DE102008064652B4

DE102008064652B4 - Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung

Info

Publication number: DE102008064652B4
Application number: DE102008064652.0A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies
Original assignee: INGBUERO SPIES GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTE GESELLSCHAFTER HANS SPIES MARTIN SPIES; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Current assignee: INGBUERO SPIES GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTE GESELLSCHAFTER HANS SPIES MARTIN SPIES; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart)
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: DE102008019615B4; DE102008064652A1; DE102008019615A1

Abstract

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung einer Szene mit mindestens einem Sender (101) und mindestens einem Empfänger (607), wobei der mindestens eine Sender (101) über einen bewegten Spiegel (601) auf die Szene abgebildet wird und wobei die Rückstreusignale aus der beleuchteten Szene über die Spiegelmatrix (608) mit den Einzelspiegeln (411a bis 411d) auf den mindestens einen Empfänger (607) projiziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelmatrix (608) zugleich als Ablenkmittel und durch Einstellung aller Spiegel zur Fokussierung der Rückstreusignale auf den mindestens einen Empfänger (607) wirkt, und dass ein Baustein (809) Einstellwerte der Spiegelmatrixeinstellung für die Optimierung des Signalrauschverhältnisses verbessert und speichert.

Description

Stand der Technik
Es sind eine Reihe von Sensoren bekannt, die einen Szenenraum abtasten. Diese Sensoren sind z. B. in folgenden Schriften dargestellt:
DE 101 14 362 C2
DE 101 46 692 B4
DE 10 2004 014 041 B4
DE 10 2005 055 572 B4
DE 10 2006 045 799 A1
Alle diese Systeme verwenden zur Raumabtastung mindestens ein rotierendes Teil.
DE 10 2005 049 471 A1
In dieser Schrift wird eine Spiegelmatrix hinter der Empfangsoptik benützt. Diese Spiegelmatrix selektiert nur aus der Gesamtabbildung die vom Sender angestrahlten Abbildungsteile, der Rest der Abbildung geht auf einen Absorber.
DE 103 23 371 A1
In dieser Schrift ist entweder im Empfangs- oder Sende-Bereich eine einfache Spiegelmatrix angebracht. Um eine definierte Ablenkung der Signale zu erreichen, ist eine nicht näher beschriebene Kalibrierung mit Referenzwinkeln im System nötig. Außerdem wird mit der beschriebenen Anordnung nur jeweils ein kleiner Teil entweder der Sendeleistung oder der vom Objekt rückgestreuten Leistung ausgenützt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es mit einfachen und preiswerten, optischen, elektronischen und mechanischen Komponenten eine Raumabtastung durch Entfernungsmessungen durchzuführen und möglichst wenig bewegte Teile und nur solche Teile zu benützen, bei denen ausschließlich Federn als Lagerung Anwendung finden. Darüber hinaus sollen die Strahlungsgänge von Sender und Empfänger eine Parallaxe aufweisen um Blendungen aus dem Nahbereich zu minimieren.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 8 beschrieben. Entsprechend 1 wird der Laser 101 mit einem oder mehreren Laserelementen über die Optik 102 auf eine Seite des Schwingspiegels 103 abgebildet und auf den Spiegel 104 projiziert. Von diesem Spiegel aus erfolgt über die Reflexion durch einen weiteren Spiegel 105 die Abbildung des oder der Laser auf die zu vermessende Szene mit dem Strahlengang 106. Auf der anderen Seite des gleichen Schwingspiegels 103 wird die von den Objekten reflektierte Strahlungsleistung 109 auf die Empfangslinse 110 und über das Bandpassfilter 111 und die Blende 112 auf den einen oder mehrere Fotodetektoren 113 abgebildet. Wird der Schwingspiegel 103 über z. B. das Magnetsystem 107 und die Wicklung 108 um den Winkel 115 geschwenkt, werden sowohl der Laser 101 über den Strahlengang 106 als auch der Empfänger 113 über den Strahlengang 109 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Der Schwingspiegel 103 wird z. B. über die elastischen Bänder 103a und 103b in den Befestigungen 114a und 114b gehaltert. Die Kontrolle der Schwingungslage und der Amplitude und damit der Strahllage erfolgt dadurch, dass der Spiegel 106 einen sehr kleinen Teil der Strahlungsleistung auf die CMOS- oder CCD-Empfängerzeile 116 durchlässt.
Entsprechend 1a können auch die Empfangslinse 110 und das Filter 111 vor dem Schwingspiegel 117 angebracht werden. Dieser kann in zwei senkrecht zueinander angeordneten Achsen 115 und 118 geschwenkt werden und bildet die zu vermessende Fläche auf den Detektor 119 ab. Der Detektor 119 hat eine sehr kleine empfindliche Fläche 121, die über die Metallisierung 120 abgeblendet ist. Damit wird nur die vom Laser beleuchtete Fläche auf den Detektor abgebildet und damit das Signal-Rauschverhältnis wesentlich verbessert. Die Laserbeleuchtung erfolgt in einer Ausführungsform über den ebenfalls gesteuerten Spiegel 122 mit seinen Bewegungswinkeln 123 und 124 auf den der Laser 101 über die Sendelinse 102 projiziert wird. Die Steuerung des Spiegels 122 erfolgt durch die Optimierung des Signals in der Endjustage dadurch, dass ein entferntes Ziel direkt angemessen oder simuliert wird und die entsprechenden Daten in der Elektronik gespeichert werden. Beim Wirkbetrieb wird der Spiegel 122 in beiden Bewegungswinkeln anhand dieser Daten voreingestellt, wobei die Position über die Optimierung der Signalstärke von fernen Objekten verbessert und wieder abgespeichert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform wird der Laser 101 über die Sendeoptik 102 auf die Rückseite des gleichen Spiegels 117 projiziert und über die Spiegel 104 und 105 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Die Lage des Laserstrahls wird durch die Einleitung eines Teiles der Laserleistung über Löcher 125 und 125a auf Fotodetektoren 126 und 126a ermittelt. Hierbei können mehrere solcher Lagesensoren über der Fläche des Spiegels 105 verteilt sein. Eine weitere Ausführungsform ist in 2 beschrieben. Der oder die Sender 101 werden über die Sendeoptik 102 auf die eine Seite des Schwingspiegels 103 abgebildet und von dort auf einen Spiegel 202 projiziert. Dieser Spiegel 202 weist eine derartige Krümmung auf, so dass bei Schwenken des Spiegels 103 um den Winkel 115 die Strahlengänge des Senders 203 und 207 jeweils die gleichen Ausgangswinkel zur Szene haben wie die Strahlengänge des Empfängers 109 in Ruheposition und 205 in ausgelenkter Position. Die Empfangseinheit ist dabei identisch wie in 1 beschrieben aufgebaut. Die Kontrolle der Schwingungslage und Amplitude erfolgt über die Detektion der Strahlung des Senders auf die Referenzdioden 209 und 209a, die dort jeweils über die Bohrungen 208 und 208a die am Spiegel 202 angebracht sind, gelangt. Die Abtastung der Szene mit den beschriebenen Anordnungen kann damit entsprechend 3 erfolgen. Bei der Verwendung eines Lasers und eines Empfängers wird z. B. der Laser entsprechend 301a abgebildet, während der Empfänger wie 301b abgebildet wird. Durch Ansteuerung der Sender in Abhängigkeit von der Spiegellage kann der Winkelabstand zwischen zwei Abtastungen z. B. mit dem Abstand 307 eingestellt oder gewählt werden. Bei Verwendung von Zeilen für Sender und Empfänger werden nacheinander die Bereiche 301a/301b, 302a/302b und 304a/304b in Richtung 309 abgetastet während über den Schwingspiegel der Winkelbereich 306 überstrichen wird. Die Verwendung einer Laserzeile und einer Empfangszeile verbessert den Signal-Rauschabstand. Ein preiswerteres System ist auch nur mit einem Empfänger 310 für z. B. alle vier Laser zu gestalten. Einige Beispiele von Verfahren für die Ablenkung der Schwingspiegel sind in 4 dargestellt. Das elektromagnetische Verfahren benützt ein Joch 107a aus ferromagnetischem Material und einem Permanentmagneten 107 der bei dem ebenso ferromagnetischem Schwingspiegel 103 eine mechanische Vorspannung erzeugt. Durch Stromfluss durch die Spulen 108 wird der Schwingspiegel entweder in seiner Resonanz angeregt oder entsprechend durch den Ansteuerungsstrom ausgelenkt. Eine weitere Systemfamilie kann durch elektrostatisch bewegte in z. B. Silizium geätzte Spiegel realisiert werden. Der Spiegel wird durch die Fläche 403 dargestellt, der über die Halterungen 403a und 403b am Rahmen 402 elastisch gehaltert ist. Die Auslenkung erfolgt durch Anlegen einer gegenphasigen Spannung an den Elektroden 403 und 404 gegenüber der Spiegelmasse 402.
Eine Weiterführung dieses Systems besteht darin, dass der Spiegel 417 über die Bänder 415 und 416 in einem Rahmen 414 elastisch aufgehängt ist und dieser Rahmen über die Bänder 412 und 413 elastisch im festen Rahmen 411 gelagert ist. Durch elektrostatische Kräfte, wie zum Spiegel 403 beschrieben, kann der Spiegel 417 in allen Winkelbereichen bewegt werden. Eine weitere Ausführungsform ist mit dem Spiegel 408 dargestellt. Um die elektrostatischen Kräfte zu erhöhen ist die Randzone des Spiegels mäanderförmig gestaltet und ebenso die Elektroden 409 und 410. Um hohe Frequenzen der Spiegelschwingung zu erreichen oder jeden Spiegel einzeln auszurichten, kann sowohl mit dem Spiegelsystem 403, 408 und 417 durch Anwendung von Halbleitertechniken eine ganze Matrix wie in 415 gezeigt hergestellt werden. Der Spiegel 403 kann auch auf einem piezoelektrischen Biegeschwinger 405 angebracht sein, der in der Befestigung 408 festgelagert ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 406 und 407 wird der Biegeschwinger 405 mit dem Spiegel 403 um den Winkel 115 ausgelenkt.
Eine weitere Ausführungsform ist in 5 beschrieben. Der Schwingspiegel besteht aus dem Rahmen 508 der über die Bandfedern 509 und 510 in den Befestigungen 511 und 512 gehaltert wird. Die Auslenkung des Rahmens 508 erfolgt über das Magnetsystem bestehend aus dem magnetisierten Joch 513 und den Spulen 514. Im Rahmen 508 ist ein Spiegelsystem mit einem großen Spiegel 103 und einem kleineren Spiegel 506 über die Bandfedern 504 und 504a gelagert. Dieses Spiegelsystem wird über das magnetisierte Joch 515 und die Spulen 108 ausgelenkt. Der Spiegel 103 ist starr mit dem Spiegel 506 verbunden. Der Rahmen und die Spiegel sind ferromagnetisch. Der Laser 101 wird über die Sendeoptik 102 auf den Spiegel 506 abgebildet, von dort auf den Spiegel 518 und wird dann über den Spiegel 519 auf die Szene projiziert. Das Empfangssignal wird über den Strahlengang 516 auf den Spiegel 103 abgebildet und von dort über die Empfangsoptik 110 über das Filter 111 und die Blende 112 auf den Empfänger 113. Die Lage des magnetisierten Jochs 513 und des Jochs 515 sind in der Darstellung des Spiegels gestrichelt eingezeichnet.
Werden die Spiegel um den Winkel 115 bewegt, bewegen sich die Strahlengänge 516 und 517 in gleicher Weise und im gleichen Winkel über die zu vermessende Szene z. B. im Azimut. Wird der Rahmen 508 um den Winkel 520 bewegt, bewegen sich der Senderstrahl von z. B. 517 auf 517a und Empfängerstrahl von 516 auf 516a also im gleichen Winkel z. B. in Elevation. Damit kann die gesamt zu vermessende Szene flächenhaft abgetastet werden. Zur Vermeidung einer direkten Leistungsübertragung ist die Sendeeinheit durch eine optische Abschirmung 507 von der Empfangseinheit getrennt. Die großflächigen Spiegel entsprechend 1, 2 und 5 können einfach aus Federstahl durch Ätzen hergestellt werden. Bei den spiegelnden Oberflächen reicht für die meisten Anwendungen eine Politur aus. Zur Erzielung sehr guter optischen Eigenschaften können die Oberflächen mit entsprechenden Materialien bedampft und poliert werden. Um hohe Abtastfrequenzen zu erreichen kann dieses System auch als Matrix aus mikromechanischen Spiegeln ausgeführt werden, die wie in 4 beschrieben elektrostatisch angesteuert werden. Die Halterung des z. B. im Azimut bewegten Rahmens 508a ist 512a. In z. B. Elevation wird der Spiegel 506a bewegt und über ihn wird der Laser 101 mit seiner Optik 102 abgelenkt. Die übrigen Spiegel 103a dienen zur Abtastung des Empfangssignals und ersetzen dort den Spiegel 103.
Eine weitere Ausführung ist in 6 dargestellt. Der Laser 101 wird über die Sendeoptik 107 auf den Spiegel 601 projiziert. Dieser Spiegel kann wie der Spiegel 411 in 4 beschrieben in alle Richtungen geschwenkt werden. Damit kann mit dem Laser über den Strahlengang 609 die zu untersuchende Szene abgetastet werden. Für die Empfängerfunktion werden alle Spiegel der Spiegelmatrix 608 so nachgesteuert, dass die vom Laser beleuchtete Fläche mit dem Strahlenbündel 602 über das Filter 111 auf den Detektor 607 abgebildet wird. Die Spiegelmatrix 608 wird z. B. in Silizium oder einem anderen geeigneten Material als mikromechanische Matrix dargestellt und enthält z. B. 100 Spiegel. Wird die Fläche des Detektors 607 etwas größer ausgeführt als die projizierte Fläche eines Spiegels, so entfällt eine zusätzliche Optik. Im Beispiel sind in der Matrix nur 4 Spiegel dargestellt. 411a, 411b, 411c und 411d, die die einzelnen Strahlengänge 603, 604, 605 und 606 des Strahlenbündels 602 so ablenken, dass diese alle über das Filter 111 auf den Detektor 607 fokussiert werden.
Auf den Spiegel 601 kann aber zugleich ein zweiter Laser 101a von anderer Wellenlänge oder Art als der Laser 101 mit seiner Sendelinse 102a projiziert werden. Bei entsprechender Winkelstellung des Spiegels 601 wird der Laser auf die gleiche Szene mit dem Strahlengang 609a abgebildet wie ursprünglich der Laser 101. Auf der Empfängerseite kann das vom Objekt zurückgestrahlte Strahlenbündel 602a durch entsprechende Einstellung der Winkellage der Spiegel 411a, 411b, 411c und 411d auf einen weiteren Detektor 607a über ein geeignetes Filter 111a projiziert werden. Auf diese Weise können mit dieser Anordnung mehrere Laser mit unterschiedlicher Wellenlänge für die Abtastung einer Szene benützt werden. Auf gleiche Weise können auch bei den Anordnungen nach 1, 2 und 5 mehrere Wellenlängen oder Arten von Lasern und Empfängern benützt werden. Um die Übersichtlichkeit der Figuren nicht einzuschränken wurde diese Methode nur in 6 dargestellt.
Mit diesem System kann durch die Auswahl der Anzahl oder der Lage der Spiegel die für die Projektion auf den Detektor benützt werden insbesondere im Nahbereich oder bei stark reflektierenden Zielen die Signalstärke gezielt gesteuert werden.
Durch die Projektion der Rückstreuleistung auf den Detektor über die Spiegelmatrix ergeben sich folgende Vorteile:

– Für die Endjustage ist nur noch die Fokussierung der Sendelinse 107 notwendig. Alle anderen Justagen können automatisch vorgenommen werden.
– Während der Betriebszeit des Sensors wird durch statistische Auswertung der Signale bei verschiedenen Objektständen eine Optimierung und Nachjustage möglich.
– Das System kann für einen sehr weiten Wellenlängenbereich von ca. 300 nm bis ca. 4 mm benützt werden.
– Durch statistische Auswertung während des Fahr- oder Flugbetriebes kann die Abstimmung der Fahrzeug- oder Flugzeugtrajektorie mit der Sensorhauptrichtung vorgenommen werden.

Das Blockschaltbild der Systeme nach 1 und 2 ist in 7 dargestellt. Die Sendediode oder Sendedioden 101 werden über den Pulsformer 702 und bei einer Laserzeile oder unterschiedlichen Lasern zusätzlich über einen Multiplexer angesteuert und über die Sendelinse 102 auf das jeweilige Spiegelsystem hier mit 701 gekennzeichnet abgebildet. Die Empfangsdiode oder die Empfangsdiodenzeile 103 erhalten die rückgestreute Leistung über das Spiegelsystem 701, die Empfangsoptik 110 und das Bandpassfilter 111. Die Ausgangssignale werden in der Stufe 703 verstärkt und bei Verwendung einer Diodenzeile oder unterschiedlicher Detektoren 103 auch gemultiplext. Die Signale und Steuerbefehle werden über die Verbindungen 708 und 709 der Einheit 704 geführt. Die Einheit 704 beinhaltet die Zeitsteuerung, Signalakquisition und Signalauswertung. In der Einheit für die Spiegelsteuerung und Zielverfolgung (Tracking) 705 wird über die CMOS-Zeile 116 mit der Schnittstelle 710 oder über die Lagedetektoren 209 und 209a der Spiegel in seiner Amplitude, Frequenz und gegebenenfalls Phasenlage zu den Pulsen für die Abstandsmessungen über den Spiegeltreiber 714 durch die Schnittstelle 715 gesteuert. Der Spiegeltreiber 714 ist mit dem Bus 707 mit der Einheit 705 verbunden. Durch die Auswertung und Verfolgung der Ziele in der Einheit 705 können dort auch die Einstellwerte für eine Optimierung des Signalrauschverhältnisses gespeichert und verbessert werden. Die Stromversorgung aller Komponenten erfolgt über den Baustein 711 über die Ausgänge 706. Der Baustein 711 ist auch mit dem Bus 707 mit den Einheiten 704 und 705 verbunden und liefert die Ergebnisse über den Bus 713 zu einem Gesamtsystem nach außen. Seine Stromversorgung erfolgt über die Eingänge 712.
Das Blockschaltbild der Ausführung entsprechend 6 ist in 8 dargestellt. Die Laserdiode 101 wird vom Pulsformer 801 angesteuert. Dieser Pulsformer 801 beinhaltet auch einen Multiplexer wenn mehrere unterschiedliche Laser anzusteuern sind. Die Ausgangsleistung wird über den Spiegel 601 über den Strahlengang 609 beziehungsweise 609a auf die Szene projiziert. Der Pulsformer 801 wird über die Schnittstelle 803 vom Baustein 805 ebenso wie der Spiegel 601 über die Schnittstelle 806 angesteuert. Das rückgestreute Signalbündel 602 wird über die Spiegelmatrix 608 und das Filter 111 auf den Detektor 607 geführt. Bei z. B. einer weiteren Wellenlänge wird das Strahlenbündel 602a über eine entsprechende Stellung der Spiegel auf der Spiegelmatrix 608 über das Filter 111a auf den Detektor 607a geführt. Das Signal wird in dem Baustein 802 konditioniert und über die Schnittstelle 804 dem Baustein 805 zugeführt, der auch die einzelnen Spiegel 411a bis 411d der Spiegelmatrix 608 über die Schnittstelle 807 steuert. Der Baustein 802 übernimmt bei Systemen mit mehreren Wellenlängen zusätzlich auch die Multiplexerfunktion. Der Baustein 805 übernimmt die gesamte Zeitsteuerung, die Signalakquisition und die Signalauswertung. Der Baustein 805 ist über den Bus 808 mit dem Baustein 809 und dem Schnittstellenbaustein 810 verbunden. Der Baustein 809 übernimmt die Zielverfolgung (Tracking), die Optimierung der Spiegelmatrixeinstellung und den Abgleich in der Serie sowie die Nachsteuerung während des Wirkbetriebes. Der Baustein 810 liefert alle notwendigen Spannungen für das Gesamtsystem über die Verbindungen 811 und erhält seinerseits die externe Stromversorgung über die Anschlüsse 812 und gibt die Ergebnisse über den Bus 813 nach außen ab.
Die Abstandsmessung aller beschriebenen Systeme erfolgt vorwiegend nach dem Pulslaufzeitverfahren wie in den Schriften
DE 41 27 168 Z2
DE 197 17 399 C2
DE 101 62 668 B4
DE 10 2006 049 935.2
beschrieben. Die Abstandsmessung kann aber auch mit anderen Verfahren erfolgen.

Claims

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung einer Szene mit mindestens einem Sender (101) und mindestens einem Empfänger (607), wobei der mindestens eine Sender (101) über einen bewegten Spiegel (601) auf die Szene abgebildet wird und wobei die Rückstreusignale aus der beleuchteten Szene über die Spiegelmatrix (608) mit den Einzelspiegeln (411a bis 411d) auf den mindestens einen Empfänger (607) projiziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelmatrix (608) zugleich als Ablenkmittel und durch Einstellung aller Spiegel zur Fokussierung der Rückstreusignale auf den mindestens einen Empfänger (607) wirkt, und dass ein Baustein (809) Einstellwerte der Spiegelmatrixeinstellung für die Optimierung des Signalrauschverhältnisses verbessert und speichert.
Optischer Laufzeitsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Arten von Lasern (101, 101a) mit unterschiedlichen Wellenlängen über den Spiegel (601) auf die Szene abgebildet werden und die von der Szene rückgestreuten Lichtsignale über die Spiegelmatrix (608) auf entsprechende Detektoren unterschiedlicher Art (607, 607c) abgebildet werden.
Optischer Laufzeitsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steuerung des Sendespiegels und der Empfangsspiegel über den Baustein (809) eine Zielverfolgung durchgeführt wird.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung der statischen und dynamischen Einstellungen der Spiegel der Spiegelmatrix (608) zur jeweiligen Lage des Laserspiegels (601) am Ende der Serienproduktion automatisiert durchgeführt wird.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung der statischen und dynamischen Winkeleinstellungen der Spiegelmatrix (608) und des Laserspiegels (601) im Wirkbetrieb durch entsprechende Nachsteuerung erfolgt.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sendeachse und Empfangsachse einen Abstand aufweisen, um Rückstreuungen aus unmittelbarer Nähe zu vermindern.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er bei mindestens einer Wellenlänge im Bereich von 300 nm bis 4 mm betrieben wird.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel durch ein Ätzverfahren hergestellt sind.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel in mikromechanischer Halbleitertechnik hergestellt sind.
Optischer Laufzeitsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der bewegten Spiegel über Federn erfolgt.