DE10156282B4 - Entfernungsbildsensor - Google Patents
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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 -
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 bis7 beschrieben. - Die Erfindung arbeitet im optischen Bereich nach dem Pulslaufzeitverfahren.
- Entsprechend
1 wird auf die, in einem Entfernungsbild darzustellende Szene über eine Sendeoptik102 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 Empfangsoptik103 auf die Blendenmatrix104 abgebildet. Diese Blendenmatrix enthält dort wo die einzelnen Reihen der Laserdiodenmatrixpunkte als Abbildung zu erwarten sind kleine schlitzförmige Öffnungen104a bis104c . 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 Zwischenoptik105 dient als Sammellinse und bringt die gesamte Lichtmenge auf die Sammellinse106 die das gesamte divergente Lichtbündel zu einem fast parallelen Strahlenbündel formt. Dieses Strahlenbündel wird durch ein z. B. Interferenzfilter107 geleitet, das nur für die Wellenlänge der Laser der Matrix durchlässig ist und trifft auf den Fotodetektor108 . Durch die Blendenmatrix104 und das Filter107 wird der Detektor108 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 entsprechend2 beschrieben. Die einzelnen Laser der Lasermatrix101 werden über einem Multiplexer203 in ihren z. B. Zeilen ausgewählt, während ein weiterer Multiplexer und Pulsgenerator202 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 Zeitsteuerung204 . Hier werden die Differenzzeiten zwischen dem Aussenden der Lichtimpulse und Auftreffen der rückgestreuten Lichtenergie auf den Fotodetektor108 ermittelt. Die Signale des Fotodetektors werden in einem Verstärker201 in ihrer Amplitude angehoben. Die gesamte Ablaufsteuerung, die Analog-Digital-Wandlung der Ausgangsdaten der Signalauswertung204 , die Auswertung und das Verfolgen von Objekten im Entfernungsbild, wird von Prozessor205 übernommen. Die Stromversorgung und die Schnittstellen für die Datenübertragung an einen Bus z. B. CAN oder MOST207 wird von der Einheit206 übernommen. Die Gesamtversorgung208 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 in3 beschrieben. Der Oszillator in der Baugruppe301 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 Transistoren302a bis302x der Samplingmatrix311 aufsteuert. Das vom Empfänger108 kommende Signal wird im Verstärker in seinem Pegel angehoben und mit einer niedrigen Impedanz auf die Leitung315 gegeben, die mit dem Widerstand308 der dem Wellenwiderstand der Leitung315 entspricht abgeschlossen ist. Entsprechend der Amplitude des Signals auf der Leitung315 werden die Kondensatoren303a bis303x auf einem Pegel, der dem Integral des Signals während der 2 ns langen Aufsteuerung der jeweils zugehörigen Transistoren302a bis302x entspricht, aufgeladen. Dadurch, dass die Transistoren302a bis302x sofort nach der z. B. 2 ns Aufsteuerung abgeschaltet werden, bleibt die Spannung auf den Kondensatoren303a bis303x stehen. Durch die Auslesesteuerung314 , die ihrerseits vom Mikroprozessor über die Leitung314 getriggert wird, werden die Auslesetransistoren304a bis304x in der Auslesematrix312 so nacheinander angesteuert, dass die Spannungen and den Kondensatoren303a bis303x nacheinander auf die Leitung316 gegeben werden. - Die durch die Umladung und das Schalten entstandenen Spannungsverluste werden durch den Ausleseverstärker
307 mindestens ausgeglichen. Die Spannung am Ausgang313 des Ausleseverstärkers wird dem A/D-Wandler des Mikroprozessors zugeführt. Nach diesem Vorgang werden durch Einschalten aller Transistoren302a bis302x ,304a bis304x und dem Transistor305 alle Kondensatoren303a bis303x in der Samplingmatrix311 wieder auf Nullpotential oder auf einen Ausgangswert ohne Signal entladen. Die Triggerung des Torgenerators in der Baugruppe301 erfolgt vom Mikroprozessor über die Leitung310 . Die Baugruppe301 steuert auch jeweils die Lasermatrix101 entsprechend2 an. - Durch das sequentielle Aufsteuern aller Laser in der Lasermatrix
101 und Auswertung der Entfernungen über die Signalverarbeitung entsprechend3 entsteht mit wenig Aufwand im Mikroprozessor ein Entfernungsbild mit so vielen einzelnen Entfernungspunkten wie die Lasermatrix101 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 Sendeeinheit101 ,102 und der Empfangseinheit103 ,104 in einem Abstand z. B. wie in402 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 Blende104 von der Position403 im Fernbereich auf die Position404 im Nahbereich verschieben. Diese Verschiebung von der Position403 auf die Position404 wird in der Gestaltung der Blende104 dadurch berücksichtigt, dass die Blendenöffnungen über die ganze zu erwartende Verlagerungsstrecke reichen wie in4 durch104a ,104b und104c gezeigt. Da die am Empfänger eintreffende Lichtleistung einerseits möglichst wenig Fremdlicht, das bedeutet Licht, das nicht durch die Rückstreuung der Laser101 vom System selbst erzeugt wird, enthalten soll, andererseits die eigene rückgestreute Lichtleistung bei kürzerem Abstand zunimmt, kann die Blende104 erfindungsgemäß entsprechend4a ausgeführt werden. - In der Blende
104 sind die Schlitze für den Fernbereich405a ,405b und405c bis zur Linie406 so breit wie die Abbildungen der Flächen auf die Blende104 , die von den Lasern101 beleuchtet werden. Für den Nahbereich sind ab der Linie406 die Schlitze wesentlich kleiner und entsprechend407a ,407b und407c geformt. Das Breitenverhältnis von der Breite der Öffnung405a zur Breite der Öffnung407a kann dabei bis zu 1:20 sein. Damit wirkt möglichst wenig Fremdlicht auf den Fotodetektor108 gemäß1 . 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 Schnitt500 durch die Blendenmatrix104 so werden nach den Blendenöffnungen jeweils für jede Öffnung eine eigene Zwischenoptik501 ,502 und503 angebracht, die damit gesammelte Lichtleistung wird jeweils auf die Sammellinsen504 ,505 und506 abgebildet. Durch diese Sammellinsen wird jeweils ein nahezu paralleles Lichtbündel geformt, das je durch die Bandpassfilter507 ,508 und509 auf je einem Fotodetektor510 ,511 und512 geleitet wird. Die in den1 bis5 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. Entsprechend6 ist auf der Zwischenoptik601 eine solche steuerbare Blendenmatrix602 aufgebracht, sie ist als Ganzes in kleinen Teilflächen steuerbar oder wie gezeigt in Flächenbereichen603 ,604 und605 . Wird nun z. B. der Laser101a angesteuert, so wird im normalen Betrieb durch Ermittlung des besten Signal-Rauschabstandes die ganze Blendenmatrix auf undurchlässig geschaltet bis auf den kleinen Flächenbereich606 der seinerseits durchlässig ist. Damit wird erreicht, dass selektiv nur die Flächen aus der zu nutzenden Szene über die Empfangsoptik103 auf den Fotodetektor108 abgebildet werden, die vom Laser101a beleuchtet werden. Wird eine andere Laserdiode angesteuert z. B. die Laserdiode101x , so ist auf der ganzen Blendenfläche602 nur der kleine Flächenbereich607 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 gemäß6 dynamisch angepasst werden. Der Flächenbereich606 z. B. gemäß6 der transparent geschaltet werden muss z. B. bei Aufsteuerung der Laserdiode101a 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 in7 gezeigt. Der Prozessor705 besteht aus dem Teil für die Signal-Akquisition, A/D-Wandler, Auswertung und Tracking206 und dem Teil703 für die Blendensteuerung und Speicherung der Flächenbereiche. Die Kombination Laserarry101 , Multiplexer203 und Pulsgenerator, Multiplexer202 ist in der Einheit701 zusammengefasst. Hier werden die Lichtimpulse über die Sendeoptik102 auf die Szene abgegeben. Über die Empfangsoptik103 , die steuerbare Blendenmatrix602 , die Zwischenoptik105 , die Sammellinse106 und das Filter107 gelangt der von der Szene reflektierte Lichtimpuls auf den Fotodetektor108 . Über die Signalauswertung206 wird bei der Endprüfung das beste Signal-Rauschverhältnis festgestellt während die Blendensteuereinheit703 über den Bus704 in konstuktiv vor bestimmten Flächeneinheiten verschiedene Flächenbereiche pro Laser transparent schaltet. Die Flächenbereiche mit den besten Ergebnissen werden in der Einheit703 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 nach6 können direkt auf die, zur Empfangsoptik103 zeigende, Fläche der Zwischenoptik105 aufgebracht werden.
Claims (12)
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, Laser mit Oberflächenemission (vertikale Cavity, VCSEL) aufweisend.
- Entfernungsbildsensor nach Anspruch 6, bei dem die Laser mit Oberflächenemission (vertikale Cavity, VCSEL) auf einem einzigen Substrat monolithisch integriert sind.
- 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.
- 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.
- Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Blende direkt auf die Zwischenoptik aufgebracht ist.
- Entfernungsbildsensor nach Anspruch 10, bei dem die Blende direkt auf die Zwischenoptik aufgedampft ist.
- Entfernungsbildsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Einzelelemente der Matrix von Lasern auf Linien angeordnet sind.
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