用于控制微镜扫描仪的方法和微镜扫描仪

摘要

本发明创造了一种微镜扫描仪和一种用于控制微镜扫描仪的方法。在此，该方法包括下列方法步骤：提供（S01）射击图案（13），所述射击图案（13）至少包括关于根据微镜扫描仪的可调微机械镜（13）的镜位置（α1，α2，α3）的被确定用于激励微镜扫描仪的光源（10）的第一激励信号的信息；确定（S02）镜（14）的当前镜位置（α1，α2，α3）；通过根据镜（14）的所确定（S02）的当前镜位置（α1，α2，α3）按照射击图案（13）的第一激励信号生成的光束（20）的偏转借助于处于所确定的当前镜位置（α1，α2，α3）的镜（14）将光束（20）发送（S03）到空间角中；借助于微镜扫描仪的光传感器（16）测量（S04）在对象（30）处以空间角被反射的光束（22）以用于确定对象（30）与微镜扫描仪之间的距离；至少根据所确定的距离和镜（14）的所确定的当前镜位置（α1，α2，α3）来确定（S05）对象（30）的位置和/或对象（30)的类型;以及根据对象（30）的位置和/或类型来匹配（S06）射击图案（13）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制微镜扫描仪的方法以及一种自适应微镜扫描仪。本发明尤其是涉及一种用于自适应地控制车辆中的微镜扫描仪的方法以及一种车辆中的自适应微镜扫描仪。

背景技术

现代辅助驾驶系统常常使用可在所有三个空间维度上精确地检测对象的传感机构。基于此的是大量下游功能，比如间隔巡航控制、停车辅助、车道保持辅助、交通标志识别、车道偏离警告等等。基于光、尤其是激光的传感机构、所谓的激光扫描仪或“激光雷达”或“激光雷达仪”良好地适用于这样的任务。

为此有利地使用特别鲁棒和成本适宜的微镜、即微机械镜。具有这样的微机械镜的光扫描仪或激光扫描仪亦称微镜扫描仪或微镜激光扫描仪。技术挑战来自所使用的光源（例如激光二极管、LED）的有限的热负荷能力。由此，扫描过程或每时间单位的像素数目受到限制。相应地，在常规系统的情况下，角分辨率可能结果为相对小的。

在US5638164中描述了一种用于控制激光扫描仪的方法，其中利用激光束来扫描一画面。激光束根据规则的点栅格被发送，并且光束射到的对象的反射率被确定。如果根据反射率将一区域分类为“感兴趣的”，则可以减小规则点栅格的栅格间隔，以便更精确地研究“感兴趣的”区域。

发明内容

本发明公开了一种具有权利要求1的特征的用于控制微镜扫描仪的方法以及一种具有权利要求9的特征的微镜扫描仪。

发明优点

本发明所基于的认识在于，通过控制光源、例如激光源可以有针对性和多方面地改变所发送的光束的特性，由此可以明显提高微镜扫描仪的效率和功能范围。尤其是可以在光源的热负荷最小的情况下实现要扫描区域的高的有效分辨率。由此可以满足功能性的必要要求。

根据本发明的微镜扫描仪是鲁棒的，同时是成本适宜的。该微镜扫描仪使得能够使用譬如由于热负荷而数目受限的像素，使得在针对所期望的功能感兴趣的空间角范围（“感兴趣区域”ROI）中有效地实现扫描的较高分辨率。但是像素的数目也可以特意地小地保持，以便及早减小累积的数据量并且因此减小其处理花费和成本。也就是说，光束、以及因此由其投影的像素在发射方向、分辨率、作用距离和帧速方面的特性在系统的运行时间期间可以被改变，使得可以检测环境的针对所期望的功能经优化的成像。

通过控制光（或激光）源，可以精准地节省在扫描期间产生的损耗热。如果例如更精确地测量第一空间角范围，也就是说，如果在那里发送每时间单位和/或球面度更多的光束，则可以同时向第二空间角范围中发送每时间单位和/或球面度更少的光束，使得例如每时间单位平均生成的热基本上保持不变。也可以有意地在较长时间内容忍微镜扫描仪的提高的热负荷，在该热负荷之后然后可以进行用于冷却的休息。为此目的，例如可以在微镜扫描仪处和/或微镜扫描仪中设置温度测量设备。

对射击图案（Schussmuster）的匹配可以遵循简单的规则，但是也可以非常复杂地通过情景和功能特性、例如通过目标跟踪算法（“跟踪”）或者情景分析来控制。尤其是可以实现传感机构和功能的闭合调节回路。

有利的实施方式和改进方案由从属权利要求以及参考附图的描述中得出。

按照根据本发明的方法的一个优选的改进方案，利用第二激励信号进行对可调微机械镜的激励，使得可调微机械镜循环地经过镜位置的确定的序列。可调微机械镜的当前镜位置的确定于是可以基于第二激励信号进行。因此可以避免例如具有自己的微机械元件的单独的镜位置确定设备，这可以降低复杂度和成本。

根据另一优选的改进方案，可调微机械镜循环地经过的镜位置的确定序列可以根据外部传感器的第一信号和/或根据用户的第一输入在连续运行中来匹配。外部传感器是未集成到微镜传感器中的传感器。可以特别精细地扫描例如其中已标识出特别感兴趣的对象的空间角范围，其方式是，镜仅仅经过导致用于扫描该空间角范围的光束偏转的镜位置。通过重复率、即以哪个时间顺序激励确定的空间角范围，可以实现区域性变化的扫描率。

根据另一优选的改进方案，射击图案可以根据外部传感器的第二信号和/或根据用户的第二输入在微镜扫描仪的持续运行中来匹配。例如，可以根据天气情况、譬如强雾来匹配射击图案，以便优化扫描。

根据另一优选改进方案，将射击图案匹配为使得根据连贯地彼此相继地经过的第一镜位置生成第一多个光束。第一多个的光束在时间上被分别相等的第一时间间隔彼此间隔开。这样的射击图案譬如可以在该方法开始时使用或者用作标准射击图案，以便建立环境的第一扫描成像，根据该扫描成像接下来可以执行更精确的匹配。

根据另一优选改进方案，将射击图案匹配为使得根据连贯地彼此相继地经过的第二镜位置生成第二多个光束。第二多个的光束在时间上被分别相等的第二时间间隔彼此间隔开，其中第二时间间隔短于或长于第一时间间隔。由此可以以简单方式在不必改变微机械镜的运动的情况下进行空间角范围的更精确或更不精确的扫描，其方式是，向该空间角范围中与向其它空间角范围中相比发送更多或更少的光束以用于扫描。

根据另一优选改进方案，将射击图案匹配为使得根据连贯地彼此相继地经过的第三镜位置生成第三多个光束。光束的第三多个的光束与光束的第一多个光束相比以更宽或更窄的射束形状来生成。更宽的射束形状可以使得能够在微镜扫描仪的热负荷同时小的情况下提高被扫描的空间角的份额。而更窄的射束形状可以实现更精准的扫描。

根据另一优选改进方案，将射击图案匹配为使得根据连贯地彼此相继地经过的第四镜位置生成第四多个光束。光束的第四多个光束与光束的第一多个光束相比以更高或更小的辐射功率来生成。因此，可以根据需要、例如根据外部传感器的第三信号来调整光束的有效作用范围。如果例如应当测量、即扫描非常近的对象，则譬如可以生成具有更小的辐射功率的光束，以便节省能量并且降低微镜扫描仪的热负荷。

附图说明

下面根据附图的示意图中示出的实施例来进一步阐述本发明。其中：

图1示出了用于阐述根据本发明的用于控制微镜扫描仪的方法的示意性流程图；

图2示出了根据本发明的第一实施方式的微镜扫描仪的示意图；

图3示出了根据本发明的第二实施方式的微镜扫描仪的示意图；

图4示出了阐释根据本发明的微镜扫描仪的部件的可能的相互作用的示意性框图；

图5A示意性地示出了可用在根据本发明的用于控制微镜扫描仪的方法中的示例性射击图案；

图5B示意性地示出了圆锥壳，沿着所述圆锥壳可以根据用于扫描空间角的射击图案来发送光束；以及

图6A-6C示出了用于阐述根据射击图案生成的光束的可能的不同特性的示意图。

在所有附图中，给相同或相同作用的元件和装置－只要未另行说明－配备了相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于阐述根据本发明的用于控制微镜扫描仪的方法的示意性流程图。方法步骤的编号不一定意味着，这些步骤应当以确定的顺序执行，尤其是也可以同时执行多个方法步骤。

在第一方法步骤（S01）中，提供射击图案13。射击图案13至少包括关于用于激励微镜扫描仪的光源10的第一激励信号的信息。

射击图案13也可以包括关于第二激励信号的信息，所述第二激励信号被确定用于激励微镜扫描仪的可调微机械镜14。用于激励光源10的第一激励信号根据射击图案13依赖于镜14的镜位置。

在另一方法步骤S02中，确定微机械镜14的当前镜位置。为此，例如可以分析：微机械镜14当前根据哪些第二激励信号被激励。据此可以确定：微机械镜14当前如何被定向，也就是说，其处于哪个当前镜位置。

替代于此，可以将镜位置确定设备15构造为确定S02微机械镜14的当前镜位置。为此，例如镜位置确定设备15的电感和/或电容测量元件可以构造在微镜14处或微镜14中，并且由镜位置确定设备15来分析。镜位置确定设备15可以有利地被用于确定微机械镜14的所期望的当前镜位置与实际当前镜位置之间的偏差，由此可以提高微镜扫描仪的精确度。

在方法步骤S03中，扫描空间角，也就是说，将光束20发送到空间角中。为此，借助于光源10（亦参见图2和3）按照射击图案13的第一激励信号根据微机械镜14的所确定的当前镜位置来生成光束20。为了将光束20发送S03到空间角中，光束20借助于位于所确定的当前镜位置处的微机械镜14来偏转。因此，对微镜扫描仪存在的信息是：具有哪些特性的光束在哪个时刻已经被发送到关于微镜扫描仪的哪个空间角中。光束20的特性可以包括射束宽度、辐射功率等等。

可以预先确定变换规则，根据该变换规则可以将微机械镜14的镜位置换算成关于微镜扫描仪的空间角。这譬如可以在光束20的处于微机械镜14与空间角之间的光路中构造有另外的光学设备32时是有利的。

如果光束20以空间角射到对象30上（参见图2），则经偏转的光束20可以在对象30处镜面地或漫射地反射回到微镜扫描仪上。通过这种方式反射的光束22在另一方法步骤S04中借助于微镜扫描仪的光传感器16来测量。例如借助于计算设备17（参见图4）可以确定对象30与微镜扫描仪之间的距离。对此，尤其是可以确定生成光束20的时刻与测量S04在对象30处以空间角被反射的光束22的时刻之间的时间偏移Δt。在使用关于光束20、22在微镜扫描仪内的光路的信息和光速度的情况下，因此可以计算对象30与微镜扫描仪之间的距离。

在另一方法步骤S05中，至少根据所确定的距离和镜14的所确定的当前镜位置来确定对象30关于微镜扫描仪的位置和/或对象30的类型。例如也可以确定所测量的光束22关于所生成的光束20的辐射功率差，根据该辐射功率差可以推断出对象30的表面特性。如果辐射功率差例如非常小，则可以推断镜反射性、例如金属表面。如果例如车辆配备有微镜扫描仪，则可以推断：具有金属表面的对象30可能是另一车辆。为了确定S05对象30的类型，可以设置具有预先确定的标识特征的数据库18。在数据库18中可以包含上述标志以用于标识出车辆。

在方法步骤S06中，射击图案13根据至少对象30的所确定的位置和/或所确定类型来匹配。这例如可以通过射击图案匹配设备3（参见图4）来进行。为了控制射击图案匹配设备3，计算设备17可以执行对象30的所确定S05的位置和/或类型的分析，该计算设备17可以以分析电子设备、或者也以软件形式存在。其可以包含用于对象探测、对象跟踪、对象识别和/或情况分析的不同处理层。分析的结果可以转发给连接在后面的功能19（参见图4）。射击图案匹配设备3不仅可以根据对象30的所确定的位置和/或类型来匹配射击图案13，而且在此可以考虑到计算设备16的刚才描述的另外的结果。此外，由外部传感器2（参见图4）确定的数据或者其它所提供的信息可以影响射击图案13的匹配S06。

例如可以将关于配备有微镜传感器的车辆的速度的信息用于在较高速度的情况下与车辆侧面的空间角范围相比以更高图象分辨率扫描在行驶方向上处于车辆前方的空间角范围。更高图象分辨率例如是指，与在车辆侧面的空间角范围中相比在处于车辆前方的空间角范围中每球面度扫描或扫过更多空间角。

借助于外部传感器2，例如也可以检测微镜扫描仪的运动、譬如竖直摆动、水平摆动和/或滚动、也或者摇摆、进动、或者歪斜。不期望的运动可以在匹配S06射击图案13时被校正。

也可以设想，详细地测量其位置和/或类型已经被确定S05的对象30，其方式譬如是，在对象30的预期对象边缘附近借助于经匹配的射击图案13导致较高的扫描率、即图象分辨率。譬如也可以在具有微镜扫描仪的车辆紧急制动的情况下提高扫描率并且潜在碰撞的对象30的详细测量以最高优先级进行。在此，也可以撤销用于降低光源10和/或镜14的热负荷的措施。

图2示出了根据本发明的第一实施方式的微镜扫描仪的示意图。

根据图2，由光源10生成的光束20、以及要测量的光束22都通过可选的分束器12来引导。微机械镜14万向地悬挂在两个轴处。但是替代地也可以使用微机械镜14的多个其它激励和驱动措施以及相应的构造。

图3示出了根据本发明的第二实施方式的微镜扫描仪的示意图。

根据图3，微镜扫描仪具有光束20、22所穿过的光学设备32。光学设备32具有全向透镜32。全向透镜32的光轴被布置为正交于镜的轴。借助于全向透镜32，光束20可以以特别大的开口角扫描大空间角范围内的空间角。这样的布置尤其对于微镜扫描仪周围的附近区域中的扫描是有利的。

图4示出了阐释根据本发明的微镜扫描仪的部件的可能的相互作用的示意性框图。

射击图案匹配设备3根据图4具有数据库4，该数据库4具有射击图案13的预先存储的射击图案序列。光源10是测量设备11的一部分，该测量设备11除了光源10之外也还具有光传感器16。光传感器例如可以是雪崩光电二极管、APD或其它接收器。此外，测量设备11可以包括光学设备32、例如透镜装置。

图5A示意性地示出了可用在根据本发明的用于控制微镜扫描仪的方法中的示例性射击图案。

根据图5A，微机械镜14可以将光束20偏转到其中的空间角范围50在几何上示例性地投影为矩形形状。射击图案13相应地同样被构造为矩形的。也就是说，给微机械镜14的每个可能的镜位置都分配射击图案13的一个点或区域、例如像素。根据图5A示例性地假定：微镜14根据分别彼此平行的线51和分别彼此平行的线52在射击图案中锯齿状地循环地经过镜位置。为清楚起见，线51、52在图5A中示意性地以扩大的间隔示出。

图5A中示出的射击图案13——作为特别简单的示例——被实现为黑白图像。在微机械镜14的镜位置——射击图案13的该镜位置的所分配的区域显示白色面41——中，光源10不生成光束20。也就是说，针对光源得出停工时间。光束20仅仅在如下镜位置的情况下被生成：射击图案13的所述镜位置的在图像中所分配的区域、例如像素为黑色区域40、42。根据图5A，黑色区域40、42沿着两个可设想的同心圆54、55布置。黑色区域在射击图案13中彼此越接近，则相应空间角范围中的扫描率越高。

图5B示意性地示出了圆锥壳，沿着所述圆锥壳可以根据用于扫描空间角的射击图案13来发送光束20。

在如图3中关于本发明的第二实施方式所示那样在微镜扫描仪中或微镜扫描仪处构造有全向光学设备的情况下，射击图案13中的圆形结构54、55可以在穿过全向光学设备32以后导致圆锥侧面53'、54'、55'上的检测扫描。在此，射击图案13的圆形元素54、55的不同圆半径导致如下的圆锥侧面54'、55'：所述圆锥侧面54'、55'在微镜扫描仪所处的圆锥尖O处具有不同的斜度。由射击图案13的圆54例如可以产生圆锥侧面54'，所述圆锥侧面54'与由射击图案13的圆55产生的圆锥侧面55'相比具有更小的斜度。为了扫描扁平圆锥侧面53'，譬如可以根据图5A沿着射击图案13的边缘设置黑色区域或像素。通过这种方式，譬如可以通过合适地匹配S06射击图案13来实现如今常见的多层激光扫描的功能。也可以相继地设置所存储的射击图案序列，譬如以与重复胶片类似的图像序列形式。

被实现为图像的射击图案13也可以具有另外的信息。例如，由光源10生成的光束20的所期望的强度可以通过被实现为图像的射击图案13中的灰度来编码。例如，射击图案13中的黑色区域40、42可以表示最大可由光源10生成的辐射功率，而射击图案13的以灰度染色的区域可以表示所生成的光束20的与相应灰度的黑色份额成比例地降低的辐射功率。还可以设想，将彩色图像、即具有单独的RGB通道的图像用作射击图案13。通过所使用的RGB通道，例如可以生成所期望的射束聚束、即光束20的以所期望方式宽或窄的射束形状。每个RGB通道例如可以为光源10的各一个单独的激光二极管编码激励信号。

将图像用作射击图案使得能够在微镜扫描仪中或微镜扫描仪处安装专门的电子元件（例如ASIC），所述电子元件被构造用于图像处理、例如用于投影目的。由此，要专门制造的电子组件的数目降低。

图6A至6C示出了用于阐述根据射击图案13生成的光束20的可能特性的示意图。所生成光束20在图6A至6C中始终垂直地从上方从光源10出发地入射。

在图6A中示意性地示出了处于三个不同镜位置的微机械镜14的镜反射表面，所述镜位置分别由从参考平面E围绕转动轴D的偏转角α1、α2、α3来表征。在此，α2与α1之差小于α3与α2之差和α3与α1之差的一半。在每个所示的镜位置α1、α2、α3的情况下，光束23、24、25根据针对图6A假定的射击图案13由光源10生成，并且根据镜14的镜位置α1、α2、α3被偏转。在该示例中，镜14应当以恒定的转动速度ω围绕转动轴D运动。也就是说，所示镜位置α1、α2、α3被连续地彼此相继地经过。在镜位置α1的情况下被偏转的第一光束23和在镜位置α2的情况下被偏转的第二光束24分别扫描第一空间角范围R1中的空间角。由镜14在镜位置a3处偏转的第三光束扫描与第一空间角范围R1恰好一样大的第二空间角范围R2中的空间角。

生成第一光束23与生成第二光束24之间的第一时间间隔短于生成第二光束24与生成第三光束25之间的第二时间间隔。也就是说，通过被匹配为使得执行根据图6A的扫描的射击图案，以更密集的扫描率、即以更高的分辨率基于光束23、24在恒定转动速度ω下的更快序列来扫描第一空间角范围R1。第二空间角范围R2相应地更低密集地、即以区域性地更低的分辨率被扫描。这例如可以在如下情况下是有利的：在第一空间角范围R1中已经确定S05应当被更精细地扫描的对象30，而在第二空间角范围R2中同时不存在这样的对象，并且热负荷在平均上应当保持大致相等。

在图6B中除了处于镜位置α3——在该镜位置的情况下第三光束25被偏转——的镜14以外，示出了处于镜位置α1的镜14，在该镜位置α1的情况下，第四光束26被偏转以用于扫描或扫过第一空间角范围R1内的空间角。针对图6B中所示示例，射击图案13被构造为，使得在镜位置α1的情况下，第四光束26由光源10生成为与第三光束25相比具有更高辐射功率。具有更高辐射功率的第四光束26可以使得能够确定S05空间角范围R1内与微镜扫描仪相距更大距离的对象30。

图6C示出了处于与图6B中相同的两个镜位置α1、α3的微机械镜14。与图6B不同，根据图6C，当镜14处于镜位置α1时，第五光束27由光源10生成并且由微机械镜14偏转以用于扫描或扫过第一空间角范围R1中的空间角。根据针对图6C示例性假定的射击图案13，第五光束27被生成为与第三光束25相比具有相同的辐射功率、但是具有更宽的射束形状、即更小的光强。第五光束27的更宽的射束形状例如可以通过如下方式实现：第五光束27由光源10更低聚焦地生成。

替代地也可以规定：光源10内的错开布置的多个发光二极管共同生成第五光束27。通过利用如具有更宽射束形状的第五光束27那样的光束扫描空间角，可以在相同的所使用的总辐射功率的情况下与在使用如具有更窄射束形状的第三光束25那样的光束的情况下相比扫描空间角范围R1、R2的更大份额。由此，同时可以将光源10和镜14的热负荷保持得小。

尽管在前面根据优选实施例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以以多种多样的方式和方法来修改。本发明尤其是可以以各种各样的方式来改变或修改，而不偏离本发明的核心。

例如，进入微镜扫描仪中的光束22也可以通过单独的入口来耦合输入和/或不通过微机械镜14和/或通过分束器12——如果该分束器存在的话——来引导。