WO2017005653A1 - Detektoreinheit für eine optische sensorvorrichtung - Google Patents

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WO2017005653A1
WO2017005653A1 PCT/EP2016/065581 EP2016065581W WO2017005653A1 WO 2017005653 A1 WO2017005653 A1 WO 2017005653A1 EP 2016065581 W EP2016065581 W EP 2016065581W WO 2017005653 A1 WO2017005653 A1 WO 2017005653A1
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WO
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optical
detector
sensor device
detector unit
optical sensor
Prior art date
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PCT/EP2016/065581
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lin Lin
Peter Horvath
Original Assignee
Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2017005653A1 publication Critical patent/WO2017005653A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone

Definitions

  • the invention relates to a detector unit for an optical sensor device, for detecting at least one optical received signal, with an optical
  • the invention also relates to an optical sensor device with such a detector unit and to a motor vehicle with such a detector unit or such an optical sensor device.
  • optical sensor devices are known in which surfaces or bodies in a vicinity of the sensor device and thus of the motor vehicle are swept line or raster-like with a light beam in order to measure the respective surfaces or bodies, to process and / or to produce an image. This can be done, for example, in a laser scanning device by a laser light beam.
  • Laser scanning devices are also known as “laser scanners” or as “lidars”. In these sensor devices come accordingly both transmitting units and
  • Detector units are used. In conventional detector units, lights which are mostly reflected by the surroundings are directed to detection elements with individual pixels, for example so-called avalanche or avalanche photodiodes. These individual pixels or pixels usually also absorb light, for example sunlight, from other directions.
  • DE 10 2012 101 460 A1 discloses a lidar sensor for a
  • the sensor has several components
  • Reception areas each associated with a detector.
  • a detector unit according to the invention for an optical sensor device is designed to detect at least one optical received signal.
  • the optical sensor device may be an active optical sensor device in which a transmission signal is emitted into an environment of the sensor device and a reflection of this transmission signal as a received signal by the detector unit of the optical sensor device detected and finally, for example by the
  • Detector unit or a computing unit is evaluated.
  • Such an optical sensor device may be a light scanning device, in particular a laser scanning device or a laser scanner.
  • the detector unit in this case comprises an optical collimation element for collimating the at least one optical received signal and a detection element for detecting the collimated optical received signal.
  • the detection element is at least partially, so partially or completely, arranged in a focal plane of the Kollimationsiatas. Collimating can also be used here as bundling or focusing the optical
  • Detection element at least two detector surfaces with pixel fields, which are also known as "pixel arrays.” In each pixel of the pixel fields, a signal is individually detectable here
  • the detector surfaces are at least partially, ie partially or completely, not parallel to one another.
  • the detector surfaces can thus be tilted against each other, for example.
  • the pixel fields each have a plurality of pixels or pixels, in each of which an optical signal, for example the optical received signal, is converted into an electrical signal.
  • the detector unit or the optical sensor device with the detector unit which then includes, for example, a corresponding transmitter unit, can be designed such that each pixel can only receive signals from a very small solid angle range and thus convert it into an electrical signal.
  • a noise which, for example, a scattered light of a further optical reception signal or caused by other lights such as sunlight avoided.
  • a low signal-to-noise ratio is achieved.
  • the demands on the optical collimation element decrease due to the differently oriented detector surfaces.
  • the detector surfaces may comprise a particularly large number of pixels in order to realize a high resolution and yet be arranged in each case in the focal plane of the collimation element.
  • the focal plane of the Kollimations may also be curved.
  • Such a curvature is an effect which, as is known, becomes visible, for example in the case of converging lenses, when a light strikes the lens at a very large angle of incidence with respect to solder on a principal plane of the respective lens.
  • an optical received signal can be imaged sharply and correspondingly high-resolution onto the respective pixels of the detector surfaces. Due to the different orientation of the
  • Detector surfaces can thus collimation errors at least partially, so be compensated in whole or in part. It can be achieved in one direction, for example in a horizontal direction, a particularly high resolution by multiple detector surfaces can be strung together.
  • the detector surfaces each have non-curved flat surfaces (or are not curved flat surfaces), which are tilted against each other.
  • a non-curved flat surface lies completely in a plane which is spanned by two vectors, which are mathematically independent of each other, ie non-parallel.
  • the detection sides of the detector surfaces facing the optical collimator element enclose an angle in a predetermined plane which is smaller than 180 °.
  • the flat surfaces are thus non-parallel surfaces.
  • the predetermined plane can stand in particular perpendicular to the two surfaces.
  • Total detector area forms, which has no gaps. Accordingly, the at least one optical received signal from the surroundings of the detector unit can thus be detected without gaps, without requiring complex optical constructions.
  • Detector surfaces have normal vectors, which in the horizontal plane all parallel to each other. Accordingly, then the detector surfaces only in one plane, here the horizontal plane, inclined to each other. This has the advantage that the at least one optical received signal can be detected from a particularly large angular range in the horizontal plane.
  • the collimating element comprises at least two optical lenses, whose main optical planes lie in planes not parallel to one another, wherein in each case one detector surface is arranged in a focal plane of the respective associated optical lens.
  • the inclination (or angle) of the principal planes to each other corresponds to the inclination (or angle) of the detector surfaces to each other.
  • the collimation element has only one main optical plane or only mutually parallel extending main optical planes.
  • the collimation element here can have only one optical lens or a plurality of optical lenses with main planes parallel to one another.
  • the detection element with the differently oriented detector surfaces is particularly advantageous because so inevitably in a large
  • Incident angle of the optical signal received on the Kollimationselement occurring effects which manifest themselves in a curvature of the focal plane are compensated particularly effective, thus, even at a large angle of incidence, which is associated with a large detection range, by the Kollimationselement an accurate collimation of the optical received signal to the respective detection element take place.
  • a high resolution is achieved. From the high resolution, as described above, a favorable signal-to-noise ratio is derived, since with a plurality of pixels with a small receiving range (also known as field of view, FOV) less noise is detected by each pixel.
  • FOV field of view
  • the detector surfaces are arranged at least partially or partially in the focal plane of the Kollimationsiatas.
  • the focal plane can here just in an edge region, in which at a large angle of incidence of the optical reception signal, the optical received signal is collimated, be curved.
  • the detector surfaces can therefore be arranged at least partially in a curved region of the focal plane of the collimation element.
  • a curved region of the focal plane is to be understood here in particular as the region of the focal plane in which the curvature is no longer negligible without an optical error being greater than a predefined limit value. This has the advantage that through the
  • a large detection range for the detector unit is achieved.
  • the optical errors for example a blur or a curvature of the focal plane, are particularly pronounced, so that the different orientation of the detector surfaces is particularly advantageous here.
  • Detector unit comprises three or more detector surfaces and adjacent detector surfaces are each oriented at a predetermined angle to each other. Two detector surfaces are considered adjacent here if they are nearest neighbors. They can also be adjacent or abut. They then in particular each include an angle, the predetermined angle.
  • the predetermined angle is in particular between 130 ° and 150 °, preferably 140 °. If the detector surfaces are understood as oriented surfaces, angular amounts of between 210 ° and 230 ° are, in addition to the stated angular amounts, depending on the definition of the associated angles
  • the detection area may cover a vertical angle of 12 °.
  • Detector surfaces are two-dimensional pixel fields.
  • they may be non-square pixel fields which have more than one pixel in a vertical direction which is perpendicular to the horizontal plane and a multiple of the pixels of the vertical direction in a horizontal direction perpendicular to the vertical direction in the horizontal plane.
  • the multiple does not have to be an integer multiple here.
  • the detector surfaces may each have 400 pixels or pixels in the horizontal direction and 120 pixels or pixels in the vertical direction.
  • a spatial resolution of 0.1 ° x 0.1 ° can be achieved. This has the advantage that a particularly high resolution is achieved. Due to the fact that the detector surfaces are oriented differently, the respective pixel fields can, however, at least partially in one
  • Burning plane of the Kollimations may be arranged so that an accurate
  • Kollimationselement received signals from a horizontal angle range of 90 ° or more, in particular of less than 150 ° to the focal plane of the
  • Optical reception signals from an angular range of 120 ° may be collimated onto the focal plane of the collimation element.
  • optical reception signals from a predetermined vertical angle range for example an angle range between 10 ° and 20 °, preferably 12 °, can also be collimated by the collimation element onto the focal plane of the collimation element. This has the advantage of being a great one
  • the invention also relates to an optical sensor device with a detector unit according to one of the preceding claims.
  • the advantages arise accordingly.
  • the optical sensor device also has a transmitting unit.
  • the transmitting unit comprises for emitting at least one transmission signal at least two independently activatable transmitting elements, which are each associated with the detector elements. The from an environment of the optical sensor device.
  • Sending elements are serially exclusively activated, so that arrives in different detector units or different pixels of the detector units at the same time always only the respective transmission signal corresponding received signal or corresponding part of the received signal. This is a "crosstalk", which by overshooting the different transmission signals in different
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the transmitting units are each designed to emit a respective associated transmission signal in a horizontal angle range of 40 ° or less.
  • the optical sensor device can here in particular comprise three or more transmission units.
  • the invention also relates to a motor vehicle with a detector unit according to one of the described embodiments or with an optical sensor device as described in the last paragraphs.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a first exemplary
  • Embodiment of a detector unit Embodiment of a detector unit.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of an exemplary embodiment of a detector unit 1.
  • the detector unit 1 comprises an optical collimation element 2 and a detection element 3.
  • the detection element 3 comprises several, in the present case three, detector surfaces 4a, 4b, 4c. These detector surfaces 4a, 4b, 4c are embodied here as flat and rectangular and comprise a multiplicity of
  • Pixels or pixels arranged in the form of pixel fields are not shown here for reasons of clarity.
  • the present three detector surfaces 4a, 4b, 4c are all perpendicular to a horizontal plane, which corresponds to the x-z plane in the drawing.
  • the planes are in each case tilted by a predetermined angle a, which in the example shown is 120 °.
  • the respective adjacent detector surfaces 4a, 4b; 4b, 4c thus each include the predetermined angle ⁇ .
  • Detector surfaces 4a, 4b, 4c in another embodiment, which is not shown to be spaced apart.
  • the detector surfaces 4a, 4b, 4c are then in a respective plane, which intersects with the plane of the respectively adjacent detector surface 4a, 4b, 4c at the predetermined angle ⁇ .
  • the collimating element 2 in the present case comprises a single lens 5, which is also arranged with its main plane perpendicular to the horizontal plane.
  • several light bundles 6a, 6b and 6c are also drawn. These have the form of vertical light bands in the selected representation, which are each parallel to the
  • Each of the three vertical light bundles 6a, 6b, 6c is in the present case with light of a different wavelength, in particular laser light of a respective one predetermined, of the other light beams 6a, 6b, 6c different wavelength shown and executed.
  • the vertical light bundles 6a, 6b, 6c thereby encounter the collimating element 2 at a respective angle of incidence ⁇ .
  • the angle of incidence ⁇ is defined as the angle between a perpendicular L on the main plane of the collimating lens 5 and the respective light beam of the light beam 6a, 6b, 6c.
  • the angle of incidence ⁇ for the two light bundles 6a and 6c is identical and is 40 °.
  • the middle light beam 6b strikes the lens 5 exactly perpendicularly, ie at an angle of .beta. Equal to 0.degree.
  • the light beams 6a, 6b, 6c in the present case comprise the at least one optical received signal.
  • the optical received signal may also be only individual rays of the illustrated light bundles 6a, 6b, 6c.
  • the illustrated light bundles 6a, 6b, 6c can also be a temporally integrated representation of the respective optical signals received at different times. At one time, only one light beam of the respective light beam 6a, 6b, 6c would then be present.
  • the optical signals which are symbolized here by the light bundles 6a to 6c, are imaged by the lens 5 as a collimating element 2 onto a focal plane 7 of the collimation element 2.
  • This focal plane 7 is curved in the example shown. Due to the different orientations of the detector surfaces 4a, 4b, 4c, which are also visualized by the respective associated normal vectors 8a, 8b, 8c, one or more optical received signals can be detected by the detector unit 1 from a large area of an environment 9 of the detector unit 1 , Since the respective detector surfaces 4a, 4b, 4c are arranged in the focal plane 7, and moreover have a multiplicity of pixels in the pixel fields, a particularly high resolution can thus be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektoreinheit (1) für eine optische Sensorvorrichtung, zum Detektieren zumindest eines optischen Empfangssignals, mit einem optischen Kollimationselement (2) zum Kollimieren des zumindest einen optischen Empfangssignals, und mit einem Detektionselement (3) zum Detektieren des kollimierten optischen Empfangssignals, wobei das Detektionselement (3) zumindest bereichsweise in einer Brennebene (7) des Kollimationselementes (2) angeordnet ist, wobei das Detektionselement (3) zumindest zwei Detektorflächen (4a, 4b, 4c) mit Bildpunkt-Feldern aufweist, wobei die Detektorflächen (4a, 4b, 4c) zumindest bereichsweise unterschiedlich orientiert sind, um für eine optische Sensorvorrichtung einen großen Erfassungsbereich mit einer hohen Auflösung bei gleichzeitig niedrigem Signal-zu-Rauschverhältnis zu erreichen.

Description

Detektoreinheit für eine optische Sensorvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Detektoreinheit für eine optische Sensorvorrichtung, zum Detektieren zumindest eines optischen Empfangssignals, mit einem optischen
Kollimationselement zum Kollimieren des zumindest einen optischen Empfangssignals und mit einem Detektionselement zum Detektieren des kollimierten optischen
Empfangssignals, wobei das Detektionselement zumindest bereichsweise in einer Brennebene des Kollimationselementes angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch eine optische Sensorvorrichtung mit einer solchen Detektoreinheit sowie einen Kraftwagen mit einer solchen Detektoreinheit oder solch einer optischen Sensorvorrichtung.
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 und/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. In diesen Sensorvorrichtungen kommen entsprechend sowohl Sendeeinheiten als auch
Detektoreinheiten zum Einsatz. In üblichen Detektoreinheiten werden zumeist von der Umgebung reflektierte Lichter auf Detektionselemente mit einzelnen Bildpunkten, beispielsweise sogenannten Avalanche- oder Lawinen-Photodioden gelenkt. Diese einzelnen Bildpunkte oder Pixel nehmen dabei meist auch Licht, beispielsweise ein Sonnenlicht, aus anderen Richtungen auf.
So offenbart die DE 10 2012 101 460 A1 einen Lidar-Sensor für ein
Fahrerassistenzsystem eines Kraftwagens. Dabei weist der Sensor mehrere
Empfangsbereiche auf, denen jeweils ein Detektor zugeordnet ist.
Es ergibt sich die Aufgabe, für eine optische Sensorvorrichtung einen großen
Erfassungsbereich mit einer hohen Auflösung bei gleichzeitig niedrigem Signal-zu- Rauschverhältnis 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.
Eine erfindungsgemäße Detektoreinheit für eine optische Sensorvorrichtung ist zum Detektieren zumindest eines optischen Empfangssignals ausgelegt. Bei der optischen Sensorvorrichtung kann es sich um eine aktive optische Sensorvorrichtung handeln, bei welcher ein Sendesignal in eine Umgebung der Sensorvorrichtung abgestrahlt wird und eine Reflexion dieses Sendesignals als Empfangssignal durch die Detektoreinheit der optischen Sensorvorrichtung detektiert und schließlich, beispielsweise durch die
Detektoreinheit oder eine Recheneinheit, ausgewertet wird. Bei solch einer optischen Sensorvorrichtung kann es sich um eine Lichtabtastvorrichtung, insbesondere eine Laser- Abtastvorrichtung oder einen Laserscanner handeln. Die Detektoreinheit umfasst dabei ein optisches Kollimationselement zum Kollimieren des zumindest einen optischen Empfangssignals und ein Detektionselement zum Detektieren des kollimierten optischen Empfangssignals. Dabei ist das Detektionselement zumindest bereichsweise, also bereichsweise oder ganz, in einer Brennebene des Kollimationselementes angeordnet. Das Kollimieren kann hier auch als Bündeln oder Fokussieren des optischen
Empfangssignals verstanden werden.
Um einen großen Erfassungsbereich für die Detektoreinheit bei hoher Auflösung und gleichzeitig niedrigem Signal-zu-Rauschverhältnis zu realisieren, weist das
Detektionselement zumindest zwei Detektorflächen mit Bildpunktfeldern, welche auch als „Pixel-Arrays" bekannt sind, auf. In jedem Bildpunkt der Bildpunktfelder ist ein Signal hier einzeln detektierbar. Dabei sind die Detektorflächen zumindest bereichsweise
unterschiedlich orientiert. Somit sind Normalenvektoren der Detektorflächen zumindest teilweise, also teilweise oder sämtlich, nicht parallel zueinander. Die Detektorflächen können also beispielsweise gegeneinander verkippt sein. Die Bildpunktfelder weisen dabei jeweils eine Vielzahl von Bildpunkten oder Pixeln auf, in welchen jeweils ein optisches Signal, beispielsweise das optische Empfangssignal, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Das hat den Vorteil, dass die Detektoreinheit oder die optische Sensorvorrichtung mit der Detektoreinheit, welche dann beispielsweise eine entsprechende Sendeeinheit mit umfasst, derart ausgelegt werden kann, dass jeder Bildpunkt nur Signale aus einem sehr kleinen Raumwinkelbereich empfangen und damit in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Dadurch wird ein Rauschen, welches beispielsweise über ein Streulicht eines weiteren optischen Empfangssignals oder durch andere Lichter wie Sonnenlicht hervorgerufen wird, vermieden. Entsprechend wird ein niedriges Signal-zu- Rauschverhältnis erreicht. Zugleich sinken durch die bereichsweise unterschiedlich orientierten Detektorflächen die Anforderungen an das optische Kollimationselement. So können die Detektorflächen besonders viele Bildpunkte umfassen, damit eine große Auflösung realisieren und dennoch jeweils in der Brennebene des Kollimationselementes angeordnet sein. Dabei kann die Brennebene des Kollimationselementes auch gewölbt sein. Eine derartige Wölbung ist ein Effekt, welcher bekanntermaßen beispielsweise bei Sammellinsen sichtbar wird, wenn unter einem sehr großen Einfallswinkel in Bezug auf Lot auf eine Hauptebene der jeweiligen Linse ein Licht auf die Linse trifft. Somit kann durch ein einfaches und kostengünstiges optisches Kollimationselement ein optisches Empfangssignal scharf und entsprechend hoch aufgelöst auf die jeweiligen Bildpunkte der Detektorflächen abgebildet werden. Durch die unterschiedliche Orientierung der
Detektorflächen können also Kollimationsfehler zumindest teilweise, also ganz oder teilweise, ausgeglichen werden. Es kann so in einer Richtung, beispielsweise in einer Horizontalrichtung, eine besonders hohe Auflösung erreicht werden, indem mehrere Detektorflächen aneinander gereiht werden können.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektorflächen jeweils nicht gewölbte ebene Flächen aufweisen (oder nicht gewölbte ebenen Flächen sind), welche gegeneinander verkippt sind. Eine nicht gewölbte ebene Fläche liegt vollständig in einer Ebene, welche von zwei Vektoren aufgespannt wird, welche im mathematischen Sinne unabhängig voneinander, also nicht-parallel, sind. Dabei schließen die dem optischen Kollimatorelement zugewandten Detektionsseiten der Detektorflächen in einer vorgegebenen Ebene einen Winkel ein, welcher kleiner als 180°ist. Die ebenen Flächen sind also nicht-parallele Flächen. Die vorgegebene Ebene kann dabei insbesondere senkrecht auf den beiden Flächen stehen. Das hat den Vorteil, dass sich so auf besonders einfache und kostengünstige Weise die unterschiedliche Orientierung der Detektorflächen realisieren lässt. Insbesondere können die Detektorflächen dabei aneinander angrenzen. Das hat den Vorteil, dass die Detektorflächen eine
Gesamtdetektorfläche bildet, welche keine Lücken aufweist. Entsprechend kann so das zumindest eine optische Empfangssignal aus der Umgebung der Detektoreinheit ohne Lücken detektiert werden, ohne dass dabei aufwändige optische Konstruktionen erforderlich sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Detektorflächen Normalvektoren haben, welche in der Horizontalebene alle parallel zueinander verlaufen. Entsprechend sind dann die Detektorflächen nur in einer Ebene, hier der Horizontalebene, zueinander geneigt. Das hat den Vorteil, dass das zumindest eine optische Empfangssignal aus einem besonders großen Winkelbereich in der Horizontalebene detektiert werden kann.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kollimationselement zumindest zwei optische Linsen umfasst, deren optische Hauptebenen in zueinander nicht-parallelen Ebenen liegen, wobei jeweils eine Detektorfläche in einer Brennebene der jeweils zugeordneten optischen Linse angeordnet ist. Es entsprechen also die Neigung (oder der Winkel) der Hauptebenen zueinander der Neigung (oder dem Winkel) der Detektorflächen zueinander. Das hat den Vorteil, dass die Detektorflächen jeweils in einem Bereich der Brennebenen angeordnet werden können, welcher besonders eben oder flach, also nicht gewölbt ist. Damit kann eine besonders große optische Qualität und damit eine besonders hohe Auflösung erreicht werden. Es bleiben trotz geringer
Anforderungen an die optischen Linsen die oben beschriebenen Vorteile des großen Erfassungsbereiches und niedrigen Signal-zu-Rauschverhältnisses bei hoher Auflösung erhalten.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kollimationselement nur eine optische Hauptebene oder nur zueinander parallele verlaufende optische Hauptebenen aufweist. Insbesondere kann das Kollimationselement hier nur eine optische Linse oder eine Mehrzahl von optischen Linsen mit parallel zueinander stehenden Hauptebenen aufweisen. Gerade hier ist das Detektionselement mit den unterschiedlich orientierten Detektorflächen besonders vorteilhaft, da so die zwangsläufig bei einem großen
Einfallswinkel des optischen Empfangssignals auf das Kollimationselement auftretenden Effekte, welche sich in einer Wölbung der Brennebene äußern, besonders wirksam kompensiert werden, somit kann auch bei einem großen Einfallswinkel, welcher mit einem großen Erfassungsbereich einhergeht, durch das Kollimationselement eine genaue Kollimierung des optischen Empfangssignals auf das jeweilige Detektionselement erfolgen. Somit wird eine hohe Auflösung erreicht. Aus der hohen Auflösung leitet sich, wie eingangs beschrieben, ein günstiges Signal-zu-Rauschverhältnis ab, da bei einer Mehrzahl von Pixeln mit einem kleinen Empfangsbereich (auch Field of View, FOV) durch jeden Bildpunkt weniger Rauschen detektiert wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Detektorflächen zumindest bereichsweise oder teilweise in der Brennebene des Kollimationselementes angeordnet sind. Die Brennebene kann hier gerade in einem Randbereich, in welchem bei einem großen Einfallswinkel des optischen Empfangssignals das optische Empfangssignal kollimiert wird, gewölbt sein. Die Detektorflächen können also zumindest teilweise in einem gewölbten Bereich der Brennebene des Kollimationselementes angeordnet sein. Unter einem gewölbten Bereich der Brennebene ist hier insbesondere der Bereich der Brennebene zu verstehen, in welchem die Wölbung nicht mehr vernachlässigbar ist, ohne dass ein optischer Fehler größer ist als ein vorgegebener Grenzwert. Das hat den Vorteil, dass durch die
Anordnung der Detektorflächen zumindest teilweise in der gewölbten Brennebene kann ein großer Erfassungsbereich für die Detektoreinheit erreicht wird. Gerade bei den für einen großen Erfassungsbereich typischen großen Einfallswinkeln sind nämlich die optischen Fehler, beispielsweise eine Unschärfe oder eine Wölbung der Brennebene besonders ausgeprägt, so dass hier die unterschiedliche Orientierung der Detektorflächen besonders vorteilhaft ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Detektoreinheit drei oder mehr Detektorflächen umfasst und benachbarte Detektorflächen jeweils in einem vorgegebenen Winkel zueinander orientiert sind. Zwei Detektorflächen sind hier als benachbart anzusehen, wenn sie nächste Nachbarn sind. Dabei können sie auch aneinander angrenzen oder anstoßen. Sie schließen dann insbesondere jeweils einen Winkel ein, den vorgegebenen Winkel. Der vorgegebene Winkel beträgt dabei insbesondere zwischen 130° und 150° bevorzugt 140° . Werden die Detektorflächen als orientierte Flächen verstanden, so sind zu den genannten Winkelbeträgen je nach Definition der zugehörigen Winkel Winkelbeträge von zwischen 210°und 230°
insbesondere 220° äquivalent. Das hat den Vorteil, dass bereits mit drei Detektorflächen ein Erfassungsbereich erreicht werden kann, welcher 120°in einer Ebene, beispielsweise der Horizontalebene, umschließt. Somit werden die hohe Auflösung und das niedrige Signal-zu-Rauschverhältnis für ein Drittel einer Gesamtumgebung gleichzeitig realisiert. In einer zur horizontalen Ebene senkrechten Vertikalebene kann dabei beispielsweise der Erfassungsbereich einen vertikalen Winkel von 12°ü berdecken.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bildpunktfelder der
Detektorflächen zweidimensionale Bildpunktfelder sind. Insbesondere können sie nichtquadratische Bildpunktfelder sein, welche in einer Vertikalrichtung, welche senkrecht zur Horizontalebene verläuft, mehr als einen Bildpunkt aufweisen und in einer senkrecht zur Vertikalrichtung verlaufenden Horizontalrichtung in der Horizontalebene ein Vielfaches der Bildpunkte der Vertikalrichtung. Das Vielfache muss hier kein ganzzahliges Vielfaches sein. Beispielsweise können die Detektorflächen so jeweils 400 Bildpunkte oder Pixel in der Horizontalrichtung und 120 Bildpunkte oder Pixel in der Vertikalrichtung aufweisen. Damit lässt sich beispielsweise in dem zuletzt genannten Beispiel mit einem horizontalen Erfassungswinkel von 120° und einen vertikalen Erfa ssungswinkel von 12°eine räumliche Auflösung von 0,1 °x 0,1 °erreichen. Das hat den Vo rteil, dass eine besonders hohe Auflösung erreicht wird. Dadurch dass die Detektorflächen unterschiedlich orientiert sind, können die jeweiligen Bildpunktfelder jedoch zumindest bereichsweise in einer
Brennebene des Kollimationselementes angeordnet sein, so dass eine genaue
Kollimierung erfolgt und diese hohe Auflösung auch tatsächlich realisiert ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch das
Kollimationselement Empfangssignale aus einem horizontalen Winkelbereich von 90° oder mehr, insbesondere dabei von weniger als 150° auf die Brennebene des
Kollimationselementes kollimierbar sind. Bevorzugt sind dabei optische Empfangssignale aus einem Winkelbereich von 120° auf die Brennebene des Kollimationselementes kollimierbar. Überdies können zusätzlich auch optische Empfangssignale aus einem vorgegebenen vertikalen Winkelbereich, beispielsweise einem Winkelbereich zwischen 10° und 20° bevorzugt 12° durch das Kollimationse lement auf die Brennebene des Kollimationselementes kollimierbar sein. Das hat den Vorteil, dass ein großer
Erfassungsbereich realisiert ist.
Die Erfindung betrifft auch eine optische Sensorvorrichtung mit einer Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Vorteile ergeben sich entsprechend.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist dabei vorgesehen, dass die optische Sensorvorrichtung auch eine Sendeeinheit aufweist. Die Sendeeinheit umfasst dabei zum Ausstrahlen zumindest eines Sendesignals zumindest zwei unabhängig voneinander aktivierbare Sendeelemente, welche jeweils den Detektorelementen zugeordnet sind. Die von einer Umgebung der optischen
Sensorvorrichtung zur Detektoreinheit hin reflektierten Anteile des Sendesignals sind dabei Teil des Empfangssignals oder bilden das Empfangssignal. Das hat den Vorteil, dass ein besonders niedriges Signal-zu-Rauschverhältnis erreicht wird, da die
Sendeelemente seriell jeweils ausschließlich aktivierbar sind, so dass in unterschiedlichen Detektoreinheiten oder unterschiedlichen Bildpunkten der Detektoreinheiten gleichzeitig immer nur das dem jeweiligen Sendesignal entsprechende Empfangssignal oder entsprechende Teil des Empfangssignals eintrifft. Damit wird ein„Übersprechen", welches durch ein Überstrahlen der unterschiedlichen Sendesignale in unterschiedliche
Detektoreinheiten beziehungsweise unterschiedliche Bildpunkte der Detektoreinheiten hinein verursacht wird, unterbunden. Entsprechend ist das Signal-zu-Rauschverhältnis (signal-to-noise-ratio, SNR) verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheiten jeweils ausgelegt sind, ein jeweiliges zugeordnetes Sendesignal in einen horizontalen Winkelbereich von 40° oder weniger abzustrahlen. Die optische Sensorvorrichtung kann hier um insbesondere drei oder mehr Sendeeinheiten umfassen. Es kann also mit jedem der zugeordneten Sendesignale die Umgebung der optischen Sensorvorrichtung in einem horizontalen Winkelbereich von 40°oder weniger abgetastet werden. Die Anzahl der Sendeeinheiten entspricht dabei bevorzugt der Anzahl der Detektoreinheiten. Gerade durch drei Sendeeinheiten kann aufwandsarm ein großer Erfassungsbereich mit einem Erfassungswinkel von beispielsweise 3x40 =120° abgetastet oder erfasst werden. Bei mehr Sendeeinheiten kann ein geringerer
horizontaler Winkelbereich an pro Sendeeinheit vorgesehen sein. Damit ergibt sich der Vorteil, dass auch mehr den Sendesignalen zugeordnete Detektoreinheiten zur
Verwendung kommen können, welche dann beispielsweise nochmals genauer in der gewölbten Brennebene des Kollimationselementes angeordnet werden können.
Die Erfindung betrifft auch einen Kraftwagen mit einer Detektoreinheit nach einem der beschriebenen Ausführungsformen oder mit einer optischen Sensorvorrichtung wie sie in den letzten Absätzen beschrieben wurde.
Mit den Angaben Horizontalrichtung und Vertikalrichtung sind die bei
bestimmungsgemäßem Gebrauch und bestimmungsgemäßem Anordnen der
Detektoreinheit beziehungsweise der optischen Sensorvorrichtung und bei einem dann vor der Detektoreinheit beziehungsweise der optischen Sensorvorrichtung stehenden und in Richtung von Detektoreinheit beziehungsweise optischer Sensorvorrichtung blickenden Beobachter gegebenen Positionen und Orientierungen angegeben.
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 somit auch Aus- führungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten abhängigen oder unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer ersten beispielhaften
Ausführungsform einer Detektoreinheit.
In der Figur werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Detektoreinheit 1 dargestellt. Die Detektoreinheit 1 umfasst dabei ein optisches Kollimationselement 2 und ein Detektionselement 3. Das Detektionselement 3 umfasst mehrere, vorliegend drei, Detektorflächen 4a, 4b, 4c. Diese Detektorflächen 4a, 4b, 4c sind vorliegend eben und rechteckig ausgeführt und umfassen eine Vielzahl von
Bildpunkten oder Pixeln die in Form von Bildpunktfeldern angeordnet sind. Diese Pixel oder Bildpunkte sind vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
Die vorliegend drei Detektorflächen 4a, 4b, 4c stehen sämtlich senkrecht auf einer Horizontalebene, welche in der Zeichnung der x-z-Ebene entspricht. Die Ebenen sind dabei vorliegend jeweils um einen vorgegebenen Winkel a, welcher im gezeigten Beispiel 120°beträgt, verkippt. Die jeweiligen benachbarten Detektorflächen 4a, 4b; 4b, 4c schließen somit jeweils den vorgegebenen Winkel α ein. Dabei können die
Detektorflächen 4a, 4b, 4c auch in einer anderen Ausführungsform, welche nicht dargestellt ist, voneinander beabstandet sein. In diesem Fall liegen die Detektorflächen 4a, 4b, 4c dann in einer jeweiligen Ebene, welche sich mit der Ebene der jeweils benachbarten Detektorfläche 4a, 4b, 4c unter dem vorgegebenen Winkel α schneidet.
Das Kollimationselement 2 umfasst vorliegend eine einzige Linse 5, welche mit ihrer Hauptebene ebenfalls senkrecht zur Horizontalebene angeordnet ist. Eingezeichnet sind vorliegend auch mehrere Lichtbündel 6a, 6b und 6c. Diese haben in der gewählten Darstellung die Form von vertikalen Lichtbändern, welche sich jeweils parallel zur
Horizontalebene in der Vertikalen, also senkrecht zur Horizontalebene, nebeneinander angeordnet, erstrecken. Jedes der drei vertikalen Lichtbündel 6a, 6b, 6c, ist vorliegend mit Licht einer unterschiedlichen Wellenlänge, insbesondere Laserlicht einer jeweiligen vorgegebenen, von den anderen Lichtbündeln 6a, 6b, 6c unterschiedlichen Wellenlänge umfassend dargestellt und ausgeführt. Die vertikalen Lichtbündel 6a, 6b, 6c, treffen dabei auf das Kollimationselement 2 unter einem jeweiligen Einfallwinkel ß ein. Der Einfallwinkel ß ist dabei als der Winkel zwischen einem Lot L auf die Hauptebene der Kollimationslinse 5 und dem jeweiligen Lichtstrahl des Lichtbündels 6a, 6b, 6c definiert. Vorliegend ist der Einfallwinkel ß für die beiden Lichtbündel 6a und 6c identisch und beträgt 40°. Der mittlere Lichtstrahl 6b trifft im gezeigten Beispiel genau senkrecht, also unter einem Winkel von ß gleich 0°auf die Linse 5 auf. Die Lichtstrahlen 6a , 6b, 6c, umfassen vorliegend das zumindest eine optische Empfangssignal. Bei dem optischen Empfangssignal kann es sich jedoch auch nur um einzelne Strahlen der dargestellten Lichtbündel 6a, 6b, 6c handeln. Die dargestellten Lichtbündel 6a, 6b, 6c können auch eine zeitlich aufintegrierte Darstellung der jeweiligen, zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangenen optischen Signale sein. Zu einem Zeitpunkt wäre dann nur jeweils ein Lichtstrahl des jeweiligen Lichtbündels 6a, 6b, 6c vorhanden.
Die optischen Signale, welche hier durch die Lichtbündel 6a bis 6c symbolisiert dargestellt sind, werden durch die Linse 5 als Kollimationselement 2 auf eine Brennebene 7 des Kollimationselementes 2 abgebildet. Diese Brennebene 7 ist im gezeigten Beispiel gewölbt. Durch die unterschiedlichen Orientierungen der Detektorflächen 4a, 4b, 4c, welche auch durch die jeweiligen zugehörigen Normalenvektoren 8a, 8b, 8c visualisiert sind, kann so durch die Detektoreinheit 1 eines oder mehrere optische Empfangssignale aus einem großen Bereich einer Umgebung 9 der Detektoreinheit 1 detektiert werden. Da die jeweiligen Detektorflächen 4a, 4b, 4c in der Brennebene 7 angeordnet sind, und überdies noch eine Vielzahl von Bildpunkten in den Bildpunktfeldern aufweisen, kann so eine besonders hohe Auflösung erreicht werden. Gerade durch das Anordnen der Detektorflächen 4a, 4b, 4c in der Brennebene 7 des Kollimationselementes 2 wird auch die maximale Auflösung durch eine scharfe Abbildung und genaue Kollimation tatsächlich realisiert und Streueffekte, welche das Detektieren des optischen Empfangssignals beeinflussen, werden vermieden. Dies kann noch verstärkt werden, indem beispielsweise eine Sendeeinheit eingesetzt wird, welche zeitgleich beispielsweise nur einzelne
Lichtstrahlen der jeweiligen in Vertikalrichtung senkrecht zur Horizontalebene
übereinander angeordneten Lichtstrahlen, welche die Lichtbündel 6a, 6b, 6c, bilden abstrahlt. Damit wird vermieden, dass durch ein optisches Empfangssignal mehrere Bildpunkte der Detektorflächen 4a, 4b, 4c zeitgleich aktiviert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Detektoreinheit (1 ) für eine optische Sensorvorrichtung, zum Detektieren zumindest eines optischen Empfangssignals, mit
- einem optischen Kollimationselement (2) zum Kollimieren des zumindest einen optischen Empfangssignals und mit
- einem Detektionselement (3) zum Detektieren des kollimierten optischen
Empfangssignals, wobei das Detektionselement (3) zumindest bereichsweise in einer Brennebene (7) des Kollimationselementes (2) angeordnet ist
dadurch gekennzeichnet, dass
das Detektionselement (3) zumindest zwei Detektorflächen (4a, 4b, 4c) mit
Bildpunkt-Feldern aufweist, wobei die Detektorflächen (4a, 4b, 4c) zumindest bereichsweise unterschiedlich orientiert sindund jeweils ebene Flächen aufweisen, welche gegeneinander verkippt sind, wobei die dem optischen Kollimatorelement (2) zugewandten Detektionsseiten der Detektorflächen (4a, 4b, 4c) in einem Winkel (a) zueinander angeordnet sind und wobei der Winkel (a) kleiner als 180° ist.
2. Detektoreinheit (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kollimationselement (2) zumindest zwei optische Linsen (5a, 5b, 5c) umfasst, deren optische Hauptebenen in zueinander nicht-parallelen Ebenen liegen, wobei jeweils eine Detektorfläche (4a, 4b, 4c) in einer Brennebene der jeweils
zugeordneten optischen Linse (5a, 5b, 5c) angeordnet ist.
3. Detektoreinheit (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kollimationselement (2) nur eine oder nur zueinander parallele optische
Hauptebenen aufweist, insbesondere nur eine optische Linse (5) oder eine
Mehrzahl von optischen Linsen mit parallel zueinander stehenden Hauptebenen.
4. Detektoreinheit (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorflächen (4a, 4b, 4c) jeweils zumindest bereichsweise in der Brennebene des Kollimationselementes (2) angeordnet sind.
5. Detektoreinheit (1 ) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Detektoreinheit (1 ) drei oder mehr Detektorflächen (4a, 4b, 4c) umfasst und benachbarte Detektorflächen (4a, 4b, 4c) jeweils in einem vorgegeben Winkel (a) zueinander orientiert sind, wobei der Winkel (a) insbesondere zwischen 130° und 150° bevorzugt 140° beträgt.
6. Detektoreinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bildpunkt-Felder der Detektorflächen (4a, 4b, 4c) zweidimensionale Bildpunkt- Felder sind, insbesondere nicht-quadratische Bildpunkt-Felder, welche in einer Vertikalrichtung mehr als einen Bildpunkt aufweisen und in einer senkrecht zur Vertikalrichtung verlaufenden Horizontalrichtung ein Vielfaches der Bildpunkte der Vertikalrichtung.
7. Detektoreinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch das Kollimationselement (2) Empfangssignale aus einem horizontalen Winkelbereich von 90°oder mehr, insbesondere dabei von weniger als 150° bevorzugt aus einem Winkelbereich von 120° auf die Brennebene (7) des
Kollimationselementes (2) kollimierbar sind.
8. Optische Sensorvorrichtung mit einer Detektoreinheit (1 ) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
9. Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Sensorvorrichtung auch eine Sendeeinheit aufweist, und die
Sendeeinheit zum Ausstrahlen zumindest eines Sendesignals zumindest zwei unabhängig voneinander aktivierbare Sendeelemente umfasst, wobei die von einer Umgebung (9) der optischen Sensorvorrichtung zur Detektoreinheit (1 ) hin reflektierten Anteile des Sendesignals Teil des Empfangssignals sind oder das Empfangssignal bilden.
10. Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sendeeinheiten jeweils ausgelegt sind, ein jeweiliges zugeordnetes Sendesignal in einen horizontalen Winkelbereich von 40° oder we niger abzustrahlen.
1 1 . Kraftwagen mit einer Detektoreinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mit einer optischen Sensorvorrichtung nach Anspruch 8 bis 10.
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