DE102017213729B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte Download PDF

Info

Publication number
DE102017213729B4
DE102017213729B4 DE102017213729.0A DE102017213729A DE102017213729B4 DE 102017213729 B4 DE102017213729 B4 DE 102017213729B4 DE 102017213729 A DE102017213729 A DE 102017213729A DE 102017213729 B4 DE102017213729 B4 DE 102017213729B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
frequency
light
detection
light beam
ref
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102017213729.0A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102017213729A1 (de
Inventor
Fabian Utermoehlen
Peter Degenfeld-Schonburg
Stefan Leidich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to DE102017213729.0A priority Critical patent/DE102017213729B4/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to CN201880065523.0A priority patent/CN111194415B/zh
Priority to JP2020507106A priority patent/JP6833105B2/ja
Priority to KR1020207006507A priority patent/KR102642209B1/ko
Priority to PCT/EP2018/070589 priority patent/WO2019030041A1/de
Priority to EP18749341.6A priority patent/EP3665504A1/de
Priority to US16/636,496 priority patent/US11703568B2/en
Publication of DE102017213729A1 publication Critical patent/DE102017213729A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102017213729B4 publication Critical patent/DE102017213729B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S17/26—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency-modulated or phase-modulated carrier wave, e.g. for pulse compression of received signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/487—Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3507—Arrangements comprising two or more nonlinear optical devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte (70), wobei- mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30a) aus einem Lichtstrahl einer Lichtquelle (10) mit einer Ausgangsfrequenz (flaser) zumindest ein erster und ein zweiter Lichtstrahl erzeugt werden, die unterschiedliche Frequenz (fobj, fref) aufweisen und wobei- der erste Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz (fref) detektiert wird und wobei- der zweite Lichtstrahl mit einer Objektfrequenz (fobj) ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt (70) empfangen wird und wobei- der Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz (flaser) und der zweite Lichtstrahl mit der Objektfrequenz (fobj) überlagert werden, und wobei- mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30b) aus den beiden überlagerten Lichtstrahlen mit der Ausgangsfrequenz (flaser) und mit der Objektfrequenz (fobj) ein Referenzstrahl mit Referenzfrequenz (fref) erzeugt wird, und wobei- ein Detektionssignal erzeugt wird, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz (fref) und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung (d) des Objekts (70) bestimmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen LiDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner.
  • Obwohl auf beliebige Sensorvorrichtungen anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf LiDAR-Makroscanner erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aus der Druckschrift US 2007/0002307 A1 ist ein Verfahren zur Entfernungsschätzung eines Objektes bekannt, wobei dazu zwei Photonen eingesetzt werden.
  • Aus der Druckschrift US 7 280 186 B1 ist ein optisches Lasersystem bekannt, welches optische Signale unterschiedlicher Frequenz einsetzt, um die räumliche Auflösung zu verbessern.
  • In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte bereit, wobei
    • - mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus einem Lichtstrahl einer Lichtquelle mit einer Ausgangsfrequenz zumindest ein erster und ein zweiter Lichtstrahl erzeugt werden, die unterschiedliche Frequenz aufweisen und wobei
    • - der erste Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz detektiert wird und wobei
    • - der zweite Lichtstrahl mit einer Objektfrequenz ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt empfangen wird und wobei
    • - der Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz und der zweite Lichtstrahl mit der Objektfrequenz überlagert werden, und wobei
    • - mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus den beiden überlagerten Lichtstrahlen mit der Ausgangsfrequenz und mit der Objektfrequenz ein Referenzstrahl mit Referenzfrequenz erzeugt wird, und wobei
    • - ein Detektionssignal erzeugt wird, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung des Objekts bestimmbar ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte, umfassend eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Ausgansstrahls mit zumindest einer Ausgangsfrequenz,
    eine erste Strahlerzeugungseinrichtung zur Erzeugung zumindest eines ersten und eines zweiten Lichtstrahls unterschiedlicher Frequenz mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus dem Ausgangsstrahl,
    eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Referenzstrahls mit Referenzfrequenz mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus einer Überlagerung aus dem ausgesendeten und nach Reflexion an einem Objekt empfangenen zweiten Lichtstrahl und dem Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz, und
    eine Detektionseinrichtung zur Detektion von Licht, wobei diese ausgebildet ist, ein Detektionssignal zu erzeugen, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung des Objekts bestimmbar ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen LiDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-10 bereit, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines Strahls der ersten Strahlerzeugungseinrichtung aufweist.
  • Mit anderen Worten stellt zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereit, bei der mit dem Licht einer Lichtquelle durch einen ersten optischen nichtlinearen 3-Wellenprozess zwei weitere Lichtstrahlen, Objektstrahl und Referenzstrahl, mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden. Der Referenzstrahl wird direkt gemessen, während der Objektstrahl auf das zu scannende Objekt oder in die entsprechende Region/Bereich gesendet wird. Trifft der Objektstrahl auf ein Objekt wird dieser zumindest teilweise reflektiert und das so reflektierte Licht des Objektstrahls detektiert. Das reflektierte Licht des Objektstrahls wird zusammen mit dem Lichtstrahl der Lichtquelle überlagert. Durch einen zweiten optischen nichtlinearen 3-Wellenprozess kann dann eine Änderung in dem zu detektierenden Lichtstrahl erzeugt werden. Dabei ist dann die Zeit zwischen dem erstmaligen Messen des Referenzstrahls und der Detektion einer Änderung des Anteils des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz auf Grund der Überlagerung von dem aufgenommenen Objektstrahl und dem Referenzstrahl zur Bestimmung des Objektabstandes nutzbar.
  • Einer der erzielten Vorteile ist, dass die Augensicherheit verbessert werden kann, insbesondere in dem die Sendeleistung unabhängig von der Auslegung des Detektors erhöht 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.
  • Unter dem Begriff „Black Silicon“ ist schwarzes Silizium zu verstehen.
  • Der Begriff „nicht linearer 3-Wellenprozess“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich, insbesondere in der Beschreibung, vorzugsweise in den Ansprüchen, auf einen Prozess, bei dem ein nichtlinearer optischer Effekt genutzt wird, um aus einer elektromagnetischen Welle mit einer Eingangsfrequenz zwei elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Ausgangsfrequenzen oder aus zwei elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Eingangsfrequenzen eine elektromagnetische Welle mit einer Ausgangsfrequenz zu erzeugen. Beispiele für einen nicht linearen optischen Effekt sind Frequenzverdoppelung oder der Kerr-Effekt.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ändert sich auf Grund besagter Überlagerung die Intensität des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz, insbesondere erhöht sich diese. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Detektion des Zeitpunkts der Überlagerung.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erste und/oder zweite Strahlerzeugungseinrichtung einen nicht-linearen optischen Kristall. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise ein parametrischer optischer Prozess und/oder ein nicht-linearer optischer Effekt bereitgestellt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der nicht-lineare optische Kristall aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lithiumniobat und/oder stöchiometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismutborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt. Auf diese Weise lässt sich in flexibler Weise ein nicht-linearer optischer Kristall herstellen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Strahlerzeugungseinrichtung ausgebildet, den ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozess mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz bereitzustellen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise mittels parametrischer Fluoreszenz, auch bekannt unter dem Begriff „parametric down-conversion“, zwei Lichtstrahlen erzeugt werden können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die zweite Strahlerzeugungseinrichtung ausgebildet, den zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozess mittels Differenzfrequenzerzeugung bereitzustellen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise mittels Differenzfrequenzerzeugung, auch bekannt unter dem Begriff „difference frequency generation“, zwei Lichtstrahlen erzeugt werden können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle zur Erzeugung von gepulstem Licht ausgebildet. Mittels Lichtpulsen sind einfachere, zeitaufgelöste Messungen möglich.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle mittels einer pulsförmig modulierten Stromquelle steuerbar. Damit kann die Lichtquelle auf einfache Weise gesteuert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektionseinrichtung eine Photodiode, insbesondere eine Lawinenphotodiode und/oder eine SPAD-Diode auf. Damit kann eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Detektionseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Wird eine SPAD-Diode verwendet, können einzelne Photonen detektiert werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Detektion auch bei geringer Lichtstärke.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein Absorber zumindest für Lichtstrahlen aus der zweiten Strahlerzeugungseinrichtung angeordnet. Einer der erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache und zuverlässige Weise der Lichtstrahlen aus der zweiten Strahlerzeugungseinrichtung ausgeblendet werden kann. Ebenso kann auch ein Absorber für nicht benötigtes Licht des Lasers angeordnet werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Absorber aus Black Silicon hergestellt. Damit kann Licht effektiv absorbiert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von von Objekten reflektierten Lichtstrahlen angeordnet, welche einen Frequenzfilter, insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung des ersten Lichtstrahls und zur Transmission des zweiten Lichtstrahls ausgebildet ist. Ein möglicher Vorteil ist, dass Fremdlicht zuverlässig ausgeblendet werden kann. Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des zweiten Lichtstrahls λ1+/-10nm, insbesondere λ1+/-5nm, vorzugsweise λ1+/-2,5nm, insbesondere λ1+/-1,5nm und/oder vorzugsweise λ1+/- 5%, insbesondere λ1+/- 2%, vorzugsweise λ1+/- 1% ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Zeitdifferenzmesseinrichtung angeordnet, die einen digitalen Zähler aufweist, insbesondere gesteuert durch Taktquellen mit hoher Frequenz, und/oder eine Serienschaltung mehrerer digitaler Gatter, derart, dass der Zeitpunkt einer Erzeugung eines Lichtpulses und der Zeitpunkt der Detektion des reflektierten Lichts die Zeitdifferenz bildet. Damit ist eine besonders zuverlässige Messung der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines Pulses und dem Eintreffen des vom Objekt reflektierten Lichtpulses möglich. Unter hohen Frequenzen sind hier Frequenzen im GHz-Bereich, vorzugsweise zwischen 1-300 GHz, insbesondere zwischen 5-100 GHz zu verstehen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektionseinrichtung eine nichtlineare Detektionscharakteristik auf. Damit kann eine Übersteuerung der Detektionseinrichtung vermieden werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Entfernungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Entfernung des Objekts anhand der durch die Zeitdifferenzmesseinrichtung ermittelten Zeitdifferenz angeordnet. Damit kann direkt in das Detektionssignal der ermittelte Abstand codiert werden.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • 3 eine Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    • 4 ein Referenzsignal einer Detektoreinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    • 5 Schritte eines Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems gezeigt.
  • Zunächst wird ein Laserstrahl 2 mit der Frequenz flaser bzw. der Wellenlänge λ0 , bspw. 531 nm, mittels eines Lasers 10 erzeugt. Die Leistung des Lasers 10 wird durch eine pulsförmig modulierte Stromquelle mit dem Dauerpegel l1 und dem Pulspegel l2 gesteuert. Der Laser 10 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.
  • Der Laserstrahl 2 wird einem nicht-linearen Kristall 30 zugeführt. Dieser kann aus (periodisch gepoltem) Kaliumtitanylphosphat, (periodisch gepoltem) Lithiumniobat, (periodisch gepoltem) stöchiometrischem Lithiumtantalat, Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein. Dort entsteht in einem ersten Schritt mittels parametrischer Fluoreszenz, auch parametric down-conversion genannt, ein Objektstrahl 3 mit Frequenz fobj bzw. Wellenlänge λ1 zur Detektion eines Objekts und ein Referenzstrahl 4 mit Frequenz fref bzw. Wellenlänge λ2 , bspw. λ1=1550 nm und λ2=810 nm, oder auch jede beliebige Wellenlänge zwischen 700 nm und 1600 nm, wobei die Resonanzbedingung fobj + fref = flaser, erfüllt ist. Objekt- und Referenzstrahl 3, 4 sind in diesem ersten Schritt mit der durchgezogenen Linie in 1 bezeichnet.
  • In einem zweiten Schritt werden Objekt- und Referenzstrahl 3, 4 mittels eines wellenlängenselektiven Strahlteilers 60, bspw. in Form eines dichroitischen Spiegels, räumlich getrennt.
  • Der Referenzstrahl 4 wird einem Detektor 100 zugeführt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Detektor 100 kann eine Photodiode, die die Intensität des Photonenstroms detektiert und/oder eine SPAD-Diode aufweisen, welche auf einzelne Photonen reagiert. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Lawinenphotodiode verwendet werden.
  • Der Objektstrahl 3 wird mittels einer Sendevorrichtung 68 und/oder mittels einer Ablenkvorrichtung dem Messobjekt 70 zugeführt. Das Licht des Objektstrahls 3 wird vom Messobjekt 70 - hier diffus - reflektiert und anteilig von der Empfangsoptik 67 aufgenommen. Die Empfangsoptik 67 weist einen Wellenlängenfilter 66 auf. Der Wellenlängen- oder Frequenzfilter ist vorzugsweise ein Bandpassfilter mit hoher Transmission bei λ1-1,5nm bis λ1+1,5nm und geringer Transmission bei λ2 . Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des Objektstrahls 3 λ1+/-10nm, insbesondere λ1+/-5nm, vorzugsweise λ1+/-2,5nm, insbesondere 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% ausgebildet sein.
  • Im dritten Schritt wird das Licht 5, welches von der Empfangsoptik 67 aufgenommen wurde, über die Umlenkspiegel 55, 56 und 57 wiederum dem nicht-linearen Kristall 30 zugeführt. Dort entsteht, neben der im ersten Schritt erzeugten parametrischen Fluoreszenz, durch die zusätzliche Zufuhr eines Lichtstrahls 5 der Wellenlänge λ1 wiederum ein Lichtstrahl 6 der Wellenlänge λ2 durch den Effekt der Differenzfrequenzerzeugung. Dieser Lichtstrahl 6 trifft dann im weiteren Verlauf auf den Strahlteiler 60. Der Anteil des Strahls 6 der Wellenlänge λ2 wird dem Detektor 100 zugeführt, wodurch ein Messsignal erzeugt wird.
  • In 1 sind die erzeugten Lichtstrahlen 6, 7 nach der Differenzfrequenzerzeugung durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Lichtstrahlen 3, 4, 6, 7, welche durch parametrische Fluoreszenz einerseits oder durch Differenzfrequenzerzeugung andererseits erzeugt wurden, lassen sich nicht in ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge unterscheiden. Je nach gewählter Technik zur Phasenanpassung der Lichtstrahlen, auch „phase matching“ genannt, lassen sich die Lichtstrahlen 3, 4, 6, 7 bspw. in ihrer Polarisation unterscheiden. Dies ermöglicht eine Trennung der Lichtstrahlen 3, 4, 6, 7 und der nicht benötigte Lichtstrahl 7 aus der Differenzfrequenzerzeugung mit Wellenlänge λ1 kann einem Absorber 96 zugeführt werden. Ebenso können die übrigen Photonen des Lasers 11 dem Absorber zugeführt werden.
  • Die in 1 beschriebene Vorrichtung 1 ist eine Ausführungsform eines LiDAR-Systems, welches ein Detektionssignal, das in 2 dargestellt ist, bereitstellt. 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 eines Lichtpulses t0 und dem Eintreffen des vom Objekt reflektierten Lichts tTOF ist am Detektor 100 nur die Intensität des Referenzstrahls 4 zu sehen. Zum Zeitpunkt t1 ≈ tTOF der Erzeugung des Lichtstrahls 4 der Wellenlänge λ2 durch die Differenzfrequenzerzeugung im nicht-linearen Kristall 30 ist eine Veränderung des Detektionssignals λ2 zu erwarten, wie in 2 gezeigt.
  • Die Zeitspanne zwischen der Erzeugung des Lichtpulses 3 und der Detektion des Objektes 70 kann mittels einer Zeitdifferenzmesseinrichtung 110 gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung 120 in den gesuchten Objektabstand d umgerechnet werden: d = 1 2 t TOF ⋅ c 0 ,  mit c 0 = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum .
    Figure DE102017213729B4_0001
  • Die Zeitspanne tTOF 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 bei t1 die Messung beendet.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben wird.
  • Zunächst wird ein Laserstrahl 2 mit der Frequenz flaser bzw. der Wellenlänge λ0 , bspw. 531 nm, mittels eines Lasers 10 erzeugt. Die Leistung des Lasers 10 wird durch eine pulsförmig modulierte Stromquelle mit dem Dauerpegel l1 und dem Pulspegel l2 gesteuert. Der Laser 10 emittiert entsprechend eine Dauerleistung P1, bspw. 1 mW und eine Pulsleistung P2, bspw. 50 W. Die Pulslänge beträgt typischerweise 1 ns bis 10 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 8 ns, insbesondere zwischen 4 ns und 6 ns.
  • In einem zweiten Schritt wird der Laserstrahl 2 im Strahlteiler 20 geteilt.
  • Der Laserstrahl 2 auf dem optischen Pfad A wird einem nicht-linearen Kristall 30a zugeführt. Dieser kann aus (periodisch gepoltem) Kaliumtitanylphosphat, (periodisch gepoltem) Lithiumniobat, (periodisch gepoltem) stöchiometrischem Lithiumtantalat, Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein. Dort entsteht in einem ersten Schritt mittels parametrischer Fluoreszenz der Objektstrahl 3 mit Frequenz fobj bzw. Wellenlänge λ1 und der Referenzstrahl 4 mit Frequenz fref bzw. Wellenlänge λ2 mit bspw. λ1 = 1550 nm und λ2 = 810 nm, oder auch jede beliebige Wellenlänge zwischen 700 nm und 1600 nm, wobei die Resonanzbedingung fobj + fref = flaser erfüllt ist.
  • In einem dritten Schritt auf dem ersten optischen Pfad A werden Objekt- und Referenzstrahl 3, 4 mittels eines wellenlängenselektiven Strahlteilers 60, bspw. ein dichroitischer Spiegel oder dergleichen, räumlich getrennt.
  • Der Referenzstrahl 4 kann einem Detektor 101 zugeführt und dann in ein elektrisches Referenzsignal gewandelt werden. Der Detektor 101 kann eine Photodiode, die die Intensität des Photonenstroms detektiert oder eine SPAD-Diode, welche auf einzelne Photonen reagiert, aufweisen. Letztere ermöglicht eine zuverlässige Detektion auch bei geringer Lichtstärke. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Lawinenphotodiode verwendet werden. Das im Detektor 101 gemessene Referenzsignal ist in 4 dargestellt.
  • Der Objektstrahl 3 wird dem Messobjekt 70 zugeführt. Das Licht des Objektstrahls 3 wird vom Messobjekt 70 diffus reflektiert und anteilig von der Empfangsoptik 67 aufgenommen. Die Empfangsoptik 67 weist ein Wellenlängenfilter 66 auf. Das Wellenlängen- oder Frequenzfilter 66 ist vorzugsweise ein Bandpassfilter mit hoher Transmission bei λ1-1,5nm bis λ1+1,5nm und geringer Transmission bei λ2 . Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des Objektstrahls 3 λ1+/-10nm, insbesondere λ1+/-5nm, vorzugsweise λ1+/-2,5nm, insbesondere 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% ausgebildet sein.
  • Im vierten Schritt wird das Licht, welches von der Empfangsoptik 67 aufgenommen wurde, über einen Strahlvereiniger 80 mit dem über den optischen Pfad B gelaufenen Laserstrahl 8 vereinigt und wiederum einem nicht-linearen Kristall 30b zugeführt. Dort entsteht, neben der durch den auf dem optischen Pfad A laufenden Laserstrahl 5 erzeugten parametrischen Floureszenz, durch die zusätzliche Zufuhr eines Strahls der Wellenlänge λ1 eine Intensitätserhöhung des Laserstrahls 6 der Wellenlänge λ2 basierend auf der Differenzfrequenzerzeugung. Der Anteil des Laserstrahls 6 der Wellenlänge λ2 wird dem Detektor 100 zugeführt, wodurch ein Messsignal, wie in dargestellt, entsteht. Der Anteil des Laserstrahls 7 der Wellenlänge λ1 wird nicht mehr benötigt und kann einem Absorber 96 zugeführt werden.
  • 5 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In einem ersten Schritt S1 wird Licht einer Laserquelle 10 in einen nicht-linearen optischen Kristall gesendet.
  • Dort entsteht in einem zweiten Schritt S2 mittels parametrischer Fluoreszenz, auch parametric down-conversion genannt, ein Objektstrahl mit Frequenz fobj und ein Referenzstrahl mit fref, wobei die Resonanzbedingung fobj + fref = flaser erfüllt ist. Bevorzugt liegen die Wellenlängen des Objektstrahls im Bereich 1550 nm und die Wellenlängen des Referenzstrahls im Bereich 810 nm.
  • Die Intensität des Referenzstrahls wird in einem dritten Schritt S3 mit einem Detektor 100, z. B. mit einer Photodiode, kontinuierlich gemessen.
  • In einem vierten Schritt S4 wird das detektierte optische Signal in ein elektrisches Signal gewandelt.
  • Der Objektstrahl hingegen wird mittels einer geeigneten Sendevorrichtung, bspw. einer Linsen- oder Spiegeloptik und optional mit einer Ablenkvorrichtung, z. B. einem Mikrospiegel oder einem Drehspiegel oder dergleichen, in einem fünften Schritt S5 dem Messobjekt 70 zugeführt.
  • Das Licht des Objektstrahls wird vom Messobjekt 70 in einem sechsten Schritt S6 diffus reflektiert und anteilig von einer Empfangsoptik 67 aufgenommen.
  • In einem siebten Schritt S7 wird der empfangene Objektstrahl der Frequenz fobj zusammen mit dem Laserstrahl bei Frequenz flaser wiederum dem nicht-linearen Kristall 30 zugeführt.
  • Dort entsteht in einem achten Schritt S8 durch den Effekt der Differenzfrequenzerzeugung, auch difference frequency generation genannt, ein Strahl mit der Frequenz fref.
  • Dieser Strahl wird in einem neunten Schritt S9 mit dem Referenzstrahl überlagert und mit dem im dritten Schritt S3 beschriebenen Detektor 100 gemessen. Dies führt zu einer Überhöhung der Intensität des Messsignals. Die Zeitdifferenz zwischen dem erstmaligen Messen des Referenzstrahls und dem Messen der Intensitätserhöhung dient als Messsignal zur Bestimmung des Objektabstandes.
  • Zusammenfassend wird durch die Erfindung und insbesondere durch zumindest eine der 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 schmalbandigen und winkelunabhängigen jedoch komplizierten Wellenlängenfilter verzichtet werden.
  • Darüber hinaus wird eine hohe Sensitivität ermöglicht, da ein vollständig anderer Rauschleistungspfad verwendet wird, was ein kompaktes LiDAR-System mit kleineren Linsen und ggf. mit Mikrospiegelablenkung ermöglicht. Ebenso kann das LiDAR-System auch mit optischen Phasearrays kombiniert werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte (70), wobei - mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30a) aus einem Lichtstrahl einer Lichtquelle (10) mit einer Ausgangsfrequenz (flaser) zumindest ein erster und ein zweiter Lichtstrahl erzeugt werden, die unterschiedliche Frequenz (fobj, fref) aufweisen und wobei - der erste Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz (fref) detektiert wird und wobei - der zweite Lichtstrahl mit einer Objektfrequenz (fobj) ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt (70) empfangen wird und wobei - der Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz (flaser) und der zweite Lichtstrahl mit der Objektfrequenz (fobj) überlagert werden, und wobei - mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30b) aus den beiden überlagerten Lichtstrahlen mit der Ausgangsfrequenz (flaser) und mit der Objektfrequenz (fobj) ein Referenzstrahl mit Referenzfrequenz (fref) erzeugt wird, und wobei - ein Detektionssignal erzeugt wird, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz (fref) und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung (d) des Objekts (70) bestimmbar ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei sich auf Grund besagter Überlagerung die Intensität des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) ändert, insbesondere erhöht.
  3. Sensorvorrichtung (1) zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte (70), umfassend eine Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Ausgansstrahls mit zumindest einer Ausgangsfrequenz (flaser), eine erste Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30a) zur Erzeugung zumindest eines ersten und eines zweiten Lichtstrahls unterschiedlicher Frequenz (fobj, fref) mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus dem Ausgangsstrahl (flaser) , eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30b) zur Erzeugung eines Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus einer Überlagerung aus dem ausgesendeten und nach Reflexion an einem Objekt (70) empfangenen zweiten Lichtstrahl (fobj) und dem Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz (flaser), und eine Detektionseinrichtung (100) zur Detektion von Licht, wobei diese ausgebildet ist, ein Detektionssignal zu erzeugen, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz (fref) und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung (d) des Objekts (70) bestimmbar ist.
  4. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die erste und/oder zweite Strahlerzeugungseinrichtung (30a, 30b) einen nicht-linearen optischen Kristall umfasst, wobei der nicht-lineare optische Kristall (30) aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lihtiumniobat, und/oder stöchiometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein kann.
  5. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-4, wobei die erste Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30a) ausgebildet ist, den ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozess mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz bereitzustellen.
  6. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-5, wobei die zweite Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30b) ausgebildet ist, den zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozess mittels Differenzfrequenzerzeugung bereitzustellen.
  7. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-6, wobei ein Absorber (96) zumindest für Lichtstrahlen aus der zweiten Strahlerzeugungseinrichtung (30b) angeordnet ist, der aus Black Silicon hergestellt sein kann.
  8. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-7, wobei eine Empfangseinrichtung (67) zum Empfangen von von Objekten reflektierten Lichtstrahlen angeordnet ist, welche einen Frequenzfilter (66), insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung des ersten Lichtstrahls (fref) und zur Transmission des zweiten Lichtstrahls (fobj) ausgebildet ist.
  9. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-8, wobei eine Zeitdifferenzmesseinrichtung (110) angeordnet ist, die einen digitalen Zähler, insbesondere gesteuert durch Taktquellen mit hoher Frequenz, aufweist und/oder eine Serienschaltung mehrerer digitaler Gatter, derart, dass der Zeitpunkt (t0) einer Erzeugung eines Lichtpulses und der Zeitpunkt (t1) der Detektion des reflektierten Lichts die Zeitdifferenz bildet.
  10. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-9, wobei die Detektionseinrichtung (100) eine nicht-lineare Detektionscharakteristik aufweist.
  11. LiDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-10, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines Strahls der ersten Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30a) aufweist.
DE102017213729.0A 2017-08-08 2017-08-08 Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte Active DE102017213729B4 (de)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017213729.0A DE102017213729B4 (de) 2017-08-08 2017-08-08 Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte
JP2020507106A JP6833105B2 (ja) 2017-08-08 2018-07-30 被検出物体に検出信号を提供する方法
KR1020207006507A KR102642209B1 (ko) 2017-08-08 2018-07-30 검출될 대상물에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 방법
PCT/EP2018/070589 WO2019030041A1 (de) 2017-08-08 2018-07-30 Verfahren zur bereitstellung eines detektionssignals für zu detektierende objekte
CN201880065523.0A CN111194415B (zh) 2017-08-08 2018-07-30 用于为待探测的对象提供探测信号的方法
EP18749341.6A EP3665504A1 (de) 2017-08-08 2018-07-30 Verfahren zur bereitstellung eines detektionssignals für zu detektierende objekte
US16/636,496 US11703568B2 (en) 2017-08-08 2018-07-30 Method for providing a detection signal for objects to be detected

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017213729.0A DE102017213729B4 (de) 2017-08-08 2017-08-08 Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102017213729A1 DE102017213729A1 (de) 2019-02-14
DE102017213729B4 true DE102017213729B4 (de) 2020-12-24

Family

ID=63079912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017213729.0A Active DE102017213729B4 (de) 2017-08-08 2017-08-08 Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11703568B2 (de)
EP (1) EP3665504A1 (de)
JP (1) JP6833105B2 (de)
KR (1) KR102642209B1 (de)
CN (1) CN111194415B (de)
DE (1) DE102017213729B4 (de)
WO (1) WO2019030041A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11609182B2 (en) * 2019-06-10 2023-03-21 CACI, Inc.—Federal Multi-stage nonlinear process for efficient wavelength conversion
CN111781577B (zh) * 2020-06-08 2023-12-22 维沃移动通信有限公司 光线检测方法、光线检测装置和电子设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070002307A1 (en) * 2004-03-24 2007-01-04 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. Entangled-photons range finding system and method
US7280186B1 (en) * 2005-02-10 2007-10-09 Hrl Laboratories, Llc High resolution chirped/AM optical FM laser radar

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2834660A1 (de) * 1978-08-08 1980-02-21 Honeywell Gmbh Laser-entfernungsmesser
JPH0814522B2 (ja) * 1989-02-27 1996-02-14 浜松ホトニクス株式会社 光ファイバ障害点探索方法および装置
US5150248A (en) * 1989-07-21 1992-09-22 Alfano Robert R Terahertz repetition rate optical computing systems, and communication systems and logic elements using cross-phase modulation based optical processors
KR940011331B1 (ko) 1992-03-18 1994-12-05 한국과학기술원 비선형 결정을 이용한 레이저 거리 측정기
US7408637B2 (en) * 2004-03-24 2008-08-05 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. Entangled photon spectroscopy for stand-off detection and characterization
WO2008083445A1 (en) * 2007-01-12 2008-07-17 The Australian National University Optical analysis system and method
DE102007032997A1 (de) 2007-07-16 2009-01-22 Robert Bosch Gmbh Fahrerassistenzvorrichtung
JP2010085205A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Topcon Corp レーザ装置および距離測定装置
DE202009015194U1 (de) 2009-11-07 2010-02-18 Sick Ag Sicherheitsscanner
CN101846745B (zh) * 2010-05-07 2012-12-26 浙江大学 基于强关联量子成像原理的激光雷达
US8761606B2 (en) 2010-09-29 2014-06-24 Raytheon Bbn Technologies Corp. Systems and methods for quantum illumination detection for optical communications and target detection
US10119816B2 (en) * 2012-11-21 2018-11-06 Nikon Metrology Nv Low drift reference for laser radar
CN103591893B (zh) * 2013-10-21 2016-06-08 西安交通大学 实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法
ES2694589T3 (es) 2013-12-19 2018-12-21 Universität Wien Obtención de imágenes cuántica con fotones no detectados
JP6697758B2 (ja) * 2014-09-03 2020-05-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 測定システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070002307A1 (en) * 2004-03-24 2007-01-04 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. Entangled-photons range finding system and method
US7280186B1 (en) * 2005-02-10 2007-10-09 Hrl Laboratories, Llc High resolution chirped/AM optical FM laser radar

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020530902A (ja) 2020-10-29
DE102017213729A1 (de) 2019-02-14
KR20200035117A (ko) 2020-04-01
EP3665504A1 (de) 2020-06-17
CN111194415B (zh) 2023-10-31
KR102642209B1 (ko) 2024-03-04
WO2019030041A1 (de) 2019-02-14
JP6833105B2 (ja) 2021-02-24
US11703568B2 (en) 2023-07-18
US20200386859A1 (en) 2020-12-10
CN111194415A (zh) 2020-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3415950B1 (de) Distanzmesser mit spad-anordnung und range walk kompensation
DE102017101501B3 (de) Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts in einem Überwachungsbereich
EP3324203B1 (de) Laserdistanzmessmodul mit polarisationsanalyse
EP2558883B1 (de) Entfernungsmessgerät mit homogenisierender messauswertung
EP3139133B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur ortsaufgelösten messung von temperatur und/oder dehnung mittels brillouin-streuung
EP2486370B1 (de) Optisches entfernungsmessgerät mit kalibrierungseinrichtung
EP1405037B1 (de) Vorrichtung zur optischen distanzmessung über einen grossen messbereich
EP3155450A1 (de) Fahrzeug-lidar-system
EP3438699A1 (de) Distanzmesser mit spad-anordnung zur berücksichtigung von mehrfachzielen
EP2910969A1 (de) Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Objekterfassung in einem Überwachungsbereich
DE102006013290A1 (de) Vorrichtung zur optischen Distanzmessung sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung
DE102015103139B3 (de) Verteilte optische Messvorrichtungen und Verfahren zum Ausführen einer Messung
DE102007055771A1 (de) Laserdistanzmesser
EP1176430B1 (de) Optoelektronische Vorrichtung
DE102017213729B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte
DE202014100836U1 (de) Optoelektronischer Sensor zur Objekterfassung in einem Überwachungsbereich
DE102018116481B3 (de) 3D-Lichtlaufzeitkamera und Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler Bilddaten
EP3654056A1 (de) Sensor und verfahren zur erfassung von objekten
DE102017209748B4 (de) Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte
EP0908030A1 (de) Vorrichtung zum empfang optischer signale mit einem lichtleitenden gegenstand
DE102016121395A1 (de) Sensoranordnung
EP3417299B1 (de) Spektrumanalysator und verfahren zur spektralanalyse
DE102014009167A1 (de) Terahertzsystem
DE102019106411B4 (de) Laserscaneinrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung einer Szenerie in großer Entfernung
DE102019211680A1 (de) Optisches System

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final