Titel

Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor und eine Verwendung der Testvorrichtung zur Überprüfung des aktiven optischen Sensors.

Aus dem Stand der Technik sind hoch- und vollautomatisierte Fortbewegungsmittel bekannt, welche zur Steuerung der Fortbewegungsmittel eine Umfelderkennung auf Basis von Umfeldsensoren durchführen. Als solche Umfeldsensoren kommen beispielsweise Videokameras, Lidar-, Radar-, oder Ultraschallsensoren in Frage. Insbesondere Lidar-Sensoren spielen hierbei eine immer wichtigere Rolle für solche automatisiert fahrenden Fortbewegungsmittel.

Ein wichtiger Leistungsindikator für Lidar-Sensoren ist eine maximale Reichweite unter vordefinierten Bedingungen. Typische Reichweiten von Lidar-Sensoren liegen im Bereich von 100 - 300 m, wodurch ein direktes Testen der Reichweite, beispielsweise in Fertigungshallen, schwierig ist, da eine hierfür erforderliche Länge einer Messstrecke häufig nicht zur Verfügung steht. Im Zuge solcher Reichweitentests werden u. a. eine Laserleistung, eine Empfängersensitivität, sowie eine optische Justage zwischen Sender und Empfänger überprüft.

Die Sende- und Empfangsobjektive solcher Lidar-Sensoren sind typischerweise auf unendlich fokussiert. Daher sind aussagekräftige Reichweitentests im Nahbereich dieser Sensoren auf direktem Wege nicht möglich.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schlägt daher eine Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor vor, welche ein abbildendes optisches System umfasst, wobei das abbildende optische System mindestens ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element umfasst, welche jeweils eine strahlbündelnde Wirkung und vordefinierte optische Eigenschaften aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass das erste optische Element und das zweite optische Element identische oder voneinander abweichende optische Eigenschaften aufweisen können.

Das abbildende optische System ist derart an einer vordefinierten Position mit einer vordefinierten Ausrichtung bezüglich einer Umfeldschnittstelle (Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsöffnung) eines zu testenden aktiven optischen Sensors anordenbar, dass durch den aktiven optischen Sensor in ein Umfeld des aktiven optischen Sensors ausgesendete Lichtstrahlen und aus dem Umfeld zum aktiven optischen Sensor reflektierte bzw. gestreute Anteile der ausgesendeten Lichtstrahlen jeweils das abbildende optische System durchlaufen. Die vordefinierte Position und die vordefinierte Ausrichtung des abbildenden optischen Systems kann beispielsweise durch eine Befestigung des aktiven optischen Sensors und des abbildenden optischen Systems auf einem gemeinsam genutzten Befestigungssystem (z. B. eine Trägerplatte, ein Trägergestänge, usw.) und/oder an einem gemeinsam genutzten Gehäuse und/oder mittels weiterer Befestigungsvarianten sichergestellt werden. Bevorzugt können der aktive optische Sensor und/oder das abbildende optische System reversibel und weiter bevorzugt mittels eines Schnellmontagemechanismus‘ am gemeinsam genutzten Befestigungssystem befestigt werden, um Tests einer Mehrzahl aktiver optischer Sensoren mittels der erfindungsgemäßen Testvorrichtung zu erleichtern. Bevorzugt ist der zu testende aktive optische Sensor ein Fernfeldsensor und weiter bevorzugt ein Sensor eines Umfelderfassungssystems eines Fortbewegungsmittels, ohne den optischen Sensor dadurch auf diese Ausprägungen einzuschränken.

Das erste optische Element und das zweite optische Element sind eingerichtet, in die Testvorrichtung eintretende Lichtstrahlen derart über einen optischen Pfad der Testvorrichtung zu leiten, dass diese auf eine Distanz abgebildet werden, die kürzer ist, als eine vordefinierte Messdistanz, die insbesondere eine typische inhärente Messdistanz von zu testenden aktiven optischen Sensoren ist. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Testvorrichtung neben dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element, dritte, vierte oder weitere optische Elemente umfassen kann, welche ebenfalls im optischen Pfad der Testvorrichtung angeordnet sein können und welche eine abbildende und/oder eine strahllenkende (z. B. Umlenkspiegel) Wirkung aufweisen können.

Auf Basis der vorstehend beschriebenen Konfiguration der Testvorrichtung für den aktiven optischen Sensor ist es somit möglich, den aktiven optischen Sensor mit einer deutlich verkürzten Messstrecke (z.B. weniger als 2 m Länge) testen zu können, da der im aktiven optischen Sensor empfangene Lichtstrahl, welcher das abbildende optische System zweifach durchläuft (Hin- und Rückweg) beim Auftreffen auf eine Sensorfläche des aktiven optischen Sensors hinsichtlich der Strahlformung im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweist, wie bei einem Freifeldtest des aktiven optischen Sensors. Eine zusätzliche Reduzierung einer Signalstärke des mittels des aktiven optischen Sensors ausgesendeten Lichtes durch die Testvorrichtung, welche eine Dämpfung bei einem Freiraumtest nachbildet und somit ein besonders realitätsnahes Testszenario ermöglicht, wird weiter unten beschrieben.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist das erste optische Element eine Sammellinse oder ein Off- Axis-Parabolspiegel, während das zweite optische Element ebenfalls vorzugsweise eine Sammellinse oder ein Off-Axis-Parabolspiegel ist. Besonders bevorzugt können sowohl das erste optische Element, als auch das zweite optische Element Off-Axis-Parabolspiegel sein, da diese im Gegensatz zu Sammellinsen nicht wellenlängenabhängig und in einem breitbandigen Bereich frei von sphärischen Aberrationen sind. Darüber hinaus bieten die Off-Axis- Parabolspiegel den Vorteil, dass sie nur ein extrem geringes Streulicht erzeugen. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften der Off-Axis-Parabolspiegel, sind diese im Zusammenhang mit der hiervorgeschlagenen Testvorrichtung für den optischen Sensor besonders vorteilhaft ersetzbar, da sie nur einen minimalen Störeinfluss auf das zu testende System, d. h., den aktiven optischen Sensor bewirken. Die Off-Axis-Parabolspiegel können beispielsweise jeweils einen Ablenkwinkel von 45° oder davon abweichende Ablenkwinkel (z. B. 15°, 30°, 45°, 60°, usw.) aufweisen. Darüber hinaus können das erste optische Element und das zweite optische Element jeweils unterschiedliche Ablenkwinkel aufweisen. Besonders vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Testvorrichtung weiter ein Gehäuse mit mindestens einer ersten Öffnung, wobei das Gehäuse mit dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element in einem Innenraum des Gehäuses ortsfest verbunden ist. Ferner ist das Gehäuse eingerichtet, durch den aktiven optischen Sensor ausgesendete Lichtstrahlen über die erste Öffnung zum abbildenden optischen System zu führen und reflektierte bzw. gestreute Anteile der ausgesendeten Lichtstrahlen über die erste Öffnung zurück zum aktiven optischen Sensor zu führen. Das Gehäuse kann beispielsweise Metall und/oder Kunststoff und/oder Glas und/oder Holz und/oder einen Verbundstoff und/oder ein davon abweichendes Material umfassen. Die erste Öffnung ist bevorzugt eine unverschlossene Aussparung in einer Wandung des Gehäuses. Alternativ ist die Aussparung in der Wandung des Gehäuses mittels eines Fensters verschlossen sein (z. B. luftdicht, staubdicht, usw.), welches bevorzugt aus einem Material bestehet, das Lichtstrahlen in einem durch den aktiven optischen Sensor verwendeten Wellenlängenbereich im Wesentlichen unbeeinflusst passieren lässt. Eine auf diese Weise verschlossenen erste Öffnung bietet den Vorteil, dass keine die Funktion der Testvorrichtung beeinträchtigenden Verschmutzungen in die Testvorrichtung eindringen können. Um durch ein verwendetes Fenster unerwünschte Streulichter an der Fensteroberfläche zu vermeiden, ist bevorzugt eine geeignete Antireflexbeschichtung an dem Fenster vorgesehen.

Das Gehäuse ist bevorzugt ausgebildet, insbesondere durch die Verwendung von lichtundurchlässigen Materialien, den optischen Pfad der Testvorrichtung vor Fremdlichteinflüssen aus dem Umfeld der Testvorrichtung abzuschirmen. Ein weiterer mittels des Gehäuses erzielbar Vorteil liegt darin, dass innerhalb der Testvorrichtung erzeugtes Streulicht zumindest anteilig durch das Gehäuse absorbiert werden kann, indem die Innenwände des Gehäuses mit einem absorbieren Material versehen werden. Des Weiteren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Gehäuse eine zweite Öffnung aufweist. Somit lassen sich durch die erste Öffnung eintretende und durch das abbildende System weitergeleitete Lichtstrahlen mittels der zweiten Öffnung in das Umfeld der Testvorrichtung abstrahlen. Die zweite Öffnung kann analog zur ersten Öffnung ausgestaltet sein und eine durch ein Fenster verschlossene oder eine unverschlossene Öffnung darstellen. Die durch die zweite Öffnung austretenden Lichtstrahlen können anschließend im Umfeld der Testvorrichtung zurück zur zweiten Öffnung der Testvorrichtung reflektiert bzw. gestreut werden und über das abbildende optische System und die erste Öffnung zurück zum aktiven optischen Sensor geführt werden. Alternativ zur Verwendung einer zweiten Öffnung können die durch das abbildende System weitergeleiteten Lichtstrahlen des aktiven optischen Sensors auch an einer Innenfläche des Gehäuses reflektierte bzw. gestreut werden und anschließend über das abbildende optische System und die erste Öffnung zurück zum aktiven optischen Sensor geführt werden. Mit anderen Worten kann ein mittels des aktiven optischen Sensors zu erfassendes Referenzziel (z. B. eine Fläche mit vordefinierten Reflexionseigenschaften und/oder vordefinierten Mustern) außerhalb des Gehäuses der Testvorrichtung oder innerhalb des Gehäuses Testvorrichtung angeordnet sein.

Bevorzugt ist die Testvorrichtung eingerichtet, eine Messdistanz des aktiven optischen Sensors von mindestens 50 m, insbesondere von mindestens 100 m und insbesondere bevorzugt von mindestens 150 m auf eine Länge des optischen Pfades der Testvorrichtung abzubilden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Testvorrichtung auch für davon abweichende Messdistanzen des aktiven optischen Sensors ausgelegt sein kann.

Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Testvorrichtung eine Reduzierung einer Signalstärke des mittels des aktiven optischen Sensors ausgesendeten Lichtes bewirken. Besonders bevorzugt umfasst die Testvorrichtung hierfür zusätzlich einen Signalabschwächer, welcher eingerichtet ist, die durch den aktiven optischen Sensor ausgesendeten bzw. empfangenen Lichtstrahlen in einem solchen Ausmaß zu dämpfen, dass die Dämpfung im Wesentlichen einer Freiraumdämpfung einer Messstrecke des aktiven optischen Sensors bei einer Nichtverwendung der Testvorrichtung entspricht. Der Signalabschwächer kann beispielsweise auf Basis eines Graufilters und/oder eines Strahlteilers und/oder eines LC-Displays realisiert sein. Der Signalabschwächer kann vorzugsweise unter einem vordefinierten Winkel bezüglich des optischen Pfades der Testvorrichtung innerhalb der Testvorrichtung angeordnet sein. Der vordefinierte Winkel kann beispielsweise einem Winkel von 30°, 45°, 60° oder einen davon abweichenden Winkel entsprechen. Es versteht sich, dass auch ein vordefinierter Winkel von 0° verwendet werden kann. Ein von 0° abweichender Winkel bietet allerdings den Vorteil, dass eventuell auftretende Reflexionen am Signalabschwächer nicht oder nur zu einem geringen Teil in das Nutzsignal des aktiven optischen Sensors eingekoppelt werden. Der Signalabschwächer kann darüber hinaus eingerichtet sein, eine variable Dämpfung zu bewirken. Dies kann insbesondere im Zusammenhang mit dem vorstehend vorgeschlagenen LC- Display erreicht werden, dessen Lichtdurchlässigkeit mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Ansteuerung verändert werden kann. Eine solche Ansteuerung kann beispielsweise durch eine Verwendung einer Auswerteeinheit erfolgen, welche informationstechnisch mit dem LC-Display verbunden sein kann. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, ein beweglich angeordnetes Graufilter und/oder einen beweglich angeordneten Strahlteiler automatisch in den optischen Pfad einzubringen bzw. automatisch aus diesem zu entfernen. Auf diese Weise kann auch eine Mehrzahl von Graufiltern und/oder Strahlteilern vorgesehen sein, welche jeweils unterschiedliche Dämpfungseigenschaften aufweisen können und welche in Abhängigkeit einer aktuell erforderlichen Dämpfung automatisch in den optischen Pfad eingebracht werden können. Als eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Lichtintensität des durch den aktiven optischen Sensor ausgesendeten Lichts, kann alternativ oder zusätzlich zu vorstehend beschriebenen Maßnahmen eine Sendeleistung des aktiven optischen Sensors angepasst werden.

Vorzugsweise umfasst die Testvorrichtung weiter das vorstehend bereits erwähnte vordefinierte Referenzziel, wobei das Referenzziel innerhalb oder außerhalb des Gehäuses in einem vordefinierten Abstand bezüglich des abbildenden optischen Systems angeordnet und eingerichtet sein kann, durch den aktiven optischen Sensor ausgesendete Lichtstrahlen in Richtung des abbildenden optischen Systems zu reflektieren bzw. zu streuen. Alternativ oder zusätzlich weist das vordefinierte Referenzziel ein Muster und/oder eine Größe auf, welche auf ein Abbildungsverhältnis des abbildenden optischen Systems angepasst ist. Ein solches Muster kann beispielsweise ein Schachbrettmuster oder ein Siemensstern oder ein davon abweichendes Muster sein.

Darüber hinaus umfasst die Testvorrichtung in einer bevorzugten Ausgestaltung eine diffuse Lichtquelle, welche eingerichtet ist, Störlichtanteile in die durch den aktiven optischen Sensor ausgesendeten bzw. empfangenen Lichtstrahlen einzukoppeln. Diese Störlichtanteile können beispielsweise über einen im optischen Pfad der Testvorrichtung angeordneten Strahlteiler eingekoppelt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Störlichtanteile auch durch eine Beleuchtung des Referenzziels in die Lichtstrahlen des aktiven optischen Sensors eingekoppelt werden. Durch eine Verwendung einer solchen diffuse Lichtquelle können gezielt ungünstige Testbedingungen für einen jeweiligen zu testenden aktiven optischen Sensor hergestellt werden, um beispielsweise eine Störanfälligkeit des jeweiligen aktiven optischen Sensors überprüfen zu können. Bevorzugt kann die diffuse Lichtquelle automatisch und/oder manuell deaktiviert werden, um sowohl Tests unter gestörten, als auch ungestörten Randbedingungen durchführen zu können.

Der aktive optische Sensor kann beispielsweise ein Time-of-Flight-Sensor und insbesondere ein Lidar-Sensor sein, wobei der Lidar-Sensor als Flash-Lidar- Sensor oder als Punktscanner oder als Linienscanner oder als Spaltenscanner ausgebildet sein kann. Ferner kann der optische Sensor hinsichtlich eines Sende- und eines Empfangspfades ein koaxial oder ein biaxial aufgebauter Sensor sein. Darüber hinaus können mittels der erfindungsgemäßen Testvorrichtung auch davon abweichende optische Sensoren getestet werden.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung der Testvorrichtung wie zuvor beschrieben für eine Überprüfung einer maximalen Reichweite des aktiven optischen Sensors und/oder für eine Bestimmung einer Winkelpräzision und/oder einer Winkelrichtigkeit und/oder einer Auflösung des aktiven optischen Sensors und gegebenenfalls für davon abweichende Tests.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor; und

Figur 2 eine schematische Draufsicht eines zweiten

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor.

Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor 10, welcher hier ein Lidar-Sensor für ein (nicht gezeigtes) Fortbewegungsmittel ist. Die Testvorrichtung umfasst eine erste Sammellinse 30 mit ersten vordefinierten optischen Eigenschaften und eine zweite Sammellinse 35 mit zweiten vordefinierten optischen Eigenschaften, welche innerhalb eines optischen Pfades 50 der Testvorrichtung angeordnet sind und welche ein abbildendes optisches System 20 bilden. Ferner umfasst die Testvorrichtung ein Graufilter 70, welches ebenfalls innerhalb des optischen Pfades 50 angeordnet ist. Die erste Sammellinse 30, die zweite Sammellinse 35 und das Graufilter 70 sind mittels jeweiliger (nicht dargestellter) Halterungen an einer Seitenfläche eines Gehäuses 60 der Testvorrichtung in vordefinierten Abständen und mit vordefinierten Ausrichtungen zueinander befestigt. Das Gehäuse 60, welches in diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminium besteht, verfügt über eine erste Öffnung 62 und eine zweite Öffnung 64. Der aktive optische Sensor 10 ist derart in einem vordefinierten Abstand im Bereich der ersten Öffnung 62 des Gehäuses 60 angeordnet, dass ein aus einer Lichtaustrittsöffnung 15 des aktiven optischen Sensors 10 austretender Lichtstrahl durch die erste Öffnung 62 entlang des optischen Pfades 50 in die Testvorrichtung eintritt. Mittels der zweiten Öffnung 64 wird der durch den aktiven optischen Sensor 10 ausgesendete Lichtstrahl nach dem Durchlaufen des abbildenden optischen Systems 20 der Testvorrichtung in ein Umfeld 40 der Testvorrichtung abgestrahlt. Dort wird der Lichtstrahl an einem vordefinierten Referenzziel 80 reflektiert bzw. gestreut und wird über die zweite Öffnung 64 zurück zum aktiven optischen Sensor 10 geführt.

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung für einen aktiven optischen Sensor 10, welcher hier ein Lidar-Sensor in Form eines Punktscanners ist. Die Testvorrichtung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Off-Axis- Parabolspiegel 30 mit ersten vordefinierten optischen Eigenschaften und einen zweiten Off-Axis-Parabolspiegel 35 mit vordefinierten zweiten optischen Eigenschaften, welche in einem vordefinierten Abstand und mit einer vordefinierten Ausrichtung zueinander innerhalb eines aus Kunststoff bestehenden Gehäuses 60 der erfindungsgemäßen Testvorrichtung ortsfest angeordnet sind und welche ein abbildendes optisches System 20 bilden. Die Testvorrichtung umfasst des Weiteren ein LC-Display 70, welches wie auch der erste Off-Axis-Parabolspiegel 30 und der zweite Off-Axis-Parabolspiegel 35 in einem optischen Pfad 50 der Testvorrichtung angeordnet ist und welches ebenfalls ortsfest am Gehäuse 60 befestigt ist. Das LC-Display 70 ist eingerichtet, derart von einer (nicht gezeigten) Auswerteeinheit angesteuert zu werden, dass es eine Lichtstärke eines Laserlichtstrahls des aktiven optischen Sensors 10 variabel reduzieren kann. Ferner umfasst die Testvorrichtung einen

Strahlteiler 100, welcher eingerichtet ist, Licht einer diffusen Störlichtquelle 90 in den optischen Pfad 50 der Testvorrichtung einzukoppeln. Das durch den aktiven optischen Sensor 10 über eine Umfeldschnittstelle 15 ausgesendete Laserlicht, wird durch eine erste Öffnung 62 des Gehäuses 60 über den Strahlteiler 100, das LC-Display 70, den ersten Off-Axis-Parabolspiegel 30 und den zweiten Off-Axis-

Parabolspiegel 35 zu einem an einer Innenwand des Gehäuses 60 angeordneten vordefinierten Referenzziels 80 geführt. Durch das Referenzziel 80 reflektierte bzw. gestreute Anteile des Laserlichtes des aktiven optischen Sensors 10 werden über den umgekehrten Weg zurück zum aktiven optischen Sensor 10 geführt, von diesem empfangen und verarbeitet.