-
Die Erfindung betrifft eine Sendeeinheit für eine optische Sensorvorrichtung, mit einer Vielzahl von Halbleiterlichtquellen zum Erzeugen eines jeweiligen Lichts, mit einer Vielzahl von jeweils einer Halbleiterlichtquelle zugeordneten optischen Mikrolinsen zum Bündeln des von der jeweils zugeordneten Halbleiterlichtquelle erzeugen Lichts, und mit einer Kollimatorlinse zum Kollimieren der gebündelten Lichter. Dabei sind die Mikrolinsen jeweils in einem optischen Weg des Lichts zwischen den jeweiligen zugeordneten Halbleiterlichtquellen und der Kollimatorlinse angeordnet. Die Erfindung betrifft auch eine optische Sensorvorrichtung mit mehreren solchen Sendeeinheiten.
-
In modernen Kraftwagen finden eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensorvorrichtungen Verwendung. Gerade optische Sensorvorrichtungen sind hier weit verbreitet. Dabei sind optische Sensorvorrichtungen bekannt, bei welchen Oberflächen oder Körper in einer Umgebung der Sensorvorrichtung und damit des Kraftwagens mit einem Lichtstrahl zeilen- oder rasterartig überstrichen werden, um die jeweiligen Oberflächen oder Körper zu vermessen, zu bearbeiten oder ein Bild zu erzeugen. Dies kann beispielsweise bei einer Laserabtastvorrichtung durch einen Laserlichtstrahl erfolgen. Derartige Laserabtastvorrichtungen sind auch als „Laserscanner“ oder als „Lidar“ bekannt. Dabei können als Quelle für das Laserlicht sogenannte Oberflächeemitter oder VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) zum Einsatz kommen. Bei diesen tritt das Licht senkrecht zur Ebene des zugeordneten Halbleiterchips ab.
-
Aus der
US 6,353,502 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher mehrere Laserstrahlen einer Oberflächenemitter-Anordnung durch eine gemeinsame optische Apertur kollimiert werden.
-
Aus der
US 6,888,871 B1 ist ein Oberflächenemitter bekannt, welcher verbesserte Strahleigenschaften aufweist. Auch kommt dort eine Anordnung von Mikrolinsen zum Einsatz.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine optische Sensorvorrichtung eine verbesserte Bildqualität, insbesondere eine größere nutzbare Auflösung, zu erreichen.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
-
Die Erfindung betrifft eine Sendeeinheit für eine optische Sensorvorrichtung. Diese Sensorvorrichtung kann eine Licht-Abtastvorrichtung, insbesondere eine Laserabtastvorrichtung oder einen Laserscanner umfassen. Die Sendeeinheit weist dabei eine Vielzahl von Halbleiterlichtquellen zum Erzeugen eines jeweiligen Lichts auf. Bei dem erzeugten Licht kann es sich insbesondere um ein jeweiliges Laserlicht handeln. Die Sendeeinheit umfasst auch eine Vielzahl von jeweils einer Halbleiterlichtquelle zugeordneten optischen Mikrolinsen oder Mikrolinseneinrichtungen zum Bündeln des von der jeweils zugeordneten Halbleiterlichtquelle erzeugten Lichts. Eine Mikrolinseneinrichtung kann dabei auch mehrere Linsen umfassen. Die Sendeeinheit umfasst auch eine Kollimatorlinse oder Kollimatorlinseneinrichtung zum Kollimieren der gebündelten Lichter. Dabei kann die Kollimatorlinseneinrichtung auch mehrere Linsen zum Kollimieren der gebündelten Lichter umfassen. Insbesondere dient die Kolimatorlinse dabei dem Kollimieren der gebündelten Lichter auf einen gemeinsamen Brennpunkt in einer Brennebene der Kollimatorlinse. Dabei sind die Mikrolinsen in jeweils einem optischen Weg des Lichts zwischen den jeweiligen zugeordneten Halbleiterlichtquellen und der Kollimatorlinse angeordnet. Die Mikrolinsen können Abmessungen aufweisen, welche in der Größenordnung der Abmessungen der Halbleiterlichtquellen liegen. Insbesondere können die Mikrolinsen Abmessungen im Bereich von mehreren Mikrometern aufweisen. Zudem können die Mikrolinsen oder Mikrolinseneinrichtungen mittels eines mikrotechnischen Herstellungsverfahrens gefertigt sein. Um eine bessere Bildqualität zu erreichen, insbesondere eine größere nutzbare Auflösung zu erreichen, sind die Halbleiterlichtquellen jeweils in einer Brennebene oder in einem Brennpunkt der zugeordneten Mikrolinse angeordnet.
-
Das hat den Vorteil, dass die erzeugten Lichter zu Lichtstrahlen gebündelt werden, welche eine klar definierte Ausbreitungsrichtung haben. Es kann somit besonders leicht eine parallele Ausbreitungsrichtung für die unterschiedlichen Lichter erreicht werden. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die gebündelten Lichter unterschiedlicher Halbleiterquellen nicht örtlich überlagern, so dass eine wohl definierte Ausleuchtung vorgegebener Raumbereiche durch die Sendeeinheit verbessert wird. Somit kann eine unbeabsichtigte Lichtstreuung des von der Sendeeinheit abgestrahlten Lichts in Bereiche, beispielsweise Bildpunkte oder Pixel, einer Detektoreinheit oder eines Detektors der zugeordneten optischen Sendeeinheit, in welchen diese Lichtstreuung zu einem Rauschen beiträgt, verhindert werden. Dadurch wird eine bessere Bildqualität erreicht und die tatsächlich nutzbare Auflösung für eine optische Sensorvorrichtung mit einer solchen Sendeeinheit vergrößert.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halbleiterlichtquellen in einer ersten Ebene angeordnet sind. Dabei sind die Halbleiterlichtquellen insbesondere in einer Vertikalrichtung sämtlich untereinander angeordnet. Bevorzugt sind dabei wiederum die Halbleiterlichtquellen sämtlich auf einer Geraden in der Vertikalrichtung untereinander angeordnet. Das hat den Vorteil, dass die Auflösung der Sendeeinheit in der Vertikalrichtung vergrößert ist und alle Halbleiterlichtquellen zu der Auflösung in der Vertikalrichtung beitragen. Gerade die Anordnung auf einer Geraden untereinander und/oder in einer Ebene vereinfacht hier den Aufbau, so dass die bessere Bildqualität und größere nutzbare Auflösung auf besonders einfache Weise, beispielsweise mit identischen Mikrolinsen, erreicht werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halbleiter jeweils zumindest einen Oberflächenemitter umfassen oder ein solcher sind. Ein Oberflächenemitter kann dabei auch als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) bezeichnet werden und ist ein Halbleiterlaser, bei dem das Licht senkrecht zu der Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Dadurch unterscheidet sich der Oberflächenemitter von dem herkömmlichen sogenannten Kantenemitter, bei dem das Licht an einer oder zwei Flanken des Halbleiterchips austritt. Das hat den Vorteil, dass die Halbleiterlichtquellen besonders einfach in der ersten Ebene angeordnet werden können. Überdies können die Halbleiterlichtquellen so besonders dicht aneinander angeordnet werden, so dass eine besonders hohe Auflösung der Sendeeinheit und damit für die optische Sensorvorrichtung erreicht werden kann.
-
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrolinsen oder Mikrolinseneinrichtungen sämtlich in einer zweiten Ebene angeordnet sind. Insbesondere liegen dann die Brennebenen der Mikrolinsen alle in der ersten Ebene, in welcher die Halbleiterlichtquellen angeordnet sind. Bevorzugt grenzen die Mikrolinsen hier aneinander an. Sie können auch als Mikrolinsen-Array oder Mikrolinsen-Anordnung ausgeführt sein, insbesondere dann auch einstückig. Das hat den Vorteil einer besonders einfachen Geometrie, so dass die Lichter der Halbleiterlichtquellen jeweils mit geringem Aufwand besonders genau und präzise gebündelt werden können. Somit wird auch hierdurch die nutzbare Auflösung der Sendeeinheit und der zugeordneten Sensorvorrichtung erhöht.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrolinsen sämtlich jeweils zumindest eine Sammellinse umfassen oder eine solche sind. Das hat den Vorteil, dass ein besonders einfacher optischer Aufbau erzielt werden kann und somit ein besonders großer Grad an Präzision erreicht werden kann. Auch damit werden die einzelnen durch die Mikrolinsen gebündelten Lichtstrahlen besonders präzise definiert, so dass eine bessere Lichtqualität mit einer größeren nutzbaren Auflösung erreicht ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anzahl der Halbleiterlichtquellen dem Quotienten aus einem Kollimatorwinkel der Kollimatorlinse und einer vorgegebenen Auflösung oder Winkelauflösung der Sendeeinheit entspricht. Die Auflösung oder Winkelauflösung kann dabei insbesondere in Vertikalrichtung vorgegeben sein. Beispielsweise kann hier eine Auflösung von 0,1° vorgegeben sein. Der Kollimatorwinkel ist dabei der Betrag der Größe des Winkelbereiches, aus welchem in einem Brennpunkt der Kollimatorlinse ein aus sämtlichen Lichtern bestehendes Gesamtlicht auf den Brennpunkt trifft. Dabei wird die Größe des Winkelbereichs wiederum insbesondere in Vertikalrichtung gemessen. Beispielsweise kann die Größe des Winkelbereichs und damit der Kollimatorwinkel in Vertikalrichtung 12° betragen. Bei einer vorgegebenen Auflösung der Sendeeinheit in Vertikalrichtung von 0,1° ergibt sich dann in diesem Beispiel für die Anzahl der Halbleiterlichtquellen 120. Entsprechend beträgt die Anzahl der Mikrolinsen dann ebenfalls 120. Entsprechend können dann die gebündelten Lichter jeweils eine identische räumliche Ausdehnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweisen. Es ergibt sich hier der Vorteil, dass eine gleichmäßige Auflösung erreicht wird, und die Anzahl der Halbleiterlichtquellen optimal auf die zu erzielende Auflösung angepasst ist. Damit kann bei idealer Bauraumausnutzung die vorgegebene Auflösung ohne ein Überstrahlen benachbarter Lichter ineinander erreicht werden. Dadurch wird eine verbesserte Bildqualität und höhere nutzbare Auflösung erreicht.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halbleiterlichtquellen durch eine Steuereinrichtung der Sendeeinheit unabhängig voneinander steuerbar, also beispielsweise aktivierbar und/oder deaktivierbar, sind. Das hat den Vorteil, dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt beispielsweise nur eine einzige Halbleiterlichtquelle der Sendeeinheit aktiviert werden kann, so dass entsprechend auch an einer der Sendeeinheit dann in einer optischen Sensorvorrichtung zugeordneten Detektoreinheit zu einem Zeitpunkt beispielsweise in einem Bildpunkt oder Pixel der Detektoreinheit nur das Licht der einen Halbleiterlichtquelle auftrifft. Es trifft also bei dem Detektor dann kein Streulicht von benachbarten Halbleiterlichtquellen ein, so dass ein Rauschen, welches sonst durch die anderen Halbleiterlichtquellen möglicherweise in dem einen Bildpunkt hervorrufen wird, verhindert werden kann. Somit wird wiederum die nutzbare Auflösung vergrößert beziehungsweise die Bildqualität verbessert, in dem hier ein Rauschen in einem Detektor durch die konstruktive Auslegung der Sendeeinheit verhindert oder verringert wird. Es wird somit ein „Übersprechen“ der Lichter der unterschiedlichen Halbleiterlichtquellen verhindert. Solch ein „Übersprechen kann sonst beispielsweise in unterschiedlichen Verarbeitungskanälen der Detektoreinheit auftreten, welche unterschiedlichen Bildpunkten zugeordnet sind.
-
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit auch einen optischen Mikrospiegel zum Ablenken der durch die Kollimatorlinse kollimierten Lichter umfasst. Der optische Mikrospiegel kann dabei eine Spiegelfläche mit Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen. Beispielsweise kann die Spiegelfläche Abmessungen von 2µm × 2µm haben. Es kann sich dabei um einen optischen Mikrospiegel handeln, wie er aus dem Bereich der „Digital Micromirror Devices“ (DMD) bekannt ist. Der Mikrospiegel kann als mikroelektromechanisches Bauelement zum dynamischen Ablenken von Licht genutzt werden. Der optische Mikrospiegel ist dabei von den Halbleiterlichtquellen aus betrachtet in den optischen Weg der Lichter hinter der Kollimatorlinse angeordnet. Dadurch können die Lichter der Sendeeinheit in unterschiedliche Raumrichtungen abgelenkt werden, was eine Auflösung der Sendeeinheit beziehungsweise der optischen Sensorvorrichtung, in welcher die Sendeeinheit zum Einsatz kommt, erhöht.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass der optische Mikrospiegel in einer Brennebene der Kollimatorlinse angeordnet ist. Somit lässt sich die Richtung, in welche die Lichter durch den Mikrospiegel abgelenkt werden, besonders genau und gleichmäßig für die unterschiedlichen Lichter einstellen. Des Weiteren kann ein besonders kleiner Mikrospiegel verwendet werden, so dass die für das Ablenken zu bewegenden Teile besonders klein und leicht ausgeführt sind. Auch kann das Ablenken besonders schnell erfolgen. Entsprechend sorgt die Anordnung des Mikrospiegels in der Brennebene der Kollimatorlinse dafür, dass eine bessere Bildqualität mit einer größeren nutzbaren Auflösung erreicht wird.
-
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Mikrospiegel in einer Horizontalrichtung verschwenkbar ist. Er kann hier beispielsweise um einen Winkel von +/–15°, insbesondere +/–10° verschwenkbar sein. Der Mikrospiegel kann also eine Rotationsachse aufweisen, welche parallel zur Vertikalrichtung verläuft. Dabei ist zu beachten, dass die Vertikalrichtung senkrecht zur Horizontalebene, in welcher die Horizontalrichtung verläuft, angeordnet ist. Der Mikrospiegel kann dabei auch als sogenannter 1D-Mikrospiegel ausgeführt sein, das heißt nur eine einzige Rotationsachse aufweisen. Entsprechend ist der Mikrospiegel dann nur in der Horizontalrichtung verschwenkbar. Dies ist gerade dann vorteilhaft, wenn die Halbleiterlichtquellen in Vertikalrichtung untereinander angeordnet sind. Dann ist nämlich durch die Anordnung der Halbleiterlichtquellen eine vertikale und durch die Bewegung des Mikrospiegels eine horizontale Auflösung bestimmt. Eine Verschwenkbarkeit von +/–15°, inbesondere +/–10°, hat sich hier als vorteilhaft in Bezug auf mechanische Randbedingungen des Mikrospiegels erwiesen. Dadurch dass der Mikrospiegel ausschließlich in der Horizontalrichtung und damit in der Horizontalebene verschwenkbar ist, kann das entsprechende Verschwenken besonders schnell erfolgen. Überdies sind derartige 1D-Mikrospiegel besonders kostengünstig und robust.
-
Die Erfindung betrifft auch eine optische Sensorvorrichtung mit mehreren, insbesondere drei, Sendeeinheiten entsprechend den obigen Ausführungen sowie mit einem optischen Mikrospiegel. Insbesondere kann die optische Sensorvorrichtung dabei nur einen einzigen optischen Mikrospiegel umfassen. Der optische Mikrospiegel ist dabei von den Halbleiterlichtquellen aus betrachtet in den optischen Wegen der Lichter hinter den Kollimatorlinsen der Sendeeinheiten angeordnet. Insbesondere ist so der Mikrospiegel in einem Schnittpunkt der Brennebenen der Kollimatorlinsen angeordnet. Das hat den Vorteil, dass mit den verschiedenen Sendeeinheiten und dem optischen Mikrospiegel durch das Verschwenken des optischen Mikrospiegels gleichzeitig mehrere unterschiedliche Raumbereiche in einer Umgebung der optischen Sensorvorrichtung abgetastet werden können. Die vergrößerte nutzbare Auflösung kann somit auf einen besonders großen Bildbereich, welcher durch die optische Sensorvorrichtung erfassbar ist, angewendet werden. Dadurch wird eine bessere Bildqualität erreicht.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann dabei vorgesehen sein, dass der Mikrospiegel in der Horizontalrichtung verschwenkbar ist und die Sendeeinheiten in der Horizontalrichtung in einer Ebene versetzt um den Mikrospiegel angeordnet sind. Der Mikrospiegel kann dabei wiederum insbesondere um einen Betrag von +/–15°, insbesondere +/–10°, verschwenkbar sein. Er kann so mit eine insbesondere eine einzige Rotationsachse in der zu der zur Horizontalebene senkrecht verlaufenden Vertikalrichtung aufweisen. Zusätzlich zu den analog zu den entsprechend den obigen Ausführungen im entsprechenden, die Sendeeinheit betreffenden Ausführungsbeispiel zu erreichenden Vorteilen wird so erreicht, dass ein größtmöglicher Umgebungsbereich der optischen Sensorvorrichtung durch diese erfassbar ist. Für diesen vergrößerten Sensorbereich wird entsprechend eine bessere Bildqualität in Form einer besseren Winkelauflösung in Horizontalrichtung erreicht.
-
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die optischen Wege der Lichter der Sendeeinheiten, welche jeweils nächste Nachbarn sind, sich für alle Lichter in der Horizontalrichtung unter einem gleichen Winkel in dem Schnittpunkt der Kollimatorlinsen oder Kollimatorlinseneinrichtungen treffen. Dieser Winkel kann insbesondere 40° sein. Für den gleichen Winkel kann hier beispielsweise eine Messungenauigkeit von +/–1° vorgesehen sein. Das hat den Vorteil, dass durch das Verschwenken des Mikrospiegels die Umgebung der optischen Sensorvorrichtung besonders effizient abgetastet werden kann. Gerade bei einer Verschwenkbarkeit um +/–10° ist ein Betrag von 40° für den gleichen Winkel besonders vorteilhaft. Bei einer Verschwenkbarkeit des Mikrospiegels um +/–10° kann nämlich durch eine Sendeeinheit ein horizontaler Winkelbereich von 40° überstrichen werden. Somit kann durch drei Sendeeinheiten die Umgebung der optischen Sensorvorrichtung in einem Erfassungswinkel von insgesamt 120° mit der vergrößerten nutzbaren Auflösung auf effiziente Weise erfasst werden. Insbesondere ergeben sich dabei so zwischen den einzelnen Unterbereichen, welche durch die Lichter der jeweiligen Sendeeinheiten bestrahlt oder abgetastet werden, keine Lücken. Dabei ist zugleich nur ein einziges sich bewegendes Teil erforderlich, nämlich der besagte optische Mikrospiegel. Somit kann wiederum eine besondere Genauigkeit im optischen System erreicht werden, was die nutzbare Auflösung und die erreichte Bildqualität wiederum vergrößert.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lichter der unterschiedlichen Sendeeinheiten jeweils für die unterschiedlichen Sendeeinheiten disjunkte Wellenlängeverteilungen aufweisen oder, gerade im Falle von Laserlichtern, jeweils eine voneinander verschiedene Wellenlänge haben. das hat den Vorteil, dass die unterschiedlichen Lichter sich nicht gegenseitig beeinflussen beziehungsweise eine Detektoreinheit der optischen Sensorvorrichtung die unterschiedlichen Lichter leicht getrennt detektieren kann. Damit wird ein „Übersprechen“ der Lichter mit einer damit einhergehenden Verschlechterung einer Auflösung vermieden.
-
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halbleiterlichtquellen der Sendeeinheiten für jede Sendeeinheit in einer jeweiligen Ebene sämtlich in der gleichen Vertikalrichtung jeweils für eine Sendeeinheit untereinander angeordnet sind. Dabei können die Halbleiterlichtquellen, welche jeweils zu einer Sendeeinheit gehören, insbesondere auf einer Geraden angeordnet sein. In diesem Fall sind dann also die Geraden, auf denen die Halbleiterlichtquellen angeordnet sind, jeweils parallel zueinander. Das hat den Vorteil, dass, gerade bei einem um die Rotationsachse in Vertikalrichtung verschwenkbaren (also in der Horizontalebene verschwenkbaren) Mikrospiegel eine Umgebung der Sensorvorrichtung besonders effizient mit der maximal möglichen Auflösung abgetastet oder erfasst werden kann. Gerade dadurch, dass die Halbleiterlichtquellen jeweils sämtlich auf einer Gerade senkrecht zur Horizontalrichtung angeordnet sind, ergibt sich ein besonders großer Erfassungsbereich für die Sensorvorrichtung mit einer gleichmäßigen Auflösung.
-
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten abhängigen oder unabhängigen Anspruchs aufweisen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Sendeeinheit in einer Vertikalrichtung; und
-
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer optischen Sensorvorrichtung mit vorliegend drei Sendeeinheiten und einem optischen Mikrospiegel in einer perspektivischen Ansicht.
-
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer Sendeeinheit in einer Schnittansicht parallel zu einer Vertikalrichtung dargestellt. Die Sendeeinheit 1 umfasst dabei zunächst eine Vielzahl von Halbleiterlichtquellen 2a, 2b, ..., 2y, 2z. Diese sind vorliegend auf einer Trägerplatine 3 angeordnet. Entsprechend sind die Halbleiterlichtquellen 2a–2z in diesem Beispiel in einer ersten Ebene 4 angeordnet, welche sich hier in einer y-z-Richtung senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Die Halbleiterlichtquellen 2a–2z sind dabei in y-Richtung, welche hier der Vertikalrichtung entspricht, untereinander auf einer Geraden angeordnet. Vorliegend sind die Halbleiterlichtquellen 2a–2z auch äquidistant angeordnet. Durch die Äquidistanz ergibt sich eine vereinfachte Geometrie, welche sich auch vorteilhaft auf die erzielbare Bildqualität beziehungsweise nutzbare Auflösung der Sendeeinheit auswirkt. Die Halbleiterlichtquellen 2a–2z sind im gezeigten Beispiel als Oberflächenemitter, sogenannte VCSEL (Vertical Cavity Surface Emmitting Laser), ausgeführt, in Form eines sogenannten VCSEL-Arrays. Dieses umfasst im gezeigten Beispiel eine Reihe von 120 Halbleiterlichtquellen 2a–2z, welche aus Übersichtlichkeitsgründen nicht vollständig dargestellt sind.
-
Die Sendeeinheit 1 umfasst auch eine Vielzahl von optischen Mikrolinsen 5a–5z, welche den jeweiligen Halbleiterlichtquellen 2a–2z zugeordnet sind. Entsprechend wird ein von den jeweiligen Halbleiterlichtquellen 2a–2z erzeugtes Licht a, b, ..., z durch die zugeordneten Mikrolinsen 5a–z gebündelt. Die Mikrolinsen 5a–z sind vorliegend in einem Abstand D von den Halbleiterlichtquellen 2a–2z entfernt angeordnet, welcher der Brennweite der Mikrolinsen 5a–5z entspricht. Die Mikrolinsen 5a–5z sind vorliegend sämtlich identisch als Sammellinsen ausgeführt und benachbart zueinander in Form eines sogenannten Arrays in einer zweiten Ebene 6 angeordnet. Dieses Mikrolinsen-Array kann dabei beispielsweise einstückig ausgeführt sein.
-
Da die Mikrolinsen 5a–5z aneinander angrenzen, bilden auch die durch die Halbleiterlichtquellen 2a–2z zunächst als die Lichter a–z erzeugten und durch die Mikrolinsen 5a–5z gebündelten Lichter a’–z’ parallel verlaufende Lichtstrahlen, welche aneinander angrenzen. Die gebündelten Lichter a’–z’ bilden somit bei gleichzeitig aktivierten Halbleiterlichtquellen 2a–2z eine Art Lichtband, was sich quasi eindimensional (also fast ausschließlich) in der y-Richtung, also der Vertikalrichtung, erstreckt.
-
Die Sendeeinheit 1 umfasst des Weiteren eine Kollimatorlinse 7, welche die gebündelten Lichter a’–z’ auf einen Brennpunkt F kollimiert. Dieser Brennpunkt F ist in einem Abstand E, welcher der Brennweite der Kollimatorlinse 7 entspricht, von den Halbleiterlichtquellen 2a–2z aus betrachtet, in dem Strahlgang der Lichter a, a’ bis z, z’ hinter der Kollimatorlinse 7 angeordnet. Die von der Kollimatorlinse 7 kollimierten Lichter a’’, b’’, ..., z’’, welche den jeweiligen erzeugten Lichtern a–z und den gebündelten Lichtern a’–z’ entsprechen, treffen bei gleichzeitem Aktiveren der Halbleiterlichtquellen 2a–2z gemeinsam unter einem Kollimatorwinkel ⊝ auf den Brennpunkt F ein. Die Summe der kollimierten Lichter a’’–z’’ beziehungsweise das von den kollimierten Lichtern a’’–z’’ gebildete Gesamtlicht trifft also aus einem Winkelbereich, dessen Größe dem Kollimatorwinkel ⊝ entspricht, auf den Brennpunkt F. Der Kollimatorwinkel ⊝ beträgt im gezeigten Beipiel 12°. Da vorliegend 120 Halbleiter lichtquellen 2a–2z die entsprechenden Lichter a, a’, a’’ bis z, z’, z’’ erzeugen und die gebeugten beziehungsweise kollimierten Lichter a’, a’’ bis z’, z’’ aneinander angrenzen, entspricht jeder Halbleiterlichtquelle 2a–2z vorliegend 1 / 120 in dem Gesamtlicht 9. Die einzelnen kollimierten Lichter a’’–z’’ nehmen somit von dem Brennpunkt F aus betrachtet, jeweils einen gleichen (hier vertikalen) Raumwinkel Φ ein. Dieser Raumwinkel Φ beträgt im gezeigten Beispiel 12° / 120 = 0,1°. Der Raumwinkel Φ bestimmt damit die Auflösung, vorliegend die Auflösung in Vertikalrichtung der Sendeeinheit 1.
-
In dem Brennpunkt F ist vorliegend ein Mikrospiegel 8 angeordnet. Die gebündelten Lichter a’’–z’’ treffen in dem Brennpunkt F auf den Mikrospiegel 8. Der Mikrospiegel 8 ist vorliegend um eine Rotationsachse A, welche hier in der Zeichenebene parallel zu der Vertikalrichtung verläuft, schwenkbar. Dadurch kann bei zeitgleicher Aktivierung der Halbleiterlichtquellen 2a–2z ein Lichtband 9, welches sich praktisch nur in der Vertikalrichtung erstreckt, in der Horizontalrichtung abgelenkt werden und mit diesem eine Umgebung der Sendeeinheit 1 bestrahlt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist dabei jedoch vorgesehen, dass jeweils zeitgleich nur eine der Halbleiterlichtquellen 2a–2z aktiv ist. Damit wird durch die Sendeeinheit 1 eine vertikale Auflösung von vorliegend 0,1° erreicht. Entsprechend wird jedoch an einem Detektor, welcher nicht dargestellt ist, jeweils nur ein Signal, welches einem einzigen Pixel, welches der jeweils aktivierten Halbleiterlichtquelle 2a–2z oder einem durch diese Halbleiterlichtquelle 2a–2z bestrahlten Bereich der Umgebung entspricht, detektiert. Dadurch wird dieses eine Pixel in der Detektoreinheit kein Signal durch die anderen Halbleiterlichtquellen 2a–2z erhalten. Dieses Signal und damit die anderen Halbleiterlichtquellen 2a–2z würden ansonsten zu einem Rauschen beitragen. Entsprechend gibt es kein Übersprechen zwischen Signalen, welche benachbarten Pixeln oder Bildpunkten in der Detektoreinheit entsprechen. Damit wird die nutzbare Auflösung verbessert und eine bessere Bildqualität erreicht.
-
In 2 ist schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer optischen Sensorvorrichtung mit vorliegend drei Sendeeinheiten in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Jede der drei Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ entspricht hier beispielhaft jeweils dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Dabei sind die Vertikalrichtungen der jeweiligen Sendeeinheiten, 1, 1’, 1’’ vorliegend parallel zueinander angeordnet und die Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ in einer Horizontalrichtung senkrecht zur Vertikalrichtung in der Horizontalebene vorliegend radial um einen einzigen Mikrospiegel 8 herum verteilt. Der Mikrospiegel 8 kann beispielsweise eine Spiegelfläche von 2 × 2 mm aufweisen. Die Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ können dabei vorliegend jeweils ein vertikales, quasieindimensionales Lichtband 9, 9’, 9’’ aussenden. Die jeweiligen Lichtbänder 9, 9’, 9’’ haben dabei einen gemeinsamen Brennpunkt F, in welchem der Mikrospiegel 8 angeordnet ist, ihren Schnittpunkt. Der Mikrospiegel 8 ist dabei in einer Dimension, nämlich in der Horizontalebene, um eine Rotationsachse A verschwenkbar. Vorliegend kann der optische Mirkospiegel 8 um +/–10° verschwenkt werden. Entsprechend werden die Lichtbänder 9, 9’, 9’’ je nach Stellung des optischen Mikrospiegels 8 in einen Bereich gelenkt, welcher jeweils +/–20°, also 40°, einer Umgebung 11 abdeckt.
-
Dadurch, dass in der gezeigten Anordnung zwischen den jeweiligen Lichtbändern 9, 9’ und 9’’ in der Horizontalebene ein gleichmäßiger Winkel Ω von vorliegend 40° eingestellt ist, kann somit durch die optische Sensorvorrichtung 10 in der Horizontalebene ein Gesamtbereich von 120° abgetastet werden. Dadurch, dass zeitgleich jeweils nur eine der Halbleiterlichtquellen 2a–2z (1) der jeweiligen Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ aktiviert wird, wird entsprechend den Ausführungen zu 1 ein Rauschen verringert und ein Übersprechen von benachbarten Kanälen in einer zugeordneten, nicht dargestellten Empfangseinheit vermieden. Dies wird vorliegend noch dadurch unterstützt, dass die Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ Licht in unterschiedlicher Wellenlänge nutzen.
-
Dadurch, dass der Winkelabstand zwischen den Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ relativ zu dem Mikrospiegel 8, welcher durch den Winkel Ω bestimmt ist, identisch zu dem Winkelbereich ist, über welchen die Lichtbänder 9, 9’, 9’’ beziehungsweise die Lichter a’’–z’’ (1) der jeweiligen Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ abgelenkt werden können, kann der gesamte Umgebungsbereich 11, vorliegend die 120° in der Horizontalrichtung und beispielsweise 12° in der Vertikalrichtung, lückenlos durch die optischen Sensorvorrichtung 10 mit ihren Sendeeinheiten 1, 1’, 1’’ abgetastet werden.
-
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 Patentliteratur
-
- US 6353502 B1 [0003]
- US 6888871 B1 [0004]
