DE102008064652B4 - Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung - Google Patents
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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 bis8 beschrieben. Entsprechend1 wird der Laser101 mit einem oder mehreren Laserelementen über die Optik102 auf eine Seite des Schwingspiegels103 abgebildet und auf den Spiegel104 projiziert. Von diesem Spiegel aus erfolgt über die Reflexion durch einen weiteren Spiegel105 die Abbildung des oder der Laser auf die zu vermessende Szene mit dem Strahlengang106 . Auf der anderen Seite des gleichen Schwingspiegels103 wird die von den Objekten reflektierte Strahlungsleistung109 auf die Empfangslinse110 und über das Bandpassfilter111 und die Blende112 auf den einen oder mehrere Fotodetektoren113 abgebildet. Wird der Schwingspiegel103 über z. B. das Magnetsystem107 und die Wicklung108 um den Winkel115 geschwenkt, werden sowohl der Laser101 über den Strahlengang106 als auch der Empfänger113 über den Strahlengang109 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Der Schwingspiegel103 wird z. B. über die elastischen Bänder103a und103b in den Befestigungen114a und114b gehaltert. Die Kontrolle der Schwingungslage und der Amplitude und damit der Strahllage erfolgt dadurch, dass der Spiegel106 einen sehr kleinen Teil der Strahlungsleistung auf die CMOS- oder CCD-Empfängerzeile116 durchlässt. - Entsprechend
1a können auch die Empfangslinse110 und das Filter111 vor dem Schwingspiegel117 angebracht werden. Dieser kann in zwei senkrecht zueinander angeordneten Achsen115 und118 geschwenkt werden und bildet die zu vermessende Fläche auf den Detektor119 ab. Der Detektor119 hat eine sehr kleine empfindliche Fläche121 , die über die Metallisierung120 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 Spiegel122 mit seinen Bewegungswinkeln123 und124 auf den der Laser101 über die Sendelinse102 projiziert wird. Die Steuerung des Spiegels122 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 Spiegel122 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 Laser101 über die Sendeoptik102 auf die Rückseite des gleichen Spiegels117 projiziert und über die Spiegel104 und105 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Die Lage des Laserstrahls wird durch die Einleitung eines Teiles der Laserleistung über Löcher125 und125a auf Fotodetektoren126 und126a ermittelt. Hierbei können mehrere solcher Lagesensoren über der Fläche des Spiegels105 verteilt sein. Eine weitere Ausführungsform ist in2 beschrieben. Der oder die Sender101 werden über die Sendeoptik102 auf die eine Seite des Schwingspiegels103 abgebildet und von dort auf einen Spiegel202 projiziert. Dieser Spiegel202 weist eine derartige Krümmung auf, so dass bei Schwenken des Spiegels103 um den Winkel115 die Strahlengänge des Senders203 und207 jeweils die gleichen Ausgangswinkel zur Szene haben wie die Strahlengänge des Empfängers109 in Ruheposition und205 in ausgelenkter Position. Die Empfangseinheit ist dabei identisch wie in1 beschrieben aufgebaut. Die Kontrolle der Schwingungslage und Amplitude erfolgt über die Detektion der Strahlung des Senders auf die Referenzdioden209 und209a , die dort jeweils über die Bohrungen208 und208a die am Spiegel202 angebracht sind, gelangt. Die Abtastung der Szene mit den beschriebenen Anordnungen kann damit entsprechend3 erfolgen. Bei der Verwendung eines Lasers und eines Empfängers wird z. B. der Laser entsprechend301a abgebildet, während der Empfänger wie301b abgebildet wird. Durch Ansteuerung der Sender in Abhängigkeit von der Spiegellage kann der Winkelabstand zwischen zwei Abtastungen z. B. mit dem Abstand307 eingestellt oder gewählt werden. Bei Verwendung von Zeilen für Sender und Empfänger werden nacheinander die Bereiche301a /301b ,302a /302b und304a /304b in Richtung309 abgetastet während über den Schwingspiegel der Winkelbereich306 überstrichen wird. Die Verwendung einer Laserzeile und einer Empfangszeile verbessert den Signal-Rauschabstand. Ein preiswerteres System ist auch nur mit einem Empfänger310 für z. B. alle vier Laser zu gestalten. Einige Beispiele von Verfahren für die Ablenkung der Schwingspiegel sind in4 dargestellt. Das elektromagnetische Verfahren benützt ein Joch107a aus ferromagnetischem Material und einem Permanentmagneten107 der bei dem ebenso ferromagnetischem Schwingspiegel103 eine mechanische Vorspannung erzeugt. Durch Stromfluss durch die Spulen108 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 Fläche403 dargestellt, der über die Halterungen403a und403b am Rahmen402 elastisch gehaltert ist. Die Auslenkung erfolgt durch Anlegen einer gegenphasigen Spannung an den Elektroden403 und404 gegenüber der Spiegelmasse402 . - Eine Weiterführung dieses Systems besteht darin, dass der Spiegel
417 über die Bänder415 und416 in einem Rahmen414 elastisch aufgehängt ist und dieser Rahmen über die Bänder412 und413 elastisch im festen Rahmen411 gelagert ist. Durch elektrostatische Kräfte, wie zum Spiegel403 beschrieben, kann der Spiegel417 in allen Winkelbereichen bewegt werden. Eine weitere Ausführungsform ist mit dem Spiegel408 dargestellt. Um die elektrostatischen Kräfte zu erhöhen ist die Randzone des Spiegels mäanderförmig gestaltet und ebenso die Elektroden409 und410 . Um hohe Frequenzen der Spiegelschwingung zu erreichen oder jeden Spiegel einzeln auszurichten, kann sowohl mit dem Spiegelsystem403 ,408 und417 durch Anwendung von Halbleitertechniken eine ganze Matrix wie in415 gezeigt hergestellt werden. Der Spiegel403 kann auch auf einem piezoelektrischen Biegeschwinger405 angebracht sein, der in der Befestigung408 festgelagert ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden406 und407 wird der Biegeschwinger405 mit dem Spiegel403 um den Winkel115 ausgelenkt. - Eine weitere Ausführungsform ist in
5 beschrieben. Der Schwingspiegel besteht aus dem Rahmen508 der über die Bandfedern509 und510 in den Befestigungen511 und512 gehaltert wird. Die Auslenkung des Rahmens508 erfolgt über das Magnetsystem bestehend aus dem magnetisierten Joch513 und den Spulen514 . Im Rahmen508 ist ein Spiegelsystem mit einem großen Spiegel103 und einem kleineren Spiegel506 über die Bandfedern504 und504a gelagert. Dieses Spiegelsystem wird über das magnetisierte Joch515 und die Spulen108 ausgelenkt. Der Spiegel103 ist starr mit dem Spiegel506 verbunden. Der Rahmen und die Spiegel sind ferromagnetisch. Der Laser101 wird über die Sendeoptik102 auf den Spiegel506 abgebildet, von dort auf den Spiegel518 und wird dann über den Spiegel519 auf die Szene projiziert. Das Empfangssignal wird über den Strahlengang516 auf den Spiegel103 abgebildet und von dort über die Empfangsoptik110 über das Filter111 und die Blende112 auf den Empfänger113 . Die Lage des magnetisierten Jochs513 und des Jochs515 sind in der Darstellung des Spiegels gestrichelt eingezeichnet. - Werden die Spiegel um den Winkel
115 bewegt, bewegen sich die Strahlengänge516 und517 in gleicher Weise und im gleichen Winkel über die zu vermessende Szene z. B. im Azimut. Wird der Rahmen508 um den Winkel520 bewegt, bewegen sich der Senderstrahl von z. B.517 auf517a und Empfängerstrahl von516 auf516a 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 Abschirmung507 von der Empfangseinheit getrennt. Die großflächigen Spiegel entsprechend1 ,2 und5 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 in4 beschrieben elektrostatisch angesteuert werden. Die Halterung des z. B. im Azimut bewegten Rahmens508a ist512a . In z. B. Elevation wird der Spiegel506a bewegt und über ihn wird der Laser101 mit seiner Optik102 abgelenkt. Die übrigen Spiegel103a dienen zur Abtastung des Empfangssignals und ersetzen dort den Spiegel103 . - Eine weitere Ausführung ist in
6 dargestellt. Der Laser101 wird über die Sendeoptik107 auf den Spiegel601 projiziert. Dieser Spiegel kann wie der Spiegel411 in4 beschrieben in alle Richtungen geschwenkt werden. Damit kann mit dem Laser über den Strahlengang609 die zu untersuchende Szene abgetastet werden. Für die Empfängerfunktion werden alle Spiegel der Spiegelmatrix608 so nachgesteuert, dass die vom Laser beleuchtete Fläche mit dem Strahlenbündel602 über das Filter111 auf den Detektor607 abgebildet wird. Die Spiegelmatrix608 wird z. B. in Silizium oder einem anderen geeigneten Material als mikromechanische Matrix dargestellt und enthält z. B. 100 Spiegel. Wird die Fläche des Detektors607 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 und411d , die die einzelnen Strahlengänge603 ,604 ,605 und606 des Strahlenbündels602 so ablenken, dass diese alle über das Filter111 auf den Detektor607 fokussiert werden. - Auf den Spiegel
601 kann aber zugleich ein zweiter Laser101a von anderer Wellenlänge oder Art als der Laser101 mit seiner Sendelinse102a projiziert werden. Bei entsprechender Winkelstellung des Spiegels601 wird der Laser auf die gleiche Szene mit dem Strahlengang609a abgebildet wie ursprünglich der Laser101 . Auf der Empfängerseite kann das vom Objekt zurückgestrahlte Strahlenbündel602a durch entsprechende Einstellung der Winkellage der Spiegel411a ,411b ,411c und411d auf einen weiteren Detektor607a über ein geeignetes Filter111a 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 nach1 ,2 und5 mehrere Wellenlängen oder Arten von Lasern und Empfängern benützt werden. Um die Übersichtlichkeit der Figuren nicht einzuschränken wurde diese Methode nur in6 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 und2 ist in7 dargestellt. Die Sendediode oder Sendedioden101 werden über den Pulsformer702 und bei einer Laserzeile oder unterschiedlichen Lasern zusätzlich über einen Multiplexer angesteuert und über die Sendelinse102 auf das jeweilige Spiegelsystem hier mit701 gekennzeichnet abgebildet. Die Empfangsdiode oder die Empfangsdiodenzeile103 erhalten die rückgestreute Leistung über das Spiegelsystem701 , die Empfangsoptik110 und das Bandpassfilter111 . Die Ausgangssignale werden in der Stufe703 verstärkt und bei Verwendung einer Diodenzeile oder unterschiedlicher Detektoren103 auch gemultiplext. Die Signale und Steuerbefehle werden über die Verbindungen708 und709 der Einheit704 geführt. Die Einheit704 beinhaltet die Zeitsteuerung, Signalakquisition und Signalauswertung. In der Einheit für die Spiegelsteuerung und Zielverfolgung (Tracking)705 wird über die CMOS-Zeile116 mit der Schnittstelle710 oder über die Lagedetektoren209 und209a der Spiegel in seiner Amplitude, Frequenz und gegebenenfalls Phasenlage zu den Pulsen für die Abstandsmessungen über den Spiegeltreiber714 durch die Schnittstelle715 gesteuert. Der Spiegeltreiber714 ist mit dem Bus707 mit der Einheit705 verbunden. Durch die Auswertung und Verfolgung der Ziele in der Einheit705 können dort auch die Einstellwerte für eine Optimierung des Signalrauschverhältnisses gespeichert und verbessert werden. Die Stromversorgung aller Komponenten erfolgt über den Baustein711 über die Ausgänge706 . Der Baustein711 ist auch mit dem Bus707 mit den Einheiten704 und705 verbunden und liefert die Ergebnisse über den Bus713 zu einem Gesamtsystem nach außen. Seine Stromversorgung erfolgt über die Eingänge712 . - Das Blockschaltbild der Ausführung entsprechend
6 ist in8 dargestellt. Die Laserdiode101 wird vom Pulsformer801 angesteuert. Dieser Pulsformer801 beinhaltet auch einen Multiplexer wenn mehrere unterschiedliche Laser anzusteuern sind. Die Ausgangsleistung wird über den Spiegel601 über den Strahlengang609 beziehungsweise609a auf die Szene projiziert. Der Pulsformer801 wird über die Schnittstelle803 vom Baustein805 ebenso wie der Spiegel601 über die Schnittstelle806 angesteuert. Das rückgestreute Signalbündel602 wird über die Spiegelmatrix608 und das Filter111 auf den Detektor607 geführt. Bei z. B. einer weiteren Wellenlänge wird das Strahlenbündel602a über eine entsprechende Stellung der Spiegel auf der Spiegelmatrix608 über das Filter111a auf den Detektor607a geführt. Das Signal wird in dem Baustein802 konditioniert und über die Schnittstelle804 dem Baustein805 zugeführt, der auch die einzelnen Spiegel411a bis411d der Spiegelmatrix608 über die Schnittstelle807 steuert. Der Baustein802 übernimmt bei Systemen mit mehreren Wellenlängen zusätzlich auch die Multiplexerfunktion. Der Baustein805 übernimmt die gesamte Zeitsteuerung, die Signalakquisition und die Signalauswertung. Der Baustein805 ist über den Bus808 mit dem Baustein809 und dem Schnittstellenbaustein810 verbunden. Der Baustein809 übernimmt die Zielverfolgung (Tracking), die Optimierung der Spiegelmatrixeinstellung und den Abgleich in der Serie sowie die Nachsteuerung während des Wirkbetriebes. Der Baustein810 liefert alle notwendigen Spannungen für das Gesamtsystem über die Verbindungen811 und erhält seinerseits die externe Stromversorgung über die Anschlüsse812 und gibt die Ergebnisse über den Bus813 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 (10)
- 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 bis411d ) 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.
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