DE102014207965A1 - Vorrichtung zur Objekterkennung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Objekterkennung mit einem VCSEL-Doppler-Sensor (1) und einem MEMS-Scanner (3), wobei der MEMS-Scanner (3) wenigstens einen auslenkbaren MEMS-Spiegel zur Abtastung eines Winkelbereichs mit einem Laserstrahl aus dem VCSEL-Doppler-Sensor (1) aufweist, wobei der VCSEL-Doppler-Sensor (1) mit einem Doppler-Ansteuer- und Auswerteelement (5) verbunden ist, welches dazu eingerichtet ist die Geschwindigkeit und/oder den Abstand eines Objekts (30) zu bestimmen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Schrift „VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer", A. Pruijmboom et al., Proc. of SPIE, Vol. 6908 offenbart einen integrierten Doppler-Sensor, bei dem ein VCSEL und eine Photodiode auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sind. VCSEL Doppler Sensoren finden bereits Verwendung bei hochauflösenden Computer-Mäusen. VCSEL Doppler Sensoren messen die Relativgeschwindigkeit eines reflektierenden Objekts und (im modulierten Betrieb) dessen Abstand. Alternativ können statt VCSEL auch VeCSEL (VCSEL mit externer Kavität) Verwendung finden.
  • Im Stand der Technik sind weiterhin MEMS-Spiegel oder Mikrospiegel, sowie Laser Scanner Projektoren mit solchen MEMS-Spiegeln bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Bereitstellung einer kompakten und kostengünstigen Vorrichtung zur Objekterkennung, die beispielsweise zur Gestenerkennung auf einer ebenen Fläche eingesetzt werden kann, wie beispielsweise Computermaus, Touch-Screen und Wandschalter.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Objekterkennung mit einem VCSEL-Doppler-Sensor und einem MEMS-Scanner, wobei der MEMS-Scanner wenigstens einen auslenkbaren MEMS-Spiegel zur Abtastung eines Winkelbereichs mit einem Laserstrahl aus dem VCSEL-Doppler-Sensor aufweist, wobei der VCSEL-Doppler-Sensor mit einem Doppler-Ansteuer- und Auswerteelement verbunden ist, welches dazu eingerichtet ist die Geschwindigkeit und/oder den Abstand eines Objekts zu bestimmen. Vorteilhaft kann mit dieser Vorrichtung ein Winkelbereich nach Objekten abgetastet werden. Vorteilhaft ist die Vorrichtung sehr stromsparend.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der VCSEL-Doppler-Sensor einen Laser und eine Photodiode aufweist, welche monolithisch integriert sind. Vorteilhaft ist diese Ausgestaltung besonders kompakt und kostengünstig.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der VCSEL-Doppler-Sensor einen Laser mit externer Kavität, nämlich einen VeCSEL aufweist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung ein Scanner-Ansteuer- und Lagedetektionselement aufweist, welche mit dem MEMS-Scanner verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Winkelposition des MEMS-Spiegels zu bestimmen. Vorteilhaft lässt sich so der Ort des Objekts, beispielsweise in Polarkoordinaten, bestimmen. Besonders vorteilhaft ist dass die Vorrichtung eine Synchronisationseinheit aufweist, welche mit dem Doppler-Ansteuer- und Auswerteelement und mit dem Scanner-Ansteuer- und Lagedetektionselement verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit und/oder den Abstand des Objekts zeitaufgelöst und winkelaufgelöst zu bestimmen.
  • Vorteilhaft kann auch bei entsprechender Größe des Objekts und Auflösungsvermögen der Vorrichtung zur Objekterkennung die Struktur der abgetasteten Oberfläche des Objekts bestimmt werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der MEMS-Scanner einen in zwei unterschiedlichen Drehachsen auslenkbaren MEMS-Spiegel oder zwei in unterschiedliche Drehachsen auslenkbare MEMS-Spiegel zur Abtastung eines Raumwinkelbereichs aufweist.
  • Vorteilhaft wird zur Erkennung von Objekten oder Gesten mit einem oder mehreren Laserstrahlen im Wesentlichen parallel zu einer Bedienoberfläche gescannt. Hierfür wird z.B. einer oder mehrere Mikrospiegel in MEMS-Technologie eingesetzt. Erfindungsgemäß wird der Laserstrahl mit einem VCSEL (engl. vertical cavity surface emitting laser = Vertikal emittierender Halbleiterlaser) oder VeCSEL (Vertikal emittierender Halbleiterlaser mit externer Kavität) erzeugt, der Teil eines Dopplersensors ist.
  • Bei einem VCSEL Doppler Sensor wird (infrarote) Laserstrahlung von einem VCSEL emittiert. Streut ein Objekt einen Teil des Laserlichtes zurück (bis zu 10–6 der Ausgangsleistung) koppeln Photonen in die Kavität des VCSELs ein und überlagern dort die stehende Welle der stimulierten Emission konstruktiv oder destruktiv. Es kommt zu einer Veränderung des Ausgangssignals. Die Ausgangsleistung des VCSELs wird mit einer monolithisch integrierten Photodiode direkt gemessen. Hierbei ist die monolithische Integration der Photodiode mit dem VCSEL in einem sehr kleinen billigen Bauelement eine besonders kompakte und kostensparende Anordnung. Vorteilhaft ist auch, dass die Spiegelstruktur des VCSELs (Mehrfachschicht aus Halbleiterschichten) sehr schmalbandig für Lichttransmission ist, dabei Umgebungslicht ausfiltert und prinzipbedingt nur die kohärenten Photonen der eigenen Emission zu einem Überlagerungseffekt führen, wodurch eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht wird.
  • Die Ausgangsleistung beginnt zu oszillieren, wenn das streuende Objekt auf den Laser zu oder vom Laser wegbewegt wird (Doppler Effekt). Bei einem modulierten Betrieb des VCSEL Doppler Sensors kann vorteilhaft neben der Geschwindigkeit auch die Distanz zur reflektierenden Oberfläche bestimmt werden.
  • Vorteilhaft ermöglicht die Gauß’sche Strahlgeometrie des VCSEL den Einsatz einer einfachen Waferlevel-Kollimationsoptik. Vorteilhaft hat der VCSEL-Doppler-Sensor eine hohe Empfindlichkeit. Darüber hinaus ist er sehr robust gegenüber Hintergrundlicht und Temperaturschwankungen. Daher kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit sehr wenig reflektiertem Licht aus und kann unter vielfältigen, auch ungünstigen Umweltbedingungen, eingesetzt werden.
  • Zeichnung
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Objekterkennung.
  • 2 zeigt das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Objekterkennung.
  • Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Objekterkennung. Ein VCSEL-Doppler-Sensor 1 mit Kollimationsoptik 2 sendet einen Laserstrahl 10, beispielsweise im IR, auf einen MEMS-Scanner 3. Der MEMS-Scanner 3 besteht im Wesentlichen aus einem oder mehreren MEMS-Spiegeln, deren Lage mittels eines integrierten Lagedetektionselementes (nicht dargestellt) gemessen wird. Hinter dem MEMS-Scanner 3 kann optional eine winkelaufweitende Optik 4 eingesetzt sein, die beispielsweise als eine Linsenoptik oder aus einem konkaven (z.B. zylindrischen) Spiegel (in Reflexion) ausgebildet sein kann. Die Strahlaufweitung bezweckt, dass der Scan-Winkel des Spiegels vergrößert wird, um einen weiteren Bereich für die Objekterfassung zu erreichen. Alternativ kann bei Bedarf auch der Spiegel selbst mit höheren Amplituden betrieben werden. Der VCSEL-Doppler-Sensor 1 ist mit einer Doppler-Ansteuer- und Auswerteeinheit 5 verbunden. Der MEMS-Scanner 3 ist mit einer Scanner-Ansteuer- und Lagedetektionseinheit 6 verbunden. Die Vorrichtung weist optional eine Synchronisationseinheit 7 auf, welche mit der Doppler-Ansteuer- und Auswerteeinheit 5 und der Scanner-Ansteuer- und Lagedetektionseinheit 6 verbunden ist. Das Auswertesignal des Dopplersensors, d.h. Geschwindigkeit oder auch Abstand eines detektierten Objekts und die zugehörige Winkelposition des Spiegelmoduls 3 können damit zeitaufgelöst bestimmt werden. Ein ausgewertetes Positionssignal des Objektes oder auch Rohdatensätze können über eine Schnittstelle 8 an einen Anwendungsprozessor übertragen werden. Die Einheiten 5, 6 und 7 können auch in einem Schaltungselement integriert sein.
  • 2 zeigt das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Objekterkennung. Hier ist beispielhaft ein 1-dimensionaler Scanner gezeigt, der parallel zu einer Bedienfläche, wie beispielsweise einer Tischfläche oder einer Blattebene scannt. Der gescannte Winkelbereich 20 ist durch den möglichen Auslenkungsbereich des MEMS-Spiegels im MEMS-Scanner 3 bestimmt. Weiterhin sind beispielhaft einzelne Laserstrahlen 10, die bei einem Winkel α(t) ausgesendet werden, dargestellt. Die Laserstrahlen 10 treffen im Abstand d(α(t)) auf der nächsten reflektierenden Oberfläche 40 eines Objekts 30 auf. Außerhalb des Objektes 30 ist ein Hintergrundsignal vereinfacht als Ebene dargestellt. Der Abstand d kann mittels eines Doppler-Sensors ermittelt werden. Alternativ kann neben dem Abstand d auch die Geschwindigkeit v bestimmt werden. Erfolgt die Messung der Objektgeschwindigkeit schnell gegenüber der Scanner-Geschwindigkeit kann die Bewegung des Objektes auf den Scanner hinzu gemessen werden. Mit einer derartigen Vorrichtung zur Objekterkennung lassen sich beispielsweise Fingerbewegungen, einfache oder auch komplexe Gesten auf oder entsprechend dicht über der Bedienfläche detektieren. Die Vorrichtung zur Objekterkennung wird dazu auf die Bedienfläche, wie beispielsweise die Tischfläche gestellt oder sonstwie geeignet daran oder darüber befestigt. Dies geschieht derart, dass der Scanner im Wesentlichen parallel zur Bedienfläche diese streifend oder wenige Millimeter bis Zentimeter darüber scannt.
  • Daneben sind auch Vorrichtungen zur Objekterkennung möglich, bei denen der MEMS-Scanner 3 einen in zwei unterschiedlichen Drehachsen auslenkbaren MEMS-Spiegel oder zwei in unterschiedliche Drehachsen auslenkbare MEMS-Spiegel aufweist. Hiermit ist eine Abtastung eines Raumwinkelbereichs möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer“, A. Pruijmboom et al., Proc. of SPIE, Vol. 6908 [0001]

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Objekterkennung mit einem VCSEL-Doppler-Sensor (1) und einem MEMS-Scanner (3), – wobei der MEMS-Scanner (3) wenigstens einen auslenkbaren MEMS-Spiegel zur Abtastung eines Winkelbereichs mit einem Laserstrahl aus dem VCSEL-Doppler-Sensor (1) aufweist, – wobei der VCSEL-Doppler-Sensor (1) mit einem Doppler-Ansteuer- und Auswerteelement (5) verbunden ist, welches dazu eingerichtet ist die Geschwindigkeit und/oder den Abstand eines Objekts (30) zu bestimmen.
  2. Vorrichtung zur Objekterkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der VCSEL-Doppler-Sensor (1) einen Laser und eine Photodiode aufweist, welche monolithisch integriert sind.
  3. Vorrichtung zur Objekterkennung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der VCSEL-Doppler-Sensor (1) einen Laser mit externer Kavität, nämlich einen VeCSEL aufweist.
  4. Vorrichtung zur Objekterkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Scanner-Ansteuer- und Lagedetektionselement (6) aufweist, welche mit dem MEMS-Scanner (3) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Winkelposition des MEMS-Spiegels zu bestimmen.
  5. Vorrichtung zur Objekterkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Synchronisationseinheit (7) aufweist, welche mit dem Doppler-Ansteuer- und Auswerteelement (5) und mit dem Scanner-Ansteuer- und Lagedetektionselement (6) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit v und/oder den Abstand d des Objekts (30) zeitaufgelöst und winkelaufgelöst zu bestimmen.
  6. Vorrichtung zur Objekterkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Scanner (3) einen in zwei unterschiedlichen Drehachsen auslenkbaren MEMS-Spiegel oder zwei in unterschiedliche Drehachsen auslenkbare MEMS-Spiegel zur Abtastung eines Raumwinkelbereichs aufweist.
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