DE102017209748A1 - Method for providing a detection signal for objects to be detected - Google Patents

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    • G02F1/39Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte, wobei
- zwei erste Photonenpakete unterschiedlicher Wellenlänge mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden und wobei
- Photonen eines der ersten Photonenpakete auf ein Objekt ausgesendet werden wobei
- das vom Objekt reflektierte Photonenpaket dann mittels Quantenverschränkung mit dem zweiten ersten Photonenpaket wechselwirkt und wobei
- das Detektionssignal basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des ersten Photonenpakets auf das Objekt und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen erzeugt wird.

Figure DE102017209748A1_0000
The invention relates to a method for providing a detection signal for objects to be detected, wherein
- Two first photon packets of different wavelengths are generated with entangled photon pairs and wherein
- Photons of one of the first photon packets are emitted to an object
- The photon packet reflected by the object then interacts by means of quantum entanglement with the second first photon packet and wherein
- The detection signal is generated based on the time difference of emission of the first photon packet to the object and detection of an interaction between the two photon packets.
Figure DE102017209748A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.The invention relates to a method for providing a detection signal for objects to be detected.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.The invention also relates to a sensor device for providing a detection signal for objects to be detected.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen LIDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner.The invention also relates to a LIDAR scanner, in particular a microscanner.

Obwohl auf beliebige Sensorvorrichtungen anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf LiDAR-Makroscanner erläutert.Although applicable to any sensor devices, the present invention will be explained with respect to LiDAR macroscanners.

Bekannte LiDAR Makroscanner weisen beispielsweise einen Rotor auf, auf dem optische Elemente wie Lichtquelle und Detektor angeordnet sind. Weitere bekannte Scanner weisen nur einen Spiegel zur Strahlablenkung als rotierendes Element auf. In bekannter Weise wird mit einer gepulsten Lichtquelle, z. B. in Form eines Lasers ein Lichtstrahl ausgesandt und dessen Reflexion an einem Objekt detektiert, um den Abstand des Objekts anhand des reflektierten Lichts zu bestimmten. Hierzu kann der Makroscanner eine so genannte koaxiale Anordnung von Sende- und Empfangspfad aufweisen, bei der das reflektierte Licht über den Lichtpfad der aussendenden Optik geleitet wird. Um dann ausreichend Licht im Empfänger detektieren zu können, sind die optischen Komponenten insbesondere der Spiegel des Empfangspfads entsprechend groß gewählt. Bei einer Verwendung von biaxialen Anordnungen wird aufgrund der Linsengröße und des Abbildungsmaßstabs ein großes Detektorarray eingesetzt, um die optische Rauschleistung, bspw. durch Sonnenlicht oder anderen Fremdlichtquellen, zu reduzieren. Biaxiale Anordnungen mit statischen Empfangskanälen werden üblicherweise aus einem großen Winkelbereich beleuchtet und weisen ein niedriges Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit Reichweite auf.For example, known LiDAR macro scanners have a rotor on which optical elements such as light source and detector are arranged. Other known scanners have only one mirror for beam deflection as a rotating element. In a known manner, with a pulsed light source, for. B. in the form of a laser emits a light beam and its reflection detected on an object to determine the distance of the object based on the reflected light. For this purpose, the macroscanner may have a so-called coaxial arrangement of transmit and receive paths, in which the reflected light is conducted via the light path of the emitting optics. In order to then be able to detect sufficient light in the receiver, the optical components, in particular the mirror of the receiving path are selected to be correspondingly large. When using biaxial arrangements, a large detector array is used due to the lens size and the image scale in order to reduce the optical noise power, for example by sunlight or other extraneous light sources. Biaxial arrangements with static receive channels are usually illuminated from a wide range of angles and have a low signal-to-noise ratio and hence range.

Bei der Auslegung einer LiDAR-Sensorvorrichtung für Consumer- und Automotive-Produkte kann auch die Augensicherheit relevant sein.
Aus der DE 20 2009 015 194 U1 ist ein Sicherheitsscanner zur Überwachung einer Scanebene auf Eintritt von Objekten in die Scanebene bekannt geworden mit einem Lichtsender, einer Lichtablenkeinheit zur Ablenkung des Lichtes in die Scanebene, einem Empfänger zur Bereitstellung von Empfangssignalen in Abhängigkeit von an im Sichtbereich des Scanners vorhandenen Objekten remittiertem Licht, und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale und zur Bereitstellung eines Sicherheitssignals, wobei der Lichtsender Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1200 nm und 1700 nm aussendet.
When designing a LiDAR sensor device for consumer and automotive products, eye safety may also be relevant.
From the DE 20 2009 015 194 U1 a security scanner for monitoring a scan plane for entry of objects into the scan plane has become known having a light transmitter, a light deflection unit for deflecting the light into the scan plane, a receiver for providing received signals in response to objects present in the field of vision of the scanner, and an evaluation unit for evaluating the received signals and for providing a security signal, wherein the light emitter emits light having a wavelength between 1200 nm and 1700 nm.

Aus der DE 10 2007 032 997 A1 ist ein Laserscanner zur Bestimmung von Fahrbahneigenschaften bekannt geworden, der zwei Wellenlängen - 900 nm und 1550 nm - verwendet, um unterschiedliche Reflexionen erkennen zu können.From the DE 10 2007 032 997 A1 For example, a laser scanner for determining roadway characteristics has become known, which uses two wavelengths-900 nm and 1550 nm-to detect different reflections.

Aus der US 2015/0177128 A1 ist darüber hinaus eine Methode zur Bildgebung mithilfe von Photonen in quantenmechanischen Zuständen mit zwei verschiedenen Wellenlängen bekannt geworden. Dabei werden Photonen einer ersten Wellenlänge zur Beleuchtung von Probenmaterial verwendet und Photonen einer zweiten Wellenlänge einem Detektor zugeführt, wobei die Photonen nicht ausgesendet werden und somit vom Lichtpfad getrennt werden.From the US 2015/0177128 A1 Furthermore, a method for imaging using photons in quantum mechanical states with two different wavelengths has become known. In this case, photons of a first wavelength are used to illuminate sample material and photons of a second wavelength are fed to a detector, wherein the photons are not emitted and thus separated from the light path.

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte bereit, wobei

  • - zwei erste Photonenpakete unterschiedlicher Wellenlänge mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden und wobei
  • - Photonen eines der ersten Photonenpakete auf ein Objekt ausgesendet werden wobei
  • - das vom Objekt reflektierte Photonenpaket dann mittels Quantenverschränkung mit dem zweiten ersten Photonenpaket wechselwirkt und wobei
  • - das Detektionssignal basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des ersten Photonenpakets auf das Objekt und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen erzeugt wird.
In one embodiment, the invention provides a method for providing a detection signal for objects to be detected, wherein
  • - Two first photon packets of different wavelengths are generated with entangled photon pairs and wherein
  • - Photons of one of the first photon packets are emitted to an object
  • - The photon packet reflected by the object then interacts by means of quantum entanglement with the second first photon packet and wherein
  • - The detection signal is generated based on the time difference of emission of the first photon packet to the object and detection of an interaction between the two photon packets.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte bereit, umfassend eine Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung zweier erster Photonenpakete unterschiedlicher Wellenlänge mit verschränkten Photonenpaaren, eine Sendeeinrichtung zur Aussendung eines der ersten Photonenpakete auf das Objekt, eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des vom Objekt reflektierten Photonenpakets, eine Verschränkungseinrichtung zur Quantenverschränkung von empfangenem Photonenpaket und einem ersten Photonenpaket, und einen Detektor zur Erzeugung des Detektionssignals basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des einen ersten Photonenpakets auf das Objekt und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen.In a further embodiment, the invention provides a sensor device for providing a detection signal for objects to be detected, comprising a generating device for generating two first photon packets of different wavelengths with entangled photon pairs, a transmitting device for transmitting one of the first photon packets to the object, a receiving device for receiving the photon packets reflected from the object, an entanglement device for quantum entanglement of received photon packet and a first photon packet, and a detector for generating the detection signal based on the time difference of emission of the first photon packet to the object and detection of an interaction between the two photon packets.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen LIDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, bereit mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-12, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines der ersten Photonenpakete aufweist.In a further embodiment, the invention provides a LIDAR scanner, in particular a micro scanner, with at least one sensor device according to one of claims 5-12, wherein the LIDAR scanner has a micromechanical Mirror for deflecting one of the first photon packets has.

Mit anderen Worten stellen Ausführungsformen der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereit, bei der verschränkte Photonenpaare mit zwei Wellenlängen verwendet bzw. genutzt werden und diese in zwei Photonenpakete - Sensorpaket und Beobachterpaket - aufgeteilt werden, von denen das Sensorpaket mit einer ersten Wellenlänge mit dem zu detektierenden Objekt wechselwirkt. Die Photonen des Sensorpakets übertragen mittels Quanten-Verschränkung Informationen der Quanten des Sensorpakets vom Sensorpaket auf die Quanten des zweiten Photonenpakets, also dem Beobachterpaket mit einer zweiten Wellenlänge. Die Zeit zwischen Aussendung des Sensorpakets und Detektion der Änderung des physikalischen Parameters im Beobachterpaket dient als Messsignal zur Bestimmung des Objektabstandes.In other words, embodiments of the invention provide a sensor device that uses entangled photonic pairs of two wavelengths and splits them into two photon packets - sensor packet and observer packet - of which the sensor packet interacts with the object to be detected at a first wavelength , By means of quantum entanglement, the photons of the sensor packet transmit information of the quanta of the sensor packet from the sensor package to the quanta of the second photon packet, ie the observer packet with a second wavelength. The time between transmission of the sensor packet and detection of the change of the physical parameter in the observer packet serves as a measurement signal for determining the object distance.

Unter dem Begriff „Black Silicon“ ist schwarzes Silizium zu verstehen.The term "black silicon" is to be understood as meaning black silicon.

Einer der erzielten Vorteile ist, dass die Augensicherheit verbessert werden kann, insbesondere in dem die Sendeleistung und/oder die Wellenlänge des ausgesendeten Pakets unabhängig von der Auslegung und/oder der spektralen Empfindlichkeit des Detektors erhöht oder allgemein gewählt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Sensitivität, da ein völlig anderer Rausch-Leistungspfad genutzt wird. Ein weiterer Vorteil ist eine erhöhte Flexibilität, da auch ein bspw. flächiger Detektor bei einer biaxialen Anordnung verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bauraum verkleinert werden kann, da kleinere Detektoren bzw. Detektionseinrichtungen bei gleichem Signal-zu-Rausch-Verhältnis verwendet werden können. Ebenso können einfachere Wellenlängenfilter verwendet werden, da schmalbandige, winkelunabhängige Wellenlängenfilter, die aufwendig zu fertigen sind, entfallen können.One of the advantages achieved is that the eye safety can be improved, in particular in that the transmission power and / or the wavelength of the emitted packet can be increased or generally selected independently of the design and / or the spectral sensitivity of the detector. Another advantage is the high sensitivity, since a completely different noise power path is used. A further advantage is increased flexibility, since it is also possible, for example, to use a planar detector in a biaxial arrangement. Another advantage is that the installation space can be reduced because smaller detectors or detection devices can be used with the same signal-to-noise ratio. Likewise, simpler wavelength filters can be used because narrow-band, angle-independent wavelength filters, which are expensive to manufacture, can be omitted.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar: Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or become apparent:

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden Photonen des vom Objekt reflektierten Photonenpakets mit erster Wellenlänge und Photonen eines Ausgangslichtstrahls mit Ausgangswellenlänge überlagert zur Erzeugung zweier zweiter Photonenpakete, eines mit erster Wellenlänge, eines mit zweiter Wellenlänge, mit jeweils verschränkten Photonenpaaren, wobei die beiden Photonenpakete mit Photonen zweiter Wellenlänge überlagert werden. Damit wird eine zuverlässige Wechselwirkung zwischen Photonenpaketen ermöglicht.According to a further advantageous embodiment, photons of the photon packet reflected by the object with the first wavelength and photons of an output light beam with output wavelength are superimposed to produce two second photon packets, one with the first wavelength, one with the second wavelength, each with entangled photon pairs, the two photon packets with photons second Wavelength are superimposed. This allows a reliable interaction between photon packets.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung zirkulieren Photonen der zweiten Wellenlänge des ersten Photonenpakets in einer Zirkulationseinrichtung für eine bestimmte Zeitspanne. Damit lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass das Beobachterpaket bereitgehalten wird, bis das Sensorpaket vom Objekt reflektiert und vom Empfangspfad detektiert wurde. Mögliche Zeitspannen sind bspw. zwischen 1 ns und 200 ns, insbesondere zwischen 2 und 100ns, vorzugsweise zwischen 5 und 75ns.According to a further advantageous embodiment, photons of the second wavelength of the first photon packet circulate in a circulation device for a certain period of time. This can be achieved in a simple manner that the observer package is kept ready until the sensor package has been reflected by the object and detected by the receiving path. Possible time periods are, for example, between 1 ns and 200 ns, in particular between 2 and 100 ns, preferably between 5 and 75 ns.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird vor der Aussendung und/oder vor der Detektion die Polarisation eines Photonenpakets gedreht und/oder gefiltert. Damit lässt sich erreichen, dass nur Photonen einer bestimmten Polarisation in den Detektor gelangen bzw. ausgesendet werden, was die Detektion der Wechselwirkung zwischen Photonenpaketen gleicher Wellenlänge verbessert.According to a further advantageous development, the polarization of a photon packet is rotated and / or filtered before the emission and / or before the detection. This makes it possible to achieve that only photons of a specific polarization enter or be emitted into the detector, which improves the detection of the interaction between photon packets of the same wavelength.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Erzeugungseinrichtung und/oder die Verschränkungseinrichtung einen nicht-linearen optischen Kristall. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitige zuverlässige Weise zwei Lichtstrahlen mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden können. Umfassen die Erzeugungseinrichtung und die Verschränkungseinrichtung gemeinsam einen nicht-linearen optischen Kristall, wird also ein Lichtstrahl, Photonenpaket oder dergleichen mehrfach durch diesen geleitet, ist dies besonders kostengünstig.According to a further advantageous development, the generation device and / or the entanglement device comprise a non-linear optical crystal. One of the advantages achieved with this is that two light beams with entangled photon pairs can be generated in a simple and reliable manner simultaneously. If the generation device and the entanglement device together comprise a non-linear optical crystal, that is to say if a light beam, photon packet or the like is passed through it several times, this is particularly cost-effective.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der nicht-lineare optische Kristall aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lithiumniobat und/oder strichgeometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismutborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt. Auf diese Weise lässt sich in flexibler Weise ein nicht-linearer optischer Kristall herstellen.According to a further advantageous development, the nonlinear optical crystal is made of in particular periodically poled potassium titanyl phosphate, lithium niobate and / or linear geometric lithium tantalate and / or barium borate, lithium triborate, bismuth borate and / or potassium dihydrogen phosphate. In this way, a nonlinear optical crystal can be produced in a flexible manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle zur Erzeugung von gepulstem Licht ausgebildet. Mittels einer Lichtpulse erzeugenden Lichtquelle können auf einfache Weise Photonenpakete erzeugt werden, die einfacher zeitlich aufgelöst und damit gemessen werden können.According to a further advantageous development, the light source is designed to generate pulsed light. By means of a light pulse generating light source photon packets can be generated in a simple manner, which are easier resolved in time and thus can be measured.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle mittels einer pulsförmig modulierten Stromquelle steuerbar. Damit kann die Lichtquelle auf einfache Weise gesteuert werden.According to a further advantageous development, the light source can be controlled by means of a pulse-shaped modulated current source. Thus, the light source can be easily controlled.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Zirkulationseinrichtung angeordnet, zur Zirkulation des Lichtstrahls mit Photonen der zweiten Wellenlänge eines der ersten Photonenpakete für eine bestimmte Zeitspanne, insbesondere in Form eines optischen Kreisels. Damit lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass das Beobachterphotonenpaket bereitgehalten wird, bis das Sensorphotonenpaket vom Objekt reflektiert und vom Empfangspfad detektiert wurde.According to a further advantageous development, a circulation device is arranged for circulating the light beam with photons of the second wavelength of one of the first photon packets for a specific period of time, in particular in the form of an optical gyroscope. This allows for easy Make sure that the observer photon packet is kept ready until the sensor photon packet is reflected by the object and detected by the receiving path.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zur Einkopplung und Auskopplung eines Photonenpakets aus der Zirkulationseinrichtung jeweils ein Koppler angeordnet. Damit lässt sich auf einfache Weise eine Ein- und Auskopplung eines Lichtstrahls aus der Zirkulationseinrichtung erreichen.According to a further advantageous development, a coupler is arranged in each case for coupling and decoupling a photon package from the circulation device. This makes it easy to achieve a coupling and decoupling of a light beam from the circulation device.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Koppler zur Auskopplung einen adaptiven Kopplungsfaktor auf, derart, dass die Intensität des gekoppelten Lichts im Wesentlichen konstant haltbar ist. Damit ist die Intensität des ausgekoppelten Lichts von der in der Zirkulationseinrichtung gespeicherten Energie unabhängig.According to a further advantageous embodiment, the coupler for decoupling on an adaptive coupling factor, such that the intensity of the coupled light is substantially constant. Thus, the intensity of the coupled-out light is independent of the energy stored in the circulation means.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen Zirkulationseinrichtung und Koppler zur Auskopplung einen anpassbaren Abstand zueinander zur Anpassung des Kopplungsfaktors auf. Damit lässt sich eine einfache und effektive Anpassung des Kopplungsfaktors erreichen. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anpassung des Kopplungsfaktors elektro-optisch möglich, bspw. durch veränderte optische Materialeigenschaften des Kopplers. Darüber hinaus können auf Verstärker oder Abschwächung alternativ oder zusätzlich eingebracht werden. Es ist ebenso möglich, den Koppler zur Einkopplung entsprechend auszubilden, also bspw. den Einkopplungsfaktor anzupassen durch Anpassen des Abstands zwischen Zirkulationseinrichtung und Koppler zur Einkopplung. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anpassung des Einkopplungsfaktors elektro-optisch möglich, bspw. durch veränderte optische Materialeigenschaften des Kopplers zur Einkopplung.According to a further advantageous development, the circulation device and coupler for decoupling have an adjustable distance from one another for adaptation of the coupling factor. This makes it possible to achieve a simple and effective adaptation of the coupling factor. Alternatively or additionally, an adaptation of the coupling factor is electro-optically possible, for example by changing the optical material properties of the coupler. In addition, amplifiers or attenuation can be introduced alternatively or additionally. It is also possible to design the coupler according to the coupling, that is, for example, to adjust the coupling factor by adjusting the distance between the circulation device and coupler for coupling. Alternatively or additionally, an adaptation of the coupling factor is electro-optically possible, for example by changing the optical material properties of the coupler for coupling.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Kopplungsfaktor des Kopplers zur Auskopplung mittels Veränderung seiner optischen Eigenschaften anpassbar. Dies kann bspw. durch Veränderung der Umgebungstemperatur, eines Stroms, einer Ladungsträgerdichte und/oder Brechungsindex erfolgen. Damit lässt sich eine schnelle und flexible Anpassung des Kopplungsfaktors erreichen.According to a further advantageous development of the coupling factor of the coupler for decoupling by changing its optical properties is adaptable. This can be done, for example, by changing the ambient temperature, a current, a charge carrier density and / or refractive index. This makes it possible to achieve a fast and flexible adaptation of the coupling factor.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein Absorber zumindest für Photonen des empfangenen Photonenpakets aus der Verschränkungseinrichtung angeordnet. Einer der erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache und zuverlässige Weise der Objektstrahl, also die Photonenpakete, die auf das Objekt ausgesendet werden und/oder von diesem reflektiert wurden, der aus der Verschränkungseinrichtung austritt, ausgeblendet werden kann.According to a further advantageous development, an absorber is arranged at least for photons of the received photon packet from the entanglement device. One of the advantages achieved is that in a simple and reliable manner, the object beam, that is to say the photon packets which are emitted onto the object and / or reflected by it, which emerges from the entanglement device, can be hidden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Absorber aus Black Silicon hergestellt. Damit kann Licht effektiv absorbiert werden.According to a further advantageous development of the absorber is made of black silicone. This allows light to be absorbed effectively.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von Objekten reflektierten Lichtstrahlen angeordnet, welche einen Frequenzfilter, insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung des ersten Referenzstrahls und zur Transmission des Objektstrahls ausgebildet ist. Ein möglicher Vorteil ist, dass Fremdlicht zuverlässig ausgeblendet werden kann. Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des Objektstrahls +/- 10nm, insbesondere +/- 5nm, vorzugsweise +/- 2,5nm und/oder vorzugsweise +/-5%, insbesondere +/-2%, vorzugsweise +/- 1% ausgebildet sein.According to a further advantageous development, a receiving device for receiving objects of reflected light beams is arranged, which has a frequency filter, in particular a bandpass filter, which is designed to suppress the first reference beam and to transmit the object beam. A possible advantage is that extraneous light can be reliably faded out. In this case, the bandpass filter for transmitting light of the wavelength of the object beam +/- 10 nm, in particular +/- 5 nm, preferably +/- 2.5 nm and / or preferably +/- 5%, in particular +/- 2%, preferably + / - 1% be trained.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Zeitdifferenzeinrichtung angeordnet, die einen digitalen Zähler aufweist, insbesondere gesteuert durch Taktquellen mit hoher Frequenz, und/oder eine Serienschaltung mehrerer digitaler Gatter, Damit ist eine besonders zuverlässige Messung der Zeitspanne möglich. Unter hohen Frequenzen sind hier Frequenzen im GHz-Bereich, vorzugsweise zwischen 1-300 GHz, insbesondere zwischen 5-100 GHz zu verstehen.According to a further advantageous embodiment, a time difference device is arranged, which has a digital counter, in particular controlled by clock sources with high frequency, and / or a series connection of several digital gates, Thus, a particularly reliable measurement of the time is possible. High frequencies are frequencies in the GHz range, preferably between 1-300 GHz, in particular between 5-100 GHz.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektoreinrichtung eine nichtlineare Detektionscharakteristik auf. Damit kann eine Übersteuerung des Detektors vermieden werden.According to a further advantageous development, the detector device has a non-linear detection characteristic. Thus, an override of the detector can be avoided.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the subclaims, from the drawings, and from associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.Preferred embodiments and embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components or elements.

Dabei zeigen in schematischer Form

  • 1 eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Messsignal einer Detektoreinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
This show in a schematic form
  • 1 a sensor device according to a first embodiment of the present invention;
  • 2 a measurement signal of a detector device according to a second embodiment of the present invention; and
  • 3 Steps of a method according to a third embodiment of the present invention.

1 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a sensor device according to a first embodiment of the present invention.

In 1 ist eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung mit Komponenten gezeigt.In 1 an embodiment of a sensor device with components is shown.

Zunächst wird ein Strahl 1 bestehend aus kohärenten Photonen der Wellenlänge λ0 , bspw. 531 nm, mittels eines Lasers 11 erzeugt. Die Laserleistung des Lasers 11 wird durch eine pulsförmig modulierte Stromquelle 10 mit dem Dauerpegel I1 und dem Pulspegel I2 gesteuert. Der Laser 11 emittiert entsprechend eine Dauerleistung P1 , bspw. 1 mW und eine Pulsleistung P2 , bspw. 50 W. Die Pulslänge beträgt beispielsweise zwischen 1 ns bis 10 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 8 ns, insbesondere zwischen 4 ns und 6 ns.First, a ray 1 consisting of coherent photons of wavelength λ 0 , for example 531 nm, by means of a laser 11 generated. The laser power of the laser 11 is powered by a pulse-modulated current source 10 with the continuous level I 1 and the pulse level I 2 controlled. The laser 11 accordingly emits a continuous service P 1 , for example, 1 mW and a pulse power P 2 , for example, 50 W. The pulse length is, for example, between 1 ns to 10 ns, preferably between 2 ns and 8 ns, in particular between 4 ns and 6 ns.

Der Laserstrahl 1 wird dann einem Strahlteiler 20 zugeführt. Es entstehen zwei Laserstrahlen la und 1b. Der Strahl la wird einem ersten Schritt einem nicht-linearen Kristall 30a zugeführt. Dieser kann aus periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, periodisch gepoltem Lithiumniobat, periodisch gepoltem stöchiometrischen Lithiumtantalat, Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein. Dabei entstehen in einem ersten Schritt in zwei überlagerten Strahlen 4 und 5 verschränkte Photonenpaare mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, bspw. λ1=1550 nm und λ2=810 nm.The laser beam 1 then becomes a beam splitter 20 fed. There are two laser beams 1a and 1b. The ray la becomes a first step in a non-linear crystal 30a fed. This may be made of periodically poled potassium titanyl phosphate, periodically poled lithium niobate, periodically poled stoichiometric lithium tantalate, barium borate, lithium triborate, bismuth borate and / or potassium dihydrogen phosphate. This results in a first step in two superimposed beams 4 and 5 entangled photon pairs with two different wavelengths, for example. λ 1 = 1550 nm and λ 2 = 810 nm.

In einem zweiten Schritt werden der Strahl 4 mit der Wellenlänge λ1 und der Strahl 5 mit der Wellenlänge λ2 mittels eines wellenlängenselektiven Strahlteilers 60, bspw. in Form eines dichroitischen Spiegels, räumlich getrennt. Aufgrund der pulsförmigen Erregung des Lasers 11 werden der Strahl 4 zum Sensor(photonen)paket λ1 und der Strahl 5 zum Beobachter(photonen)paket λ2 . Ein Absorber für die Photonen des Lasers 11 kann optional eingesetzt werden.
Der Strahl 5 des Beobachterpakets wird über einen Wellenleiter und einen ersten Koppler 111 einem optischen Resonator 110 zugeführt. Dort zirkulieren die Photonen für eine Zeitspanne von circa 1-200 ns, vorzugsweise 10-150 ns, insbesondere 50 -100 ns, insbesondere 75-95 ns. Mit Hilfe eines zweiten Kopplers 112 wird ein insbesondere geringer Teil der Photonen kontinuierlich ausgekoppelt. Der Kopplungsfaktor ist dabei so gewählt, dass für die Laufzeit des Sensorpakets von der Vorrichtung zum Objekt 70 und zurück (TTOF) eine ausreichende Anzahl von Photonen im Resonator 110 verbleiben (-20 bis -80 dB). In einer besonders vorteilhaften Ausführung weist der Koppler 112 einen adaptiven Kopplungsfaktor auf, so dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts konstant ist und nicht von der im Resonator gespeicherten Energie abhängig ist. Dies wird bspw. durch eine adaptive Abstandsänderung des Kopplers 112 vom Resonator 110 ermöglicht oder aber elektro-optisch durch veränderte optische Materialeigenschaften des Kopplers 112 in Folge eines elektrischen Signals. Alternativ oder zusätzlich können auch Verstärker oder Abschwächer angeordnet werden. Gleiches gilt entsprechend auch für den Koppler 111.
In a second step, the beam 4 with the wavelength λ 1 and the beam 5 with the wavelength λ 2 by means of a wavelength-selective beam splitter 60 , for example in the form of a dichroic mirror, spatially separated. Due to the pulsed excitation of the laser 11 become the beam 4 to the sensor (photon) package λ 1 and the beam 5 to the observer (photon) package λ 2 , An absorber for the photons of the laser 11 can be used optionally.
The beam 5 of the observer package is transmitted via a waveguide and a first coupler 111 an optical resonator 110 fed. There, the photons circulate for a period of about 1-200 ns, preferably 10-150 ns, in particular 50-100 ns, in particular 75-95 ns. With the help of a second coupler 112 In particular, a small part of the photons is continuously decoupled. The coupling factor is chosen so that for the duration of the sensor package from the device to the object 70 and back (T TOF ) a sufficient number of photons in the resonator 110 remain (-20 to -80 dB). In a particularly advantageous embodiment, the coupler 112 an adaptive coupling factor such that the intensity of the coupled-out light is constant and does not depend on the energy stored in the resonator. This is, for example, by an adaptive change in the distance of the coupler 112 from the resonator 110 or electro-optically by changing the optical material properties of the coupler 112 in consequence of an electrical signal. Alternatively or additionally, amplifiers or attenuators can also be arranged. The same applies accordingly for the coupler 111 ,

Das mittels des Kopplers 112 ausgekoppelte Licht 5 wird über den Umlenkspiegel 56 einem Strahlvereiniger 90 zugeführt. Die Wellenleiter, die Koppler 111, 112 und der Resonator 110 sind im Wellenlängenbereich um die Wellenlänge λ2 transparent. Geeignete Materialien zu deren Herstellung sind beispielsweise SiN oder SiO. Der Wellenleiter hat hier bspw. eine Breite von ca. 1 µm und eine Dicke von ca. 500 nm. Der Resonator 110 hat einen Durchmesser von bspw. 10 µm und eine Dämpfung von bspw. < 0,9 dB/cm.The means of the coupler 112 decoupled light 5 is over the deflecting mirror 56 a beam combiner 90 fed. The waveguides, the couplers 111 . 112 and the resonator 110 are in the wavelength range around the wavelength λ 2 transparent. Suitable materials for their preparation are, for example, SiN or SiO. The waveguide has here, for example, a width of about 1 micron and a thickness of about 500 nm. The resonator 110 has a diameter of, for example, 10 .mu.m and an attenuation of, for example, <0.9 dB / cm.

Die Photonen des Lichtstrahls 4 des Sensorpakets werden nach der Erzeugung und Verschränkung optional mittels einer Verzögerungsplatte 65, insbesondere ein λ/4-Plättchen, in ihrer Polarisation gedreht und mittels einer Sendevorrichtung optional oder zusätzlich mit einer Ablenkvorrichtung 68 dem Messobjekt 70 zugeführt. Die Photonen des Sensorpakets 4 werden vom Messobjekt 70, hier diffus, reflektiert und anteilig von einer Empfangsoptik 67 aufgenommen. Die Empfangsoptik 67 weist optional ein Wellenlängenfilter 66 auf. Das Wellenlängenfilter 66 ist vorzugsweise ein Bandpassfilter mit hoher Transmission bei z.B. λ1+/- 10nm, insbesondere λ1+/-5nm, vorzugsweise λ1+/-2,5nm oder λ1+/-1,5nm und/oder vorzugsweise λ1+/-5%, insbesondere λ1+/-2%, vorzugsweise λ1+/- 1% und geringer Transmission bei λ2, vorzugsweise in einem Bereich λ2+/- 10nm, insbesondere λ2+/-5nm, vorzugsweise λ2+/-2,5nm oder λ2+/-1,5nm und/oder vorzugsweise λ2+/-5%, insbesondere λ2+/-2%.The photons of the light beam 4 of the sensor package are optionally produced after generation and entanglement by means of a retardation plate 65 , in particular a λ / 4 plate, rotated in polarization and by means of a transmitting device optionally or additionally with a deflection device 68 the measuring object 70 fed. The photons of the sensor package 4 become of the measurement object 70 here diffuse, reflected and proportionate of a receiving optics 67 added. The receiving optics 67 Optionally has a wavelength filter 66 on. The wavelength filter 66 is preferably a bandpass filter with high transmission at, for example, λ 1 +/- 10 nm, in particular λ 1 +/- 5 nm, preferably λ 1 +/- 2.5 nm or λ 1 +/- 1.5 nm and / or preferably λ 1 + / -5%, in particular λ 1 +/- 2%, preferably λ 1 +/- 1% and low transmission at λ 2 , preferably in a range λ 2 +/- 10 nm, in particular λ 2 +/- 5 nm, preferably λ 2 +/- 2.5nm or λ 2 +/- 1.5nm and / or preferably λ 2 +/- 5%, especially λ 2 +/- 2%.

Im dritten Schritt werden die von der Empfangsoptik 67 aufgenommen Photonen aus dem Strahl 4 einem Strahlvereiniger 80 zugeführt und dort mit dem Licht 1b des kohärenten Lasers 11 überlagert. Die überlagerten Strahlen 4, 1b werden einem zweiten nicht-linearen Kristall 30b zugeführt. Dabei entstehen weitere verschränkte Photonenpaare 4, 5' mit der ersten und der zweiten Wellenlänge 5', bspw. λ1= 1550 nm und λ2 = 810nm oder auch jede beliebige Wellenlänge zwischen 700nm und 1600nm. Dabei sind die neu erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λ1 des Strahls 4 von den zuvor erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λ1 nicht unterscheidbar und werden somit weiterhin mit Bezugszeichen 4 in 1 bezeichnet. Die Photonen des Strahls 4 werden für die Detektion nicht weiter benötigt und können einem Absorber 96 zugeführt werden. Ein Absorber für die Photonen des Lasers 11 kann optional zusätzlich eingesetzt werden.In the third step, those of the receiving optics 67 picked up photons from the beam 4 a beam combiner 80 fed and there with the light 1b of the coherent laser 11 superimposed. The superimposed rays 4 . 1b become a second non-linear crystal 30b fed. This results in more entangled photon pairs 4 . 5 ' with the first and second wavelengths 5 ' , for example λ 1 = 1550 nm and λ 2 = 810nm or any wavelength between 700nm and 1600nm. The newly generated photons are the first wavelength λ 1 of the beam 4 from the previously generated photons of the first wavelength λ 1 indistinguishable and thus continue to be denoted by reference numerals 4 in 1 designated. The photons of the beam 4 are no longer needed for detection and can be an absorber 96 be supplied. An absorber for the photons of the laser 11 can optionally be used additionally.

Im vierten Schritt werden die aus dem Resonator ausgekoppelten Photonen des Lichtstrahls 5 des Beobachterpakets mit den in Schritt drei erzeugten Photonen ununterscheidbar überlagert und im fünften Schritt mittels eines optionalen Polarisationsfilters 95 dem Detektor 100 zugeführt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Detektor 100 kann eine Photodiode, die die Intensität des Photonenstroms detektiert oder um eine SPAD-Diode, welche auf einzelne Photonen reagiert, aufweisen. Letztere ermöglicht eine zuverlässige Detektion auch bei geringer Lichtstärke.In the fourth step, the photons of the light beam decoupled from the resonator become 5 of the observer package with the photons generated in step three indistinguishably superimposed and in the fifth step by means of an optional polarization filter 95 the detector 100 fed and converted into an electrical signal. The detector 100 For example, a photodiode that detects the intensity of the photon current or may have a SPAD diode that responds to individual photons. The latter enables reliable detection even at low light intensity.

Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Sensorvorrichtung stellt ein LiDAR-System dar, welches ein Detektionssignal entsprechend 2 liefert. Der Grundpegel des Lasers P1 führt zu einem Detektionssignalpegel S1 . Zum Zeitpunkt der Pulserzeugung t0 wird das Detektionssignal auf den Pegel S2 stark ansteigen. Es ist möglich, durch eine nicht-lineare Detektorcharakteristik eine Übersteuerung zu verhindern. In der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Pulses und dem Eintreffen des reflektierten Lichts tTOF sind am Detektor genau wie vor der Pulserzeugung nur Quanten der Lichtstrahlen 5 und 5' zu detektieren, welche in keiner Wechselwirkung mit den Quanten des Lichtstrahls 4 des Sensorpakets stehen. Zum Zeitpunkt des Eintreffens der reflektierten Quanten 4 des Sensorpakets und der Erzeugung der weiteren verschränkten Quanten im dritten Schritt findet mittels Quantenverschränkung eine Wechselwirkung zwischen den Quanten 5 des Beobachterpakets und den Quanten 4 des Sensorpakets statt. Durch die entsprechende ununterscheidbare Überlagerung und ggf. Filterung mittels eines Polarisationsfilters wird eine Veränderung des Detektionssignals Sd erzeugt. Die Zeitspanne tTOF zwischen der Erzeugung des Pulses und der Detektion der Beeinflussung der Quanten des Beobachterpaktes kann mittels einer Zeitmesseinrichtung 200 gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung 300 in den gesuchten Objektabstand d umgerechnet werden über die Gleichung: d = τ TOF * c 0 / 2,

Figure DE102017209748A1_0001
wobei c0 die Lichtgeschwindigkeit darstellt. Die Zeitspanne kann mit bekannten Methoden der elektrischen Zeitmessung bestimmt werden. Besonders geeignet sind digitale Zähler, welche von hochfrequenten Taktquellen inkrementiert werden oder die Hintereinanderschaltung von digitalen Gattern, wobei das Signal t0 die Messung auslöst und die Detektion von Sd die Messung beendet.In the 1 illustrated embodiment of the sensor device is a LiDAR system, which corresponds to a detection signal 2 supplies. The basic level of the laser P 1 leads to a detection signal level S 1 , At the time of pulse generation t 0 , the detection signal becomes the level S 2 solid rising. It is possible to prevent overloading by a non-linear detector characteristic. In the time span between the emission of the pulse and the arrival of the reflected light t TOF , just as before the pulse generation, only quanta of the light rays are present at the detector 5 and 5 ' to detect which in no interaction with the quanta of the light beam 4 of the sensor package. At the time of arrival of the reflected quanta 4 the sensor packet and the generation of the other entangled quanta in the third step finds an interaction between the quanta by means of quantum entanglement 5 the observer package and the quantum 4 the sensor package instead. Due to the corresponding indistinguishable superposition and optionally filtering by means of a polarization filter, a change in the detection signal S d generated. The time period t TOF between the generation of the pulse and the detection of the influence of the quanta of the observer Paktes can by means of a time measuring device 200 measured and by means of an evaluation 300 be converted into the desired object distance d via the equation: d = τ TOF * c 0 / 2,
Figure DE102017209748A1_0001
in which c 0 represents the speed of light. The time span can be determined by known methods of electrical time measurement. Particularly suitable are digital counters, which are incremented by high-frequency clock sources or the series connection of digital gates, wherein the signal t 0 the measurement triggers and the detection of S d the measurement ends.

3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows steps of a method according to a third embodiment of the present invention.

In einem ersten Schritt T1 werden verschränkte Photonenpaare mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ1 , λ2 mittels eines kohärenten Lasers 11 und eines ersten nicht-linearen Kristalls 30a erzeugt.In a first step T1 become entangled photon pairs with two different wavelengths λ 1 . λ 2 by means of a coherent laser 11 and a first nonlinear crystal 30a generated.

In einem zweiten Schritt T2 werden diese in zwei Photonenpakete getrennt, von denen das erste Paket - Sensorpaket - mit einer ersten Wellenlänge λ1 mit einem Objekt 70 wechselwirkt und das zweite Paket - Beobachterpaket - mit einer zweiten Wellenlänge λ2 in einem optischen Kreisel 110 für eine Zeitspanne im Bereich von ~100 ns zirkuliert. Die Photonen des Sensorpakets werden nach der Erzeugung und Verschränkung mittels einer Verzögerungsplatte 65, insbesondere in Form eines λ/4-Plättchens in der Polarisation in einem dritten Schritt T3 gedreht.In a second step T2 these are separated into two photon packets, one of which is the first packet - sensor package - with a first wavelength λ 1 with an object 70 interacts and the second package - observer package - with a second wavelength λ 2 in an optical gyro 110 circulated for a period of time in the range of ~ 100 ns. The photons of the sensor package become after generation and entanglement by means of a retardation plate 65 , in particular in the form of a λ / 4 plate in the polarization in a third step T3 turned.

Mittels einer Sendevorrichtung und zusätzlich oder alternativ mit einer Ablenkvorrichtung werden dann Photonen des Sensorpaktes dem Messobjekt 70 in einem vierten Schritt T4 zugeführt. Die Photonen des Sensorpakets werden vom Messobjekt diffus in einem fünften Schritt T5 reflektiert und anteilig von der Empfangsoptik in einem sechsten Schritt T6 aufgenommen.By means of a transmitting device and in addition or alternatively with a deflection device then photons of the sensor pact the measurement object 70 in a fourth step T4 fed. The photons of the sensor package become diffuse from the measurement object in a fifth step T5 reflected and proportionate of the receiving optics in a sixth step T6 added.

In einem siebten Schritt T7 werden die aufgenommen Photonen einem zweiten nicht-linearen Kristall 30b zugeführt und dort mit dem Licht des kohärenten Lasers 11 in einem achten Schritt T8 überlagert. Dabei entstehen weitere verschränkte Photonenpaare mit der ersten und der zweiten Wellenlänge λ1 , λ2 . Dabei sind die neu erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λ1 von den zuvor im zweiten Schritt T2 erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λ1 nicht unterscheidbar. Von den im optischen Kreisel 110 zirkulierenden Photonen der zweiten Wellenlänge λ2 , welche im ersten Schritt T1 erzeugt wurden, wird mittels eines Kopplers 12 ein insbesondere kleiner Teil in einem neunten Schritt T9 ausgekoppelt und im zehnten Schritt T10 mit den im achten Schritt T8 erzeugten Photonen der zweiten Wellenlänge λ2 ununterscheidbar überlagert. Die überlagerten Photonen der zweiten Wellenlänge λ2 werden in einem elften Schritt T11 einem Detektor 110 zugeführt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Mittels einer Zeitmesseinrichtung 200 kann in einem zwölften Schritt T12 die Zeitspanne tTOF zwischen der Erzeugung des Pulses und der Detektion der Beeinflussung der Quanten des Beobachterpaktes gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung 300 in den gesuchten Objektabstand d in einem dreizehnten Schritt T13 umgerechnet werden.In a seventh step T7 The captured photons become a second non-linear crystal 30b fed and there with the light of the coherent laser 11 in an eighth step T8 superimposed. This results in further entangled photon pairs with the first and the second wavelength λ 1 . λ 2 , The newly generated photons are the first wavelength λ 1 from the previously in the second step T2 generated photons of the first wavelength λ 1 indistinguishable. From those in the optical gyro 110 circulating photons of the second wavelength λ 2 which in the first step T1 are generated by means of a coupler twelve a particular small part in a ninth step T9 decoupled and in the tenth step T10 with the eighth step T8 generated photons of the second wavelength λ 2 indistinguishable superimposed. The superimposed photons of the second wavelength λ 2 be in an eleventh step T11 a detector 110 fed and converted into an electrical signal. By means of a time measuring device 200 can in a twelfth step T12 the time span t TOF between the Generation of the pulse and the detection of the influence of the quanta of the observer Pact measured and by means of an evaluation 300 into the sought object distance d in a thirteenth step T13 be converted.

Zusammenfassend wird durch die Erfindung und insbesondere ihre Ausführungsformen und insbesondere durch die beschriebenen Ausführungsformen ein kompaktes, kostengünstiges und zuverlässiges LiDAR-Sensorsystem mit hoher Sensitivität und hoher Augensicherheit bereitgestellt. Im Detail ist dabei durch Trennung der Wellenlänge für die Beleuchtung des Objekts und die Detektion, beispielweise eine Optimierung auf Augensicherheit und/oder Maximierung der zulässigen Sendeleistung unabhängig von der Realisierung eines geeigneten Detektors möglich. Weiterhin ist eine Bandbreite eines im Detektionspfad angeordneten spektralen Filters nicht mehr rauschleistungsbestimmend und insbesondere damit unabhängig vom Sonnenlicht. Damit kann bspw. in einem biaxialen Detektionspfad ein flächiger Detektor verwendet werden bzw. mittels einer geeigneten Struktur in der integrierten Photonik das gesamte von der Empfangsoptik eingesammelte Licht einem Einzeldetektor zugeführt werden und somit ein Empfangsarray vermieden werden. Gleichzeitig kann auf einen sehr schmalbandigen, winkelunabhängigen jedoch komplizierten Wellenlängenfilter verzichtet werden.In summary, the invention, and in particular its embodiments, and in particular the embodiments described, provide a compact, cost-effective and reliable LiDAR sensor system with high sensitivity and high eye safety. In detail, by separating the wavelength for the illumination of the object and the detection, for example, an optimization of eye safety and / or maximizing the allowable transmission power regardless of the realization of a suitable detector possible. Furthermore, a bandwidth of a spectral filter arranged in the detection path is no longer determinative of the noise power and thus in particular independent of the sunlight. Thus, for example, a planar detector can be used in a biaxial detection path or the entire light collected by the receiving optics can be fed to a single detector by means of a suitable structure in the integrated photonics, thus avoiding a receiving array. At the same time can be dispensed with a very narrow-band, angle-independent, but complicated wavelength filter.

Darüber wird eine hohe Sensitivität ermöglicht, da vollständig anderer Rauschleistungspfad verwendet wird, was ein kompaktes LiDAR-System mit kleineren Linsen und ggf. mit Mikrospiegelablenkung ermöglicht, um komplexe Empfangsarrays verwendet werden können. Ebenso kann das LiDAR-System auch mit optischen Phasearrays kombiniert werdenThis provides high sensitivity by using a completely different noise performance path, allowing for a compact LiDAR system with smaller lenses and possibly micromirror deflection, for use with complex receiver arrays. Similarly, the LiDAR system can also be combined with optical phase arrays

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202009015194 U1 [0006]DE 202009015194 U1 [0006]
  • DE 102007032997 A1 [0007]DE 102007032997 A1 [0007]
  • US 2015/0177128 A1 [0008]US 2015/0177128 A1 [0008]

Claims (13)

Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals (SD) für zu detektierende Objekte (70), wobei - zwei erste Photonenpakete (4, 5) unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2) mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden und wobei - Photonen eines der ersten Photonenpakete (λ1) auf ein Objekt (70) ausgesendet werden wobei - das vom Objekt (70) reflektierte Photonenpaket dann mittels Quantenverschränkung mit dem zweiten ersten Photonenpaket (λ2) wechselwirkt und wobei - das Detektionssignal (SD) basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des ersten Photonenpakets (4) auf das Objekt (70) und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen (λ1, λ2) erzeugt wird.Method for providing a detection signal (S D ) for objects to be detected (70), wherein - two first photon packets (4, 5) of different wavelengths (λ 1 , λ 2 ) are generated with entangled photon pairs and wherein - photons of one of the first photon packets ( λ 1 ) are transmitted to an object (70) wherein - the photon packet reflected by the object (70) interacts with the second first photon packet (λ 2 ) by means of quantum entanglement and wherein - the detection signal (S D ) is based on the time difference of transmission of the signal first photon packet (4) on the object (70) and detection of an interaction between the two photon packets (λ 1 , λ 2 ) is generated. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei - Photonen des vom Objekt (70) reflektierten Photonenpakets (4) mit erster Wellenlänge (λ1) und Photonen eines Ausgangslichtstrahls (1) mit Ausgangswellenlänge (λ0) überlagert werden zur Erzeugung zweier zweiter Photonenpakete (4, 5'), eines mit erster Wellenlänge (λ1), eines mit zweiter Wellenlänge (λ2), mit jeweils verschränkten Photonenpaaren und wobei - die beiden Photonenpakete (5, 5') mit Photonen zweiter Wellenlänge (λ2) überlagert werden.Method according to Claim 1 in which - photons of the photon packet (4) reflected by the object (70) are superimposed with first wavelength (λ 1 ) and photons of an output light beam (1) with output wavelength (λ 0 ) for producing two second photon packets (4, 5 ') with first wavelength (λ 1 ), one with second wavelength (λ 2 ), each with entangled photon pairs and wherein - the two photon packets (5, 5 ') are superimposed with photons of the second wavelength (λ 2 ). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Photonen der zweiten Wellenlänge (λ2) des ersten Photonenpakets (5) in einer Zirkulationseinrichtung (110) für eine bestimmte Zeitspanne zirkulieren.Method according to one of Claims 1 or 2 in that photons of the second wavelength (λ 2 ) of the first photon packet (5) circulate in a circulation device (110) for a certain period of time. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei vor der Aussendung und/oder vor der Detektion die Polarisation eines Photonenpakets gedreht und/oder gefiltert wird.Method according to one of Claims 1 - 3 wherein before the emission and / or before the detection, the polarization of a photon packet is rotated and / or filtered. Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals (Sd) für zu detektierende Objekte (70), umfassend eine Erzeugungseinrichtung (10, 11, 30a) zur Erzeugung zweier erster Photonenpakete (4, 5) unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2) mit verschränkten Photonenpaaren, eine Sendeeinrichtung (60, 65, 68) zur Aussendung eines der ersten Photonenpakete (4) auf das Objekt, eine Empfangseinrichtung (66, 67, 80) zum Empfangen des vom Objekt reflektierten Photonenpakets (4), eine Verschränkungseinrichtung (30b, 90) zur Quantenverschränkung von empfangenem Photonenpaket (4) und einem ersten Photonenpaket (5), und einen Detektor zur Erzeugung des Detektionssignals (SD) basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des einen ersten Photonenpakets (4) auf das Objekt (70) und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen (4, 5).Sensor device for providing a detection signal (S d ) for objects to be detected (70), comprising generating means (10, 11, 30a) for generating two first photon packets (4, 5) of different wavelengths (λ 1 , λ 2 ) with entangled photon pairs, a transmitting device (60, 65, 68) for emitting one of the first photon packets (4) onto the object, a receiving device (66, 67, 80) for receiving the photon packet (4) reflected by the object, an entanglement device (30b, 90) for Quantum entanglement of received photon packet (4) and a first photon packet (5), and a detector for generating the detection signal (S D ) based on the time difference of emission of the first photon packet (4) on the object (70) and detection of an interaction between the two photon packets (4, 5). Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Erzeugungseinrichtung (10, 11, 60) und/oder die Verschränkungseinrichtung (30b, 90) einen nicht-linearen optischen Kristall (30a, 30b) umfassen, wobei der nicht-lineare optische Kristall (30a, 30b) aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lihtiumniobat, und/oder stöchiometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein kann.Sensor device according to Claim 5 wherein the generating means (10, 11, 60) and / or the entangling means (30b, 90) comprise a non-linear optical crystal (30a, 30b), the non-linear optical crystal (30a, 30b) being made of, in particular, periodically poled Potassium titanyl phosphate, lithium niobate, and / or stoichiometric lithium tantalate and / or barium borate, lithium triborate, bismuth borate, and / or potassium dihydrogen phosphate. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei eine Zirkulationseinrichtung (110) angeordnet ist zur Zirkulation des Lichtstrahls mit Photonen der zweiten Wellenlänge (λ2) eines der ersten Photonenpakete (5) für eine bestimme Zeitspanne, insbesondere in Form eines optischen Kreisels.Sensor device according to one of Claims 5 or 6 in which a circulation device (110) is arranged to circulate the light beam with photons of the second wavelength (λ 2 ) of one of the first photon packets (5) for a certain period of time, in particular in the form of an optical gyroscope. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei zur Einkopplung und zur Auskopplung eines Photonenpakets aus der Zirkulationseinrichtung (110) jeweils ein Koppler (111, 112) angeordnet ist, der einen adaptiven Kopplungsfaktor aufweisen, derart, dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts im Wesentlichen konstant ist.Sensor device according to Claim 7 , wherein for coupling and decoupling of a photon packet from the circulation device (110) each have a coupler (111, 112) is arranged, which have an adaptive coupling factor, such that the intensity of the coupled-out light is substantially constant. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei Zirkulationseinrichtung (110) und Koppler zur Auskopplung (112) einen anpassbaren Abstand zueinander zur Anpassung des Kopplungsfaktors aufweisen.Sensor device according to Claim 8 in that the circulation device (110) and coupler for decoupling (112) have an adjustable distance from one another for adaptation of the coupling factor. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der Kopplungsfaktor des Kopplers zur Auskopplung (112) mittels Veränderung seiner optischen Eigenschaften anpassbar ist.Sensor device according to Claim 8 , wherein the coupling factor of the coupler for coupling (112) is adaptable by means of changing its optical properties. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-10, wobei ein Absorber (96) zumindest für Photonen des empfangenen Photonenpakets (4) aus der Verschränkungseinrichtung (30b) angeordnet ist, wobei dieser aus Black Silicon hergestellt sein kann.Sensor device according to one of Claims 5 - 10 wherein an absorber (96) is arranged at least for photons of the received photon packet (4) from the entangling means (30b), which may be made of black silicone. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-11, wobei eine Empfangseinrichtung (66, 67, 68) zum Empfangen von von Objekten (70) reflektierten Lichtstrahlen (4) angeordnet ist, welche einen Frequenzfilter, insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung von Licht einer der Wellenlängen und zur Transmission der anderen Wellenlänge ausgebildet ist.Sensor device according to one of Claims 5 - 11 in which a receiving device (66, 67, 68) is arranged for receiving light beams (4) reflected by objects (70), which has a frequency filter, in particular a bandpass filter, for suppressing light of one of the wavelengths and for transmitting the other Wavelength is formed. LIDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-12, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines der ersten Photonenpakete (4) aufweist.LIDAR scanner, in particular a micro-scanner, with at least one sensor device according to one of the Claims 5 - twelve , wherein the LIDAR scanner has a micromechanical mirror for deflecting one of the first photon packets (4).
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