CN111194415A - 用于为待探测的对象提供探测信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于为待探测的对象(70)提供探测信号的方法，其中，借助第一光学非线性三波过程(30，30a)由光源(10)的具有输出频率(flaser)的光束产生具有不同频率(fobj，fref)的至少一个第一光束和第二光束，其中，探测具有参考频率(fref)的第一光束，其中，发射具有对象频率(fobj)的第二光束，并且在由对象(70)反射之后将其接收，其中，将具有输出频率(flaser)的光束和具有对象频率(fobj)的第二光束叠加在一起，其中，借助第二光学非线性三波过程(30，30b)由具有输出频率(flaser)和具有对象频率(fobj)的两个叠加的光束产生具有参考频率(fref)的参考射束，其中，如此产生探测信号，使得可以根据探测到具有参考频率(fref)的第一光束与探测到具有参考频率(fref)的参考射束的由于所述的叠加而引起的变化之间的时间差确定对象(70)的距离(d)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于为待探测的对象提供探测信号的方法。
本发明也涉及一种用于为待探测的对象提供探测信号的传感器设备。
本发明还涉及一种激光雷达扫描仪，特别是微型扫描仪。
尽管可以应用于任何传感器设备，但是参照激光雷达宏扫描仪来阐述本发明。
背景技术
已知的激光雷达宏扫描仪具有例如转子，在其上布置有诸如光源和探测器的光学元件。其他已知的扫描仪仅具有用于射束偏转的镜作为旋转元件。以已知的方式，借助于脉冲光源(例如以激光的形式)发射光束，并且探测其在对象上的反射，以根据反射光确定对象的间距。为此，宏扫描仪可以具有所谓的发送路径和接收路径的同轴布置，其中将反射光引导通过进行发送的光学器件的光学路径。然后，为了能够在接收器中探测到足够的光，光学部件、特别是接收路径的镜选择得相应地大。在使用双轴布置时，由于透镜尺寸和成像比例(Abbildungsmaβstab)而使用大的探测器阵列，以降低例如由日光或其他外部光源引起的光学噪声功率。具有静态接收通道的双轴布置通常从大的角度范围照明，并且具有低信噪比以及因此低的作用范围。
当设计用于消费品和汽车产品的激光雷达传感器设备时，眼睛安全性也很重要。
由DE 20 2009 015 194 U1已知一种用于在对象进入扫描平面时监测扫描平面的安全扫描仪，其具有光发送器，用于将光偏转到扫描平面中的光偏转单元，用于提供取决于汇入(remittieren)到存在于扫描仪的视野范围中的对象的光的接收信号的接收器，以及用于分析处理接收信号并且用于提供安全信号的分析处理单元，其中，所述光发送器发射具有1200nm至1700nm之间的波长的光。
由DE 10 2007 032 997 A1已知一种用于确定行车道特性的激光扫描仪，其使用两个波长——900nm和1550nm——以便能够识别不同的反射。
由US 2015/0177128 A1还已知一种借助具有两个不同波长的处于量子力学状态的光子来成像的方法。在此，第一波长的光子用于照明样本材料，并且将第二波长的光子提供给探测器，其中，不发送该光子并且因此将其与光路径分离。
发明内容
在一种实施方式中，本发明提供了一种用于为待探测的对象提供探测信号的方法，其中：
-借助第一光学非线性三波过程由光源的具有输出频率的光束产生具有不同频率的至少一个第一光束和至少一个第二光束，其中
-探测具有参考频率的第一光束，其中
-发送具有对象频率的第二光束并且该第二光束在对象处反射之后被接收，其中
-将具有输出频率的光束和具有对象频率的第二光束叠加，其中
-借助第二光学非线性三波处理由具有输出频率和具有对象频率的两个叠加光束产生具有参考频率的参考射束，其中
-如此产生探测信号，使得可以根据探测到具有参考频率的第一光束与探测到具有参考频率的参考射束由于所述的叠加而引起的变化之间的时间差来确定对象的距离。
在另一实施方式中，本发明提供了一种用于为待探测的对象提供探测信号的传感器设备，其包括用于产生具有至少一个输出频率的输出射束的光源，用于通过第一光学非线性三波过程由输出射束产生不同频率的至少一个第一光束和至少一个第二光束的第一射束产生装置，用于通过第二光学非线性三波过程由所发送的并在对象上反射之后接收的第二光束与具有输出频率的光束的叠加来产生具有参考频率的参考射束的第二射束产生装置，以及一种用于探测光的探测器装置，其中，该探测器装置构造用于，如此产生探测信号，使得可以根据探测到具有参考频率的第一光束与探测到具有参考频率的参考射束由于所述的叠加而引起的变化之间的时间差确定对象的距离。
在另一实施方式中，本发明提供了一种激光雷达扫描仪，特别是一种微型扫描仪，其具有至少一个根据权利要求3至10中任一项所述的传感器设备，其中，所述激光雷达扫描仪具有用于偏转第一射束产生装置的射束的微机械镜。
换句话说，本发明的至少一种实施方式提供了一种传感器设备，其中，借助于光源的光通过第一光学非线性三波过程产生具有不同频率的另外两个光束，即对象射束和参考射束。直接测量参考射束，而将对象射束发送到待扫描的对象上或相应的范围/区域中。如果对象射束照射到对象，则该对象射束至少部分地被反射并且探测到对象射束的这样反射的光。将对象射束的反射光与光源的光束叠加在一起。然后，通过第二光学非线性三波过程可以产生待探测光束中的变化。在此，然后第一次测量参考射束和探测到具有参考频率的参考射束的由于记录的对象射束和参考射束的叠加所引起的份额的变化之间的时间可以用于确定对象间距。
所实现的优点之一是可以改善眼睛安全性，特别是在可以独立于探测器的设计来提高发送功率的情况下。另一优点是高敏感度，因为使用了完全不同的噪声功率路径。另一优点是提高了灵活性，因为例如也可以在双轴布置中使用面式探测器。另一优点是可以减小结构空间，因为在相同的信噪比的情况下可以使用较小的探测器或探测器装置。同样地，可以使用更简单的波长滤光器，因为可以省去制造开销大的窄带的角度独立的波长滤光器。
术语“黑硅”理解为黑色硅。
术语“非线性三波过程”应从最广泛的意义上理解并且特别是在说明书中、优选地在权利要求中涉及一种如下过程：在该过程中使用非线性光学效应，以便由具有输入频率的电磁波产生具有不同输出频率的两个电磁波或由具有不同输入频率的两个电磁波产生具有输出频率的电磁波。非线性光学效应的示例是频率加倍或克尔效应(Kerr-Effekt)。
本发明的其他特征、优点和其他实施方式在下面描述或由此公开。
根据一种有利的扩展方案，由于所述叠加，具有参考频率的参考射束的强度发生变化，特别是增加。这使得能够简单且可靠地探测到叠加的时间点。
根据另一有利的扩展方案，第一射束产生装置和/或第二射束产生装置包括非线性光学晶体。由此实现的优点之一是，可以以简单且同时可靠的方式提供参量光学过程和/或非线性光学效应。
根据另一有利的扩展方案，非线性光学晶体由特别是周期性极化的钛氧基磷酸钾，铌酸锂和/或化学计量的钽酸锂和/或硼酸钡，三硼酸锂，硼酸铋和/或磷酸二氢钾制造。这样可以以灵活的方式制造非线性光学晶体。
根据另一有利的扩展方案，第一射束产生装置构造用于借助自发参量荧光提供第一光学非线性三波过程。由此实现的优点之一是，借助参量荧光(也称为“参量下转换(英语parametric down-conversion)”)可以以简单且同时可靠的方式产生两个光束。
根据另一有利的扩展方案，第二射束产生装置构造用于借助差频产生来提供第二光学非线性三波过程。由此实现的优点之一是，可以以简单且同时可靠的方式借助差频产生(也称为英语“difference frequency generation”)产生两个光束。
根据另一有利的扩展方案，光源构造用于产生脉冲光。借助光脉冲可以实现更简单的时间分辨的测量。
根据另一有利的扩展方案，可以通过脉冲状调制的电流源来控制光源。因此可以以简单的方式控制光源。
根据另一有利的扩展方案，探测装置具有光电二极管，特别是雪崩光电二极管和/或SPAD二极管。因此，可以提供简单且同时可靠的探测装置。如果使用SPAD二极管，则可以探测到各个光子。这使得即使在低光强度的情况下也能够进行可靠的探测。
根据另一有利的扩展方案，布置有至少用于来自第二射束产生装置的光束的吸收器。所实现的优点之一是，因此可以以简单且可靠的方式使来自第二射束产生装置的光束隐没(ausblenden)。同样地，也可以布置有用于激光器的不必要的光的吸收器。
根据另一有利的扩展方案，吸收器由黑色硅制造。因此可以有效地吸收光。
根据另一有利的扩展方案，布置有用于接收由对象反射的光束的接收装置，该接收装置具有频率滤光器、特别是带通滤光器，其构造用于抑制第一光束并用于透射第二光束。一个可能的优点是，可以使外部光可靠地隐没。在此，带通滤光器可以构造用于透射第二光束的λ1+/-10nm波长的光，特别是λ1+/-5nm，优选地λ1+/-2.5nm，特别是λ1+/-1.5nm和/或优选地λ1+/-5％，特别是λ1+/-2％，优选地λ1+/-1％。
根据另一有利的扩展方案，布置有一种时间差测量装置，其具有特别是由高频率的时钟源控制的数字计数器和/或具有多个数字门电路的串联电路，使得产生光脉冲的时间点和探测到反射光的时间点构成时间差。因此可以尤其可靠地测量出发送脉冲与由对象反射的光脉冲到达之间的时间间隔。在此，“高频率”可以理解为在GHz范围内的频率，优选地在1-300GHz之间，特别是在5-100GHz之间。
根据另一有利的扩展方案，探测装置具有非线性的探测特性。因此可以避免探测装置的过调制(übersteuerung)。
根据另一有利的扩展方案，布置有用于根据由时间差测量装置所求取的时间差来确定对象距离的距离确定装置。因此可以直接将所求取的间距编码到探测信号中。
附图说明
本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、附图以及根据附图的所属的附图描述得出。
可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，不仅可以以分别说明的组合使用先前提及的和下面将要阐述的特征，而且可以以其他组合或单独地使用它们。
在附图中示出了本发明的优选的实施和实施方式，并且在下面的描述中对其进行了详细阐述，其中，相同的附图标记指示相同的或相似的或功能相同的构件或元件。
在此，以示意图的形式示出：
图1示出根据本发明的第一实施方式的传感器设备；
图2示出根据本发明的第二实施方式的探测器装置的测量信号；
图3示出根据本发明的第三实施方式的传感器设备；
图4示出根据本发明的第四实施方式的探测器装置的参考信号；
图5示出根据本发明的第五实施方式的方法的步骤。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的实施方式的传感器设备。
首先，借助激光器10产生具有频率flaser或波长λ0(例如为531nm)的激光束2。激光器10的功率由具有持续电平I1和脉冲电平I2的脉冲状调制的电流源控制。激光器10相应地发射例如1mW的持续功率P1和例如50W的脉冲功率P2。脉冲宽度例如是在1ns至10ns之间，优选地在2ns和8ns之间，特别是在4ns和6ns之间。
将激光束2提供给非线性晶体30。该非线性晶体可以由(周期性极化的)钛氧基磷酸钾，(周期性极化的)铌酸锂，(周期性极化的)化学计量的钽酸锂，硼酸钡，三硼酸锂，硼酸铋和/或磷酸二氢钾制造。在第一步骤中，借助参量荧光(也称为参量下变换)形成具有频率fobj或波长λ1的对象射束3用以探测对象和具有频率fref或波长λ2的参考射束4，例如λ1＝1550nm且λ2＝810nm，或在700nm至1600nm之间的任何波长，其中，满足谐振条件fobj+fref＝flaser。在该第一步骤中，对象射束和参考射束3、4在图1中用实线表示。
在第二步骤中，借助波长选择分束器60(例如以二向色镜的形式)将对象射束和参考射束3、4在空间上分开。
将参考射束4提供给探测器100并将其转换成电信号。探测器100可以具有探测光子流的强度的光电二极管和/或对单个光子作出反应的SPAD二极管。替代地或附加地，也可以使用雪崩光电二极管。
借助发送设备68和/或借助偏转设备将对象射束3提供给测量对象70。对象射束3的光由测量对象70反射(这里是漫射的)，并且部分地由接收光学器件67接收。接收光学器件67具有波长滤光器66。波长滤光器或频率滤光器优选地是在λ1-1.5nm至λ1+1.5nm具有高透射并且在λ2具有低透射的带通滤光器。在此，带通滤光器可以构造用于透射对象射束3的波长为λ1+/-10nm的光，特别是λ1+/-5nm，优选地λ1+/-2.5nm，特别是λ1+/-1.5nm和/或优选地λ1+/-5％，特别是λ1+/-2％，优选地λ1+/-1％，并且在λ2时的低透射，优选地在λ2+/-10nm的范围内，特别是λ2+/-5nm，优选地λ2+/-2.5nm或λ2+/-1.5nm和/或优选地λ2+/-5％，特别是λ2+/-2％。
在第三步骤中，将已经由接收光学器件67接收的光5经由偏转镜55、56和57再次提供给非线性晶体30。在那里，除了在第一步骤中产生的参量荧光外，通过附加地提供波长为λ1的光束5通过差频产生效应再次形成波长为λ2的光束6。然后，该光束6在进一步的过程中照射到分束器60。将波长为λ2的光束6的一部分提供给探测器100，由此产生测量信号。
在图1中，由虚线示出在差频产生之后产生的光束6、7。一方面通过参量荧光或另一方面通过差频产生而产生的光束3、4、6、7不能在其频率或波长方面进行区分。根据所选择的用于光束的相位匹配的技术——也称为“相位匹配”——可以例如在其偏振方面区分光束3、4、6、7。这使得能够将光束3、4、6、7分离，并且可以将来自差频产生的具有波长λ1的不需要的光束7提供给吸收器96。同样地，可以将激光器11的剩余光子提供给吸收器。
在图1中所描述的设备1是激光雷达系统的一种实施方式，该激光雷达系统提供在图2中示出的探测信号。激光器的基本电平P1导致探测信号电平S1。在产生脉冲的时间点t0，探测信号将急剧上升至电平S2。通过非线性的探测器特性可以阻止过调制。在光脉冲的发送t0与由对象反射的光的到达tTOF之间的时间间隔内，在探测器100上只能看到参考射束4的强度。如在图2中所示，在通过非线性晶体30中的差频产生而产生波长为λ2的光束4的时间点t1≈tTOF，可以预期到探测信号λ2发生变化。
可以通过时间差测量装置110来测量产生光脉冲3与探测到对象70之间的时间间隔，并且通过分析处理装置120将其换算成所寻求的对象距离d：
d＝1/2tTOF·c0，
其中，c0是真空中的光速。
可以借助于已知的电学时间测量方法来确定时间间隔tTOF。由高频时钟源增加而形成的数字计数器、或数字门电路的串联电路是特别适合的，其中，信号在t0时触发测量，而探测在t1时结束测量。
图3示出本发明的第二实施方式，下面对其进行说明。
首先，借助激光器10产生具有频率flaser或波长λ0(例如为531nm)的激光束2。激光器10的功率由具有持续电平I1和脉冲电平I2的脉冲状调制的电流源来控制。激光器10相应地发射例如1mW的持续功率P1和例如50W的脉冲功率P2。脉冲宽度通常是1ns至10ns，优选地在2ns和8ns之间，特别是在4ns和6ns之间。
在第二步骤中，将激光束2在分束器20中分离。
将在光学路径A上的激光束2提供给非线性晶体30a。该非线性晶体可以由(周期性极化的)钛氧基磷酸钾、(周期性极化的)铌酸锂、(周期性极化的)化学计量的钽酸锂、硼酸钡、三硼酸锂、硼酸铋和磷酸二氢钾制造。在那里，在第一步骤中，借助参量荧光形成具有频率fobj或波长λ1的对象射束3和具有频率fref或波长λ2的参考射束4，例如λ1＝1550nm和λ2＝810nm，或在700nm至1600nm之间的任何波长，其中，满足谐振条件fobj+fref＝flaser。
在第一光学路径A上的第三步骤中，借助波长选择的分束器60(例如二向色镜等)将对象射束和参考射束3、4在空间上分离。
可以将参考射束4提供给探测器101，然后将其转换成电参考信号。探测器101可以具有探测光子流强度的光电二极管或对单个光子作出反应的SPAD二极管。后者即使在低光强度的情况下也能够进行可靠的探测。替代地或附加地，也可以使用雪崩光电二极管。在探测器101中测量的参考信号在图4中示出。
将对象射束3提供给测量对象70。对象射束3的光由测量对象70漫反射并且部分地由接收光学器件67接收。接收光学器件67具有波长滤光器66。波长滤光器或频率滤光器66优选地是在λ1-1.5nm至λ1+1.5nm处具有高透射且在λ2处具有低透射的带通滤光器。在此，带通滤光器可以构造用于透射目标射束3的波长为λ1+/-10nm的光，特别是λ1+/-5nm，优选地λ1+/-2.5nm，特别是λ1+/-1.5nm和/或优选地λ1+/-5％，特别是λ1+/-2％，优选地λ1+/-1％，并且在λ2处的低透射，优选地在λ2+/-10nm的区域内，尤其是λ2+/-5nm，优选地λ2+/-2.5nm或λ2+/-1.5nm和/或优选地λ2+/-5％，特别是λ2+/-2％。
在第四步骤中，将已经由接收光学器件67接收的光与在光学路径B上传播的激光束8经由射束合并器(Strahlvereiniger)80合并，并且再次将其提供给非线性晶体30b。在那里，除了由在光学路径A上传播的激光束5产生的参量荧光以外，还通过附加地提供波长为λ1的射束形成基于差频产生的波长为λ2的激光束6的强度增加。将波长为λ2的激光束6的一部分提供给探测器100，由此如在图2中所示的那样产生测量信号。不再需要波长为λ1的激光束7的部分，并且可以将其提供给吸收器96。
图5示出根据本发明的第五实施方式的方法的步骤。
在第一步骤S1中，将激光源10的光发送到非线性光学晶体中。
在第二步骤S2中，借助参量荧光(也称为参量下转换)形成具有频率fobj的对象射束和具有fref的参考射束，其中，满足谐振条件fobj+fref＝flaser。优选地，对象射束的波长在1550nm的范围内，并且参考射束的波长在810nm的范围内。
在第三步骤S3中，借助于例如具有光电二极管的探测器100连续地测量参考射束的强度。
在第四步骤S4中，将所探测到的光信号转换成电信号。
相反，在第五步骤S5中，借助适合的发送设备(例如透镜光学器件或镜光学器件)并且可选地借助偏转设备(例如微镜或旋转镜等)，将对象射束提供给测量对象70。
在第六步骤S6中，测量对象70将对象射束的光漫反射，并且部分地由接收光学器件67接收。
在第七步骤S7中，将所接收的频率为fobj的对象射束与频率为flaser的激光束一起再次提供给非线性晶体30。
在第八步骤S8中，在那里通过差频产生(也称为英语“difference frequencygeneration”)效应形成具有频率fref的光束。
在第九步骤S9中，将该光束与参考射束叠加，并借助于在第三步骤S3中描述的探测器100对其进行测量。这导致测量信号的强度增加。参考射束的第一次测量与强度增加的测量之间的时间差用作用于确定对象间距的测量信号。
总之，通过本发明并且特别是通过所描述的实施方式中的至少一个提供了一种具有高敏感度和高眼睛安全性的紧凑的、成本有利的和可靠的激光雷达传感器系统。在此，详细地，通过分离用于对象的照明和探测的波长可以例如独立于适合的探测器的实现来优化眼睛安全性和/或最大化允许的发送功率。此外，布置在探测路径中的光谱滤光器的带宽不再是噪声功率确定的，并且因此特别是独立于日光。因此可以例如在双轴的探测路径中使用面式探测器，或借助集成光子学中的适合的结构将由接收光学器件收集的全部光提供给单个探测器，从而避免接收阵列。同时，可以不采用窄带且角度无关但复杂的波长滤光器。
此外，能够实现高敏感度，因为使用了完全不同的噪声功率路径，这能够实现具有较小的透镜并且如有必要具有微镜偏转装置的紧凑的激光雷达系统。同样地，该激光雷达系统也可以与光学相位阵列组合。
尽管已经根据优选的实施方式描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以以各种方式进行修改。
Claims (11)
1.一种用于为待探测的对象(70)提供探测信号的方法，其中：
-借助第一光学非线性三波过程(30，30a)由光源(10)的具有输出频率(flaser)的光束产生至少一个第一光束和至少一个第二光束，所述至少一个第一光束和所述至少一个第二光束具有不同的频率(fobj，fref)，其中
-探测具有参考频率(fref)的所述第一光束，其中
-发送具有对象频率(fobj)的所述第二光束，并且所述第二光束在对象(70)处反射后被接收，其中
-将具有所述输出频率(flaser)的所述光束和具有所述对象频率(fobj)的所述第二光束叠加，其中
-借助第二光学非线性三波过程(30，30b)由具有所述输出频率(flaser)和具有所述对象频率(fobj)的两个叠加的光束产生具有所述参考频率(fref)的参考射束，其中
-如此产生探测信号，使得能够根据探测到具有所述参考频率(fref)的所述第一光束与探测到具有所述参考频率(fref)的所述参考射束由于所述叠加而引起的变化之间的时间差来确定所述对象(70)的距离(d)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，由于所述叠加，具有所述参考频率(fref)的所述参考射束的强度发生变化，特别是增加。
3.一种传感器设备(1)，所述传感器设备用于为待探测的对象(70)提供探测信号，所述传感器设备包括：
光源(10)，所述光源用于产生具有至少一个输出频率(flaser)的输出射束；
第一射束产生装置(30，30a)，所述第一射束产生装置用于借助第一光学非线性三波过程由所述输出射束(flaser)产生不同频率(fobj，fref)的至少一个第一光束和至少一个第二光束；
第二射束产生装置(30，30b)，所述第二射束产生装置用于借助第二光学非线性三波过程由所发送的并在对象(70)处反射之后所接收的第二光束(fobj)与具有所述输出频率(flaser)的所述光束的叠加来产生具有参考频率(fref)的参考射束；
探测装置(100)，所述探测装置用于探测光，其中，所述探测装置构造用于产生探测信号，使得能够根据探测到具有所述参考频率(fref)的所述第一光束与探测到具有所述参考频率(fref)的所述参考射束由于所述叠加而引起的变化之间的时间差来确定所述对象(70)的距离(d)。
4.根据权利要求3所述的传感器设备，其中，所述第一射束产生装置和/或第二射束产生装置(30a，30b)包括非线性光学晶体，其中，所述非线性光学晶体(30)尤其可以由周期性极化的钛氧基磷酸钾，铌酸锂和/或化学计量的钽酸锂和/或硼酸钡，三硼酸锂，硼酸铋和/或磷酸二氢钾制造。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的传感器设备，其中，所述第一射束产生装置(30，30a)构造用于借助自发的参量荧光来提供所述第一光学非线性三波过程。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的传感器设备，其中，所述第二射束产生装置(30，30b)构造用于借助差频产生来提供所述第二光学非线性三波过程。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的传感器设备，其中，布置有至少用于来自所述第二射束产生装置(30b)的光束的吸收器(96)，所述吸收器可以由黑色硅制造。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的传感器设备，其中，布置有用于接收由对象反射的光束的接收装置(67)，所述接收装置具有频率滤光器(66)、尤其带通滤光器，所述频率滤光器构造用于抑制所述第一光束(fref)和用于透射所述第二光束(fobj)。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的传感器设备，其中，布置有时间差测量装置(110)，所述时间差测量装置具有尤其由高频时钟源控制的数字计数器和/或具有多个数字门电路的串联电路，使得产生光脉冲的时间点(t0)和探测到反射光的时间点(t1)构成所述时间差。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的传感器设备，其中，所述探测装置(100)具有非线性的探测特性。
11.一种激光雷达扫描仪，所述激光雷达扫描仪尤其是微型扫描仪，所述激光雷达扫描仪具有至少一个根据权利要求3至10中任一项所述的传感器设备，其中，所述激光雷达扫描仪具有用于偏转所述第一射束产生装置(30，30a)的射束的微机械镜。
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