 102 eine Matrix aus z. B. Vertikal-Halbleiterlasern abgebildet. Die Einzelelemente sind dabei auf parallelen Linien angeordnet. Die Laser werden einzeln nacheinander angesteuert und senden sehr kurze Lichtimpulse aus. Die von der Szene jeweils rückgestreute Lichtenergie wird über die Empfangsoptik 103 auf die Blendenmatrix 104 abgebildet. Diese Blendenmatrix enthält dort wo die einzelnen Reihen der Laserdiodenmatrixpunkte als Abbildung zu erwarten sind kleine schlitzförmige Öffnungen 104a bis 104c. Damit wird nur die Lichtmenge, die durch die Rückstreuung der Laser erzeugt wird auf die Zwischenoptik durchgelassen sowie nur ein kleiner Anteil des Umgebungslichtes. Die Zwischenoptik 105 dient als Sammellinse und bringt die gesamte Lichtmenge auf die Sammellinse 106 die das gesamte divergente Lichtbündel zu einem fast parallelen Strahlenbündel formt. Dieses Strahlenbündel wird durch ein z. B. Interferenzfilter 107 geleitet, das nur für die Wellenlänge der Laser der Matrix durchlässig ist und trifft auf den Fotodetektor 108. Durch die Blendenmatrix 104 und das Filter 107 wird der Detektor 108 nur mit extrem wenig Fremdlicht beaufschlagt. Damit ist es möglich ein Entfernungsbild mit einem einzigen oder wenigen Detektoren aufzunehmen ohne dass das Signal-Rauschverhältnis unvertretbar niedrig wird. Die Auswertung der Entfernungen und das Zusammenfügen in ein Entfernungsbild werden entsprechend 2 beschrieben. Die einzelnen Laser der Lasermatrix 101 werden über einem Multiplexer 203 in ihren z. B. Zeilen ausgewählt, während ein weiterer Multiplexer und Pulsgenerator 202 einerseits die Spalten ausgewählt, andererseits die Stromimpulse von ca. 2–15 ns Halbwertsbreite für die Ansteuerung der ausgewählten Laserdioden abgibt. Die zeitliche Triggerung der Stromimpulse geschieht über die Signalauswertung und Zeitsteuerung 204. Hier werden die Differenzzeiten zwischen dem Aussenden der Lichtimpulse und Auftreffen der rückgestreuten Lichtenergie auf den Fotodetektor 108 ermittelt. Die Signale des Fotodetektors werden in einem Verstärker 201 in ihrer Amplitude angehoben. Die gesamte Ablaufsteuerung, die Analog-Digital-Wandlung der Ausgangsdaten der Signalauswertung 204, die Auswertung und das Verfolgen von Objekten im Entfernungsbild, wird von Prozessor 205 übernommen. Die Stromversorgung und die Schnittstellen für die Datenübertragung an einen Bus z. B. CAN oder MOST 207 wird von der Einheit 206 übernommen. Die Gesamtversorgung 208 erfolgt über diese Baueinheit z. B. aus dem KFz Netz mit z. B. 12 bis 42 Volt.
• Die Signalverarbeitung und Zeitsteuerung 204 ist im einzelnen in 3 beschrieben. Der Oszillator in der Baugruppe 301 läuft z. B. mit einer Taktfrequenz von 500 MHz und steuert ein Schieberegister an, das sequentiell in einem Abstand von z. B. 2 ns die Transistoren 302a bis 302x der Samplingmatrix 311 aufsteuert. Das vom Empfänger 108 kommende Signal wird im Verstärker in seinem Pegel angehoben und mit einer niedrigen Impedanz auf die Leitung 315 gegeben, die mit dem Widerstand 308 der dem Wellenwiderstand der Leitung 315 entspricht abgeschlossen ist. Entsprechend der Amplitude des Signals auf der Leitung 315 werden die Kondensatoren 303a bis 303x auf einem Pegel, der dem Integral des Signals während der 2 ns langen Aufsteuerung der jeweils zugehörigen Transistoren 302a bis 302x entspricht, aufgeladen. Dadurch, dass die Transistoren 302a bis 302x sofort nach der z. B. 2 ns Aufsteuerung abgeschaltet werden, bleibt die Spannung auf den Kondensatoren 303a bis 303x stehen. Durch die Auslesesteuerung 314, die ihrerseits vom Mikroprozessor über die Leitung 314 getriggert wird, werden die Auslesetransistoren 304a bis 304x in der Auslesematrix 312 so nacheinander angesteuert, dass die Spannungen and den Kondensatoren 303a bis 303x nacheinander auf die Leitung 316 gegeben werden.
• Die durch die Umladung und das Schalten entstandenen Spannungsverluste werden durch den Ausleseverstärker 307 mindestens ausgeglichen. Die Spannung am Ausgang 313 des Ausleseverstärkers wird dem A/D-Wandler des Mikroprozessors zugeführt. Nach diesem Vorgang werden durch Einschalten aller Transistoren 302a bis 302x, 304a bis 304x und dem Transistor 305 alle Kondensatoren 303a bis 303x in der Samplingmatrix 311 wieder auf Nullpotential oder auf einen Ausgangswert ohne Signal entladen. Die Triggerung des Torgenerators in der Baugruppe 301 erfolgt vom Mikroprozessor über die Leitung 310. Die Baugruppe 301 steuert auch jeweils die Lasermatrix 101 entsprechend 2 an.
• Durch das sequentielle Aufsteuern aller Laser in der Lasermatrix 101 und Auswertung der Entfernungen über die Signalverarbeitung entsprechend 3 entsteht mit wenig Aufwand im Mikroprozessor ein Entfernungsbild mit so vielen einzelnen Entfernungspunkten wie die Lasermatrix 101 2 Einzellaser enthält.
• Soll die gesamte Anordnung z. B. bei Nutzung als Precrash-Sensor in Nebel und Gischt gut funktionieren, dann müssen entsprechend 4, um die Rückstreuungen aus der unmittelbaren Nähe abzuschwächen die optische Achsen der Sendeeinheit 101, 102 und der Empfangseinheit 103, 104 in einem Abstand z. B. wie in 402 dargestellt angebracht werden.
• Muss dabei das Gesamtsystem in einem sehr großen Entfernungsbereich z. B. bis sehr nah an den Sensor selbst heran funktionieren, so werden sich durch die Abbildungsgeometrie die von den Lasern 101 beleuchteten Flächen z. B. auf der Blende 104 von der Position 403 im Fernbereich auf die Position 404 im Nahbereich verschieben. Diese Verschiebung von der Position 403 auf die Position 404 wird in der Gestaltung der Blende 104 dadurch berücksichtigt, dass die Blendenöffnungen über die ganze zu erwartende Verlagerungsstrecke reichen wie in 4 durch 104a, 104b und 104c gezeigt. Da die am Empfänger eintreffende Lichtleistung einerseits möglichst wenig Fremdlicht, das bedeutet Licht, das nicht durch die Rückstreuung der Laser 101 vom System selbst erzeugt wird, enthalten soll, andererseits die eigene rückgestreute Lichtleistung bei kürzerem Abstand zunimmt, kann die Blende 104 erfindungsgemäß entsprechend 4a ausgeführt werden.
• In der Blende 104 sind die Schlitze für den Fernbereich 405a, 405b und 405c bis zur Linie 406 so breit wie die Abbildungen der Flächen auf die Blende 104, die von den Lasern 101 beleuchtet werden. Für den Nahbereich sind ab der Linie 406 die Schlitze wesentlich kleiner und entsprechend 407a, 407b und 407c geformt. Das Breitenverhältnis von der Breite der Öffnung 405a zur Breite der Öffnung 407a kann dabei bis zu 1:20 sein. Damit wirkt möglichst wenig Fremdlicht auf den Fotodetektor 108 gemäß 1. ein.
• Um das Verhältnis Nutzlichtleistung zu Fremdlichtleistung noch günstiger zu gestalten wird entsprechend 5 nicht ein einziger Fotodetektor verwendet, sondern pro Reihe jeweils einer. Betrachtet man den Schnitt 500 durch die Blendenmatrix 104 so werden nach den Blendenöffnungen jeweils für jede Öffnung eine eigene Zwischenoptik 501, 502 und 503 angebracht, die damit gesammelte Lichtleistung wird jeweils auf die Sammellinsen 504, 505 und 506 abgebildet. Durch diese Sammellinsen wird jeweils ein nahezu paralleles Lichtbündel geformt, das je durch die Bandpassfilter 507, 508 und 509 auf je einem Fotodetektor 510, 511 und 512 geleitet wird. Die in den 1 bis 5 gezeichneten Lasermatrixen und Blendenmatrixen sind mit je 6 Lasern und 3 Blendenöffnungen gezeichnet, diese Zahl ist nur beispielhaft und kann erfindungsgemäß erniedrigt oder fast beliebig erhöht werden.
• Die Blendenmatrix 104 kann erfindungsgemäß auch so gestaltet werden, dass sie als ganzes oder in Teilflächen in ihrer Durchlässigkeit für Licht elektrisch gesteuert werden kann. Entsprechend 6 ist auf der Zwischenoptik 601 eine solche steuerbare Blendenmatrix 602 aufgebracht, sie ist als Ganzes in kleinen Teilflächen steuerbar oder wie gezeigt in Flächenbereichen 603, 604 und 605. Wird nun z. B. der Laser 101a angesteuert, so wird im normalen Betrieb durch Ermittlung des besten Signal-Rauschabstandes die ganze Blendenmatrix auf undurchlässig geschaltet bis auf den kleinen Flächenbereich 606 der seinerseits durchlässig ist. Damit wird erreicht, dass selektiv nur die Flächen aus der zu nutzenden Szene über die Empfangsoptik 103 auf den Fotodetektor 108 abgebildet werden, die vom Laser 101a beleuchtet werden. Wird eine andere Laserdiode angesteuert z. B. die Laserdiode 101x, so ist auf der ganzen Blendenfläche 602 nur der kleine Flächenbereich 607 durchlässig.
• Die Kontraststeuerung der ganzen oder partiellen Blendenmatrix kann mit bekannten Methoden wie z. B. Flüssigkristallstrukturen, wegklappbaren Mikroflächen oder Mikrospiegeln oder schaltbaren Filterstrukturen erfolgen.
• Die in 4a beschriebene Änderung der Öffnungsbreite als Funktion des Abstandes der Szene vom Sensor selbst kann mit dieser Weitertührung der Erfindung gemäß 6 dynamisch angepasst werden. Der Flächenbereich 606 z. B. gemäß 6 der transparent geschaltet werden muss z. B. bei Aufsteuerung der Laserdiode 101a wird beim Endtest des Systems in der Produktion festgelegt und im Mikroprozessor gespeichert. Ändert sich die Justage durch Alterung oder mechanische Belastung, sucht das System automatisch um diesen Flächenbereich herum das beste Signal-Rauschverhältnis im praktischen Betrieb für jeden Laser und speichert diese Daten neu im System ein. Das dazugehörige Blockschaltbild ist in 7 gezeigt. Der Prozessor 705 besteht aus dem Teil für die Signal-Akquisition, A/D-Wandler, Auswertung und Tracking 206 und dem Teil 703 für die Blendensteuerung und Speicherung der Flächenbereiche. Die Kombination Laserarry 101, Multiplexer 203 und Pulsgenerator, Multiplexer 202 ist in der Einheit 701 zusammengefasst. Hier werden die Lichtimpulse über die Sendeoptik 102 auf die Szene abgegeben. Über die Empfangsoptik 103, die steuerbare Blendenmatrix 602, die Zwischenoptik 105, die Sammellinse 106 und das Filter 107 gelangt der von der Szene reflektierte Lichtimpuls auf den Fotodetektor 108. Über die Signalauswertung 206 wird bei der Endprüfung das beste Signal-Rauschverhältnis festgestellt während die Blendensteuereinheit 703 über den Bus 704 in konstuktiv vor bestimmten Flächeneinheiten verschiedene Flächenbereiche pro Laser transparent schaltet. Die Flächenbereiche mit den besten Ergebnissen werden in der Einheit 703 gespeichert. Im praktischen Betrieb können diese Werte jeweils beim Einschalten des Systems oder zyklisch überprüft und korrigiert werden.
• Sowohl eine feste Blendenmatrix nach 1 als auch eine elektrisch schaltbare Blendenmatrix nach 6 können direkt auf die, zur Empfangsoptik 103 zeigende, Fläche der Zwischenoptik 105 aufgebracht werden.

Claims (12)

1. Entfernungsbildsensor bei dem die Laufzeit von Lichtimpulsen ausgewertet wird, die vom Sensor erzeugt und ausgesendet werden und von der zu vermessenden Szene zurückgestreut werden, mit einer Matrix von Lasern, deren Einzelelemente auf die zu vermessende Szene abgebildet werden, und mit einem oder mehreren Empfängern, einer Zwischenoptik, einer Blende mit schlitzförmigen Öffnungen und einer Empfangsoptik, wobei die von der Szene rückgestreuten Lichtimpulse über die Empfangsoptik auf die Blende abgebildet werden, durch die diese Lichtimpulse über die Zwischenoptik auf den einen oder die mehreren Empfänger abgebildet werden.
2. Entfernungsbildsensor nach Anspruch 1 mit einer ersten Anordnung von Schaltern zur Auswertung der rückgestreuten Lichtimpulse, die entsprechend der augenblicklichen Spannung eines verstärkten Signals sequentiell diese Spannung in einem definierten Zeitfenster auf jeweils einem Kondensator integrieren und diese Schalter nacheinander angesteuert werden, und mit einer zweiten Anordnung von Schaltern, welche die an den Kondensatoren jeweils anliegende Spannung nacheinander auf einen Analog-Digital-Wandler legen.
3. Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Blendenöffnungen so gestaltet sind, dass für Abbildungen aus dem Nahbereich die Blendenöffnungen schmaler sind, so dass bedingt durch die Parallaxe zwischen Sendeoptik und Empfangsoptik im Nahbereich weniger Licht in das Gesamtsystem eintritt.
4. Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Einzelelemente der Matrix von Lasern nacheinander angesteuert werden und zur gesamten Bildabtastung nur ein einziger Empfänger und ein einziger Empfangskanal benutzt wird.
5. Entfernungsbildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem pro Reihe einzelner Laserelemente je ein Empfänger und Empfangskanal benutzt wird und damit jede Reihe getrennt oder parallel angesteuert und ausgewertet werden kann.
6. Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, Laser mit Oberflächenemission (vertikale Cavity, VCSEL) aufweisend.
7. Entfernungsbildsensor nach Anspruch 6, bei dem die Laser mit Oberflächenemission (vertikale Cavity, VCSEL) auf einem einzigen Substrat monolithisch integriert sind.
8. Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Blende aus einem Element besteht, das über eine elektrische Ansteuerung ganz oder in Teilflächen in seiner Durchlässigkeit gesteuert werden kann.
9. Entfernungsbildsensor nach Anspruch 8, bei dem die elektrische Ansteuerung die Teilflächen der Blende in ihrer Durchlässigkeit so einstellt, dass das beste Signal-Rauschverhältnis beim Einschalten oder zyklisch im Betrieb für jeden Laser erreicht wird.
10. Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Blende direkt auf die Zwischenoptik aufgebracht ist.
11. Entfernungsbildsensor nach Anspruch 10, bei dem die Blende direkt auf die Zwischenoptik aufgedampft ist.
12. Entfernungsbildsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Einzelelemente der Matrix von Lasern auf Linien angeordnet sind.