DE102018117792A1

DE102018117792A1 - Device for spatially resolved distance and / or speed determination of an object

Info

Publication number: DE102018117792A1
Application number: DE102018117792.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Westphal; Frank Höller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30
Also published as: WO2020020799A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten -und/oder Geschwindigkeitsermittlung eines Objekts, mit wenigstens einer Lichtquelle (201, 301) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes und/oder einer Geschwindigkeit des Objekts (210, 310) auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Messsignals, einer AWG-Anordnung (100, 205, 305, 1010), welche eine Mehrzahl von AWG's aufweist, wobei jedes dieser AWG's eine frequenzselektive Verteilung des Messsignals auf eine zu dem jeweiligen AWG gehörende Mehrzahl von Ausgangskanälen bewirkt, und einem Abbildungssystem (206, 306, 1020) zur optischen Abbildung dieser Ausgangskanäle auf das Objekt (210, 310).The invention relates to a device for spatially resolved and / or speed determination of an object, with at least one light source (201, 301) for emitting an optical signal with a time-varying frequency, an evaluation device for determining a distance and / or a speed of the object (210, 310) on the basis of a measurement signal resulting from the signal, reflected or scattered on the object, an AWG arrangement (100, 205, 305, 1010) which has a plurality of AWGs, each of these AWGs having a frequency-selective distribution of the measurement signal over a causes a plurality of output channels belonging to the respective AWG, and an imaging system (206, 306, 1020) for the optical imaging of these output channels on the object (210, 310).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung eines Objekts. Die Vorrichtung kann zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.The invention relates to a device for spatially resolved distance and / or speed determination of an object. The device can be used to determine distances between both moving and still objects and in particular to determine the topography or shape of a spatially extended three-dimensional object.

Stand der TechnikState of the art

Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.For optical distance measurement of objects, a measuring principle also known as LIDAR is known, in which an optical signal whose frequency has changed over time is emitted towards the object in question and evaluated after back-reflection on the object.

Unter Objekt kann im Folgenden auch eine komplexe räumliche Szenerie, z.B. im Straßenverkehr, zu verstehen sein. Mithin kann das Objekt also auch aus vielen Einzelobjekten mit unterschiedlichen Distanzen und Geschwindigkeiten bestehen.A complex spatial scenery, e.g. in traffic, to be understood. The object can therefore also consist of many individual objects with different distances and speeds.

12a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 1210 ausgesandtes Signal 1211 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel erfolgt. Von dem Begriff „Licht“ ist in diesem Zusammenhang auch nicht sichtbare Strahlung umfasst. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 1250 gekoppelt und an einem Detektor 1260 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 1222 ohne Reflexion an dem mit „1240“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 1250 und zum Detektor 1260 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 1250 bzw. am Detektor 1260 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 1221 über einen optischen Zirkulator 1220 und einen Scanner 1230 zum Objekt 1240, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 1222 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 1250 und zum Detektor 1260. 12a shows only a schematic representation of a known basic structure, in which one of a light source 1210 emitted signal 1211 is split into two partial signals at a frequency which has changed over time (also referred to as “chirp”), this split taking place, for example, via a partially transparent mirror (not shown). In this context, the term “light” also includes invisible radiation. The two partial signals are via a signal coupler 1250 coupled and to a detector 1260 superimposed on one another, the first partial signal being the reference signal 1222 without reflection on the with " 1240 “Designated object to the signal coupler 1250 and to the detector 1260 arrives. The second on the signal coupler 1250 or at the detector 1260 incoming partial signal, however, runs as a measurement signal 1221 via an optical circulator 1220 and a scanner 1230 to the object 1240 , is reflected back by it and thus comes in comparison to the reference signal 1222 with a time delay and correspondingly changed frequency to the signal coupler 1250 and to the detector 1260 ,

Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 1260 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 12b dargestellte Differenzfrequenz 1231 zwischen Messsignal 1221 und Referenzsignal 1222 charakteristisch für den Abstand des Objekts 1240 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 ist. Gemäß 12b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 1240 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 1210 ausgesandten Signals 1211 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 1210 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.The detector detects this via an evaluation device (not shown) 1260 delivered detector signal relative to the measuring device or the light source 1210 evaluated, the one recorded at a certain point in time in the diagram of 12b difference frequency shown 1231 between measurement signal 1221 and reference signal 1222 characteristic of the distance of the object 1240 from the measuring device or the light source 1210 is. According to 12b can be used to obtain additional information regarding the relative speed between the object 1240 and the measuring device or the light source 1210 the time-dependent frequency response of the light source 1210 emitted signal 1211 also be such that there are two sections in which the time derivative of the light source 1210 generated frequency is opposite to each other.

Alternativ zu diesem interferometrischen, auf Frequenzmodulation basierenden LIDAR-Messverfahren sind auch LIDAR-Messverfahren bekannt, die auf der direkten Messung der Laufzeit von Strahlungspulsen beruhen. Die vorliegende Erfindung ist für beide LIDAR-Messverfahren nutzbar.As an alternative to this interferometric LIDAR measurement method based on frequency modulation, LIDAR measurement methods are also known which are based on the direct measurement of the transit time of radiation pulses. The present invention can be used for both LIDAR measurement methods.

In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren. Dabei ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung weiter wünschenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren.In practice, there is a need, even for objects that are at a greater distance (possibly also moving), which are e.g. In order for vehicles to be able to act in road traffic, the most accurate and reliable distance measurement possible. In view of the highest possible reliability and service life of the device for determining the distance, it is further desirable to avoid or minimize the use of moving components such as scanning or deflecting mirrors when scanning the respective object.

Dabei beinhaltet ein möglicher Ansatz den Einsatz eines AWG (= „Arrayed Waveguide Grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“). Der Einsatz eines solchen AWG ist insofern vorteilhaft, als eine (wafer-)integrierte und somit besonders kompakte Bauweise ermöglicht wird. Aufgrund der dispersiven Wirkung des AWG können die im von der Lichtquelle ausgesandten Licht vorhandenen, unterschiedliche Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen räumlich getrennt und mit unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden.One possible approach involves the use of an AWG (= "Arrayed Waveguide Grating" = "Waveguide Structure Array"). The use of such an AWG is advantageous in that an (wafer) integrated and thus particularly compact design is made possible. Due to the dispersive effect of the AWG, the partial beams present in the light emitted by the light source and having different frequencies can be spatially separated and directed onto the object at different angles.

In der Praxis besteht je nach Anwendung der Bedarf nach Realisierung eines möglichst großen Sichtfeldes (FOV = Field of View“), welches ortsaufgelöst von dem jeweiligen Messstrahl „abzurastern“ ist. So erfordert beispielsweise der Einsatz im Straßenverkehr eine zweidimensionale Ortsauflösung (senkrecht zur Messstrahlrichtung) von N * M Messpunkten bzw. Pixeln, wobei N und M jeweils vorzugsweise größer als 100 sein sollten.In practice, depending on the application, there is a need for realizing the largest possible field of view (FOV = Field of View), which must be "scanned" by the respective measuring beam in a spatially resolved manner. For example, use in road traffic requires a two-dimensional spatial resolution (perpendicular to the measurement beam direction) of N * M measurement points or pixels, N and M each preferably being greater than 100.

Hierbei ergibt sich in der Praxis das Problem, dass einerseits die erreichbaren Winkelauflösungen eines AWG begrenzt sind, andererseits aber auch mechanische Scan-Verfahren z.B. aufgrund der Massenträgheit bzw. des zu langsamen Reaktionsvermögens von hierbei eingesetzten Spiegeln zur Abdeckung der erforderlichen Winkelbereiche von mehreren zehn Grad nicht in der Lage sind.In practice, this results in the problem that on the one hand the achievable angular resolutions of an AWG are limited, but on the other hand also mechanical scanning methods, for example due to the inertia or the too slow reactivity of mirrors used here Covering the required angular ranges of several tens of degrees are unable.

Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2018/024246 A1 sowie WO 2018/107237 A1 verwiesen.The state of the art is only given as an example US 2018/024246 A1 such as WO 2018/107237 A1 directed.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehr als 100m) befindliches Objekt und unter Realisierung hinreichend großer Sichtfelder eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung ermöglicht.Against the above background, it is an object of the present invention to provide a device for spatially resolved distance and / or speed determination of an object, which is also suitable for an object located at a comparatively large distance (for example, more than 100 m) and with a sufficiently large field of vision enables the most accurate and reliable distance measurement possible.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of independent claim 1.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur ortsaufgelösten Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung eines Objekts weist auf

- wenigstens eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz,
- eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes und/oder einer Geschwindigkeit des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Messsignals,
- eine AWG-Anordnung, welche eine Mehrzahl von AWG's aufweist, wobei jedes dieser AWG's eine frequenzselektive Verteilung des Messsignals auf eine zu dem jeweiligen AWG gehörende Mehrzahl von Ausgangskanälen bewirkt, und
- ein Abbildungssystem zur optischen Abbildung dieser Ausgangskanäle auf das Objekt.

A device according to the invention for spatially resolved distance and / or speed determination of an object has

at least one light source for emitting an optical signal with a time-varying frequency,
an evaluation device for determining a distance and / or a speed of the object on the basis of a measurement signal resulting from the signal, reflected or scattered on the object,
an AWG arrangement which has a plurality of AWGs, each of these AWGs causing a frequency-selective distribution of the measurement signal to a plurality of output channels belonging to the respective AWG, and
- An imaging system for the optical imaging of these output channels on the object.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, zur Realisierung eines möglichst großen Sichtfeldes (FOV) mit hoher zweidimensionaler Ortsauflösung eine AWG-Anordnung aus einer Mehrzahl von AWGs zu verwenden und die von diesen AWGs aufgrund der dispersiven Wirkung erzeugten, räumlich voneinander separierten Ausgangskanäle über ein Abbildungssystem auf das hinsichtlich seines Abstandes sowie ggf. seiner Geschwindigkeit zu vermessende Objekt abzubilden. Insbesondere beinhaltet die Erfindung hierbei das Konzept, eine Mehrzahl von AWG's zum Erhalt einer zweidimensionalen Anordnung von Ausgangskanälen zu stapeln, wobei diese Ausgangskanäle in einer durch das Abbildungssystem auf das Objekt projizierbaren Fläche liegen.The invention is based in particular on the concept of using an AWG arrangement comprising a plurality of AWGs to achieve the largest possible field of view (FOV) with high two-dimensional spatial resolution, and the spatially separated output channels generated by these AWGs due to the dispersive effect via an imaging system to be mapped onto the object to be measured with regard to its distance and possibly its speed. In particular, the invention includes the concept of stacking a plurality of AWGs in order to obtain a two-dimensional arrangement of output channels, these output channels lying in a surface that can be projected onto the object by the imaging system.

Aus der erfindungsgemäßen Bereitstellung der vorstehend beschriebenen AWG-Anordnung ergibt sich zunächst die Möglichkeit, während der ortsaufgelösten Abstandsermittlung zum einen die den einzelnen AWG's zugehörigen Ausgangskanäle und zum anderen die unterschiedlichen AWG's der AWG-Anordnung selbst abzuarbeiten, wobei die Abarbeitung der AWG's wie im Weiteren beschrieben entweder sequentiell (d.h. zeitlich aufeinanderfolgend) oder auch zumindest teilweise simultan (d.h. unter Realisierung eines entsprechenden Parallelisierungsgrades) erfolgen kann.From the provision of the AWG arrangement described above, according to the invention, it is first possible to process the output channels associated with the individual AWGs and the different AWGs of the AWG arrangement itself during the spatially resolved distance determination, the processing of the AWGs as described below can be done either sequentially (ie sequentially in time) or at least partially simultaneously (ie with a corresponding degree of parallelization).

Was zunächst die sequentielle Abarbeitung der AWG's betrifft, so kann diese wiederum in unterschiedlicher Weise realisiert werden:

Eine erste Realisierungsmöglichkeit der sequentiellen Abarbeitung der AWG's besteht in dem Einsatz eines zusätzlichen, bezogen auf den Licht- bzw. Signalweg vorgeschalteten AWG's. Dabei können Wellenlängenbereich und Auflösung dieses zusätzlichen vorgeschalteten AWG's so gewählt werden, dass jeder der von diesem vorgeschalteten AWG durch die dispersive Wirkung erzeugten Ausgangskanäle gerade jeweils ein AWG der nachfolgenden AWG-Anordnung „abdeckt“ mit der Folge, dass mit der Frequenzdurchstimmung der Lichtquelle auch das zusätzliche vorgeschaltete AWG automatisch hinsichtlich des weiteren Lichtweges zwischen den AWG's der AWG-Anordnung sequentiell umschaltet. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass weiterhin auf den Einsatz grundsätzlich unerwünschter, mechanisch beweglicher Komponenten wie Ablenkspiegel oder dergleichen verzichtet wird, wobei im Gegenzug ein vergleichsweise großer erforderlicher Durchstimmbereich der Lichtquelle in Kauf genommen wird.

As far as the sequential processing of the AWGs is concerned, this can in turn be implemented in different ways:

A first possibility of realizing the sequential processing of the AWGs consists in the use of an additional AWG, based on the light or signal path. The wavelength range and resolution of this additional upstream AWG can be selected so that each of the output channels generated by this upstream AWG “covers” one AWG of the following AWG arrangement due to the dispersive effect, with the result that the frequency tuning of the light source also does that additional upstream AWG automatically switches sequentially with respect to the further light path between the AWGs of the AWG arrangement. Such an embodiment has the advantage that the use of fundamentally undesirable, mechanically movable components such as deflecting mirrors or the like is also dispensed with, in return for which a comparatively large required tuning range of the light source is accepted.

In weiteren Ausführungsformen kann ein sequentielles Abarbeiten der Mehrzahl von AWG's der AWG-Anordnung auch unter Verwendung wenigstens eines beweglichen optischen Elements erfolgen, wobei dieses bewegliche Element z.B. nach vollständigem Abarbeiten eines AWG's der AWG-Anordnung (also z.B. nach jedem „Vertikalscan“) die Lichtleistung in ein weiteres AWG der AWG-Anordnung (bzw. in den entsprechenden Eingangslichtleiter) einkoppelt. Dieses bewegliche optische Element kann lediglich beispielhaft als Lichtleitfaser ausgestattet sein, welche mit Hilfe eines (z.B. piezoelektrischen) Antriebs von einem Eingangslichtleiter der AWG-Anordnung zum nächsten Eingangslichtleiter der AWG-Anordnung verschoben wird.In further embodiments, the plurality of AWGs of the AWG arrangement can also be processed sequentially using at least one movable optical element, this movable element being e.g. after complete processing of an AWG of the AWG arrangement (e.g. after each "vertical scan"), the light output is coupled into another AWG of the AWG arrangement (or into the corresponding input light guide). This movable optical element can be equipped, for example, as an optical fiber, which is shifted from one input light guide of the AWG arrangement to the next input light guide of the AWG arrangement with the aid of a (e.g. piezoelectric) drive.

In weiteren Ausführungsformen kann das bewegliche optische Element auch eine verkippbare oder verschiebbare reflektive oder refraktive Komponente wie z.B. einen Spiegel, eine Linse, ein Prisma oder eine Kombination aus diesem Komponenten umfassen, um durch Verkippen bzw. Verschieben dieser Komponente eine variable Einkopplung in unterschiedliche Eingangslichtleiter der AWG-Anordnung zu realisieren. Bei dieser Ausgestaltung kann eine unerwünschte Vergrößerung des erforderlichen Durchstimmbereichs der Lichtquelle vermieden werden, wobei im Gegenzug der Einsatz besagter mechanisch beweglicher Komponente in Kauf genommen wird.In further embodiments, the movable optical element can also be a tiltable or displaceable reflective or refractive component such as, for example, a mirror, a lens Prism or a combination of these components to achieve a variable coupling into different input light guides of the AWG arrangement by tilting or moving this component. With this configuration, an undesired increase in the required tuning range of the light source can be avoided, the use of said mechanically movable component being accepted in return.

Was die vorstehend ebenfalls erwähnte simultane Verteilung des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes auf die AWG's der erfindungsgemäßen AWG-Anordnung betrifft, so kann hierbei durch entsprechende Aufteilung der Lichtleistung bzw. Laserleistung ein gleichzeitiges „Bedienen“ mehrerer oder sämtlicher AWG's der AWG-Anordnung mit Licht erfolgen, wobei den betreffenden AWG's wiederum jeweils separate Detektoren zur Erfassung des aus dem jeweiligen Messsignal und dem Referenzsignal erzeugten Überlagerungssignals zugeordnet sein können. Diese Ausgestaltung hat zum einen den Vorteil eines hohen Parallelisierungsgrades und eines dementsprechend vergleichsweise schnellen zweidimensionalen Messvorganges bei zugleich vermeidbarer Erhöhung des Durchstimmbereiches der Lichtquelle, wobei jedoch neben der erforderlichen hohen Lichtleistung der Lichtquelle auch der durch die Bereitstellung einer Mehrzahl von Detektoren erhöhte konstruktive Aufwand in Kauf genommen wird.As far as the above-mentioned simultaneous distribution of the light generated by the light source to the AWGs of the AWG arrangement according to the invention is concerned, a corresponding “distribution” of the light power or laser power can simultaneously “operate” several or all of the AWGs of the AWG arrangement with light , the respective AWGs in turn each having separate detectors for detecting the superimposition signal generated from the respective measurement signal and the reference signal. On the one hand, this configuration has the advantage of a high degree of parallelization and, accordingly, a comparatively fast two-dimensional measurement process with an avoidable increase in the tuning range of the light source, but in addition to the required high light output of the light source, the increased design effort due to the provision of a plurality of detectors is also accepted becomes.

In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung ferner ein Ablenkelement auf, über welches der jeweilige Winkel, unter dem Licht von den AWG's der AWG-Anordnung zu dem Objekt gelenkt wird, variierbar ist. Der Einsatz eines solchen Ablenkelements als „Strahlablenker“, welches als mechanisch bewegliches Ablenkelement oder auch als phasenoptisches Ablenkelement realisiert werden kann, hat den Vorteil, dass die durch die AWG-Anordnung gegebenenfalls erzeugte lückenhafte Anordnung von Pixeln bzw. Laserspots über besagten Strahlablenker gefüllt werden kann, indem eine räumliche Distanz zwischen den einzelnen AWGs der AWG-Anordnung bei der optischen Abbildung der Ausgangskanäle auf das Objekt überbrückt wird.In embodiments of the invention, the device also has a deflection element, via which the respective angle at which light is directed from the AWGs of the AWG arrangement to the object can be varied. The use of such a deflection element as a “beam deflector”, which can be implemented as a mechanically movable deflection element or also as a phase-optical deflection element, has the advantage that the incomplete arrangement of pixels or laser spots possibly generated by the AWG arrangement can be filled via said beam deflector by bridging a spatial distance between the individual AWGs of the AWG arrangement in the optical imaging of the output channels on the object.

Im Ergebnis kann so zum einen die Anzahl von in der erfindungsgemäßen AWG-Anordnung eingesetzten AWG's auch bei Erzeugung eines großen Sichtfeldes (FOV) mit hinreichend hoher Auflösung auf ein akzeptables Maß reduziert werden, wobei zum anderen ausgenutzt werden kann, dass die mit besagtem Strahlablenker zu realisierenden Winkelbereiche mit Werten von größenordnungsmäßig 1° vergleichsweise gering sind.As a result, the number of AWGs used in the AWG arrangement according to the invention can be reduced to an acceptable level with a sufficiently high resolution even when generating a large field of view (FOV), and on the other hand it can be exploited that the beam deflector with said realizing angular ranges with values of the order of 1 ° are comparatively small.

Letztlich wird bei dieser Ausgestaltung somit bei vergleichsweise starker Begrenzung der Anzahl eingesetzter AWG's einerseits sowie der Verkipp- bzw. Verstellwege mechanisch beweglicher Komponenten andererseits durch die kombinierte Wirkung dieser Komponenten ein vergleichsweise großes Sichtfeld mit hoher Ortsauflösung realisierbar.Ultimately, with this configuration, with a comparatively strong limitation of the number of AWGs used, on the one hand, and the tilting or adjustment paths of mechanically movable components, on the other hand, the combined effect of these components enables a comparatively large field of view with a high spatial resolution.

In Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der AWG-Anordnung und dem Abbildungssystem wenigstens ein Aufspreizelement zur Vergrößerung des Abstandes zwischen den von jeweils einem AWG erzeugten Ausgangskanälen vorgesehen sein. Durch den Einsatz eines solchen Aufspreizelements können die durch die AWG-Anordnung bereitgestellten Ausgangskanäle räumlich auseinandergezogen werden mit der Folge, dass an das Abbildungssystem zur optischen Abbildung dieser Ausgangskanäle auf das Objekt vergleichsweise geringere (Vergrößerungs-) Anforderungen gestellt werden müssen. Das besagte Aufspreizelement kann z.B. durch zusätzliche Wellenleiter realisiert werden, welche in Ausführungsformen auch bereits in den zur Ausbildung der AWG's der AWG-Anordnung strukturierten Wafer integriert sein können.In embodiments of the invention, at least one expansion element can be provided between the AWG arrangement and the imaging system in order to enlarge the distance between the output channels generated by one AWG each. By using such a spreading element, the output channels provided by the AWG arrangement can be spatially separated, with the result that comparatively lower (magnification) requirements have to be made of the imaging system for the optical imaging of these output channels on the object. Said spreading element can e.g. can be realized by additional waveguides, which in embodiments can also be integrated in the wafer structured to form the AWGs of the AWG arrangement.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Abbildungssystem als Zoom-Objektiv mit variabel einstellbarem Sichtfeld ausgestaltet. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in der Praxis eine flexible Anpassung der Vorrichtung (z.B. an die jeweilige Verkehrssituation bzw. Geschwindigkeit) erfolgen kann.According to one embodiment, the imaging system is designed as a zoom lens with a variably adjustable field of view. Such an embodiment has the advantage that, in practice, the device can be flexibly adapted (e.g. to the respective traffic situation or speed).

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung auf interferometrische Weise.According to one embodiment, the distance and / or speed is determined in an interferometric manner.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung durch Laufzeitmessungen.According to one embodiment, the distance and / or speed is determined by transit time measurements.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further refinements of the invention can be found in the description and the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the accompanying figures.

Figurenlistelist of figures

Es zeigen:

1a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten AWG-Anordnung;
2-3 schematische Darstellungen des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in beispielhaften Ausführungsformen;
4-5 schematische Darstellungen möglicher Durchstimmschemata im Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines in Kombination mit einer AWG-Anordnung gemäß der Erfindung einsetzbaren Aufspreizelements;
7 eine schematische Darstellung eines möglichen Durchstimmschemas bei Einsatz des Aufspreizelements von 6;
8a-8b Diagramme zur Erläuterung eines im Rahmen der Erfindung verwendbaren Gauß‘schen-Messstrahls (8a) bzw. das Ergebnis einer hierfür durchgeführten Simulationsrechnung (8b);
9 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer möglichen Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Straßenverkehr;
10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Verwendung eines zusätzlichen optischen Ablenkelements;
11 eine schematische Darstellung eines in einer weiteren Ausführungsform der für die Erfindung einsetzbaren Abbildungssystems; und
12a-12b schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung.

Show it:

1a-b schematic representations to explain the possible structure of an AWG arrangement used in a device according to the invention;
2-3 schematic representations of the structure of a device according to the invention in exemplary embodiments;
4-5 schematic representations of possible tuning schemes in the operation of a device according to the invention;
6 is a schematic representation of the structure of a spreading element that can be used in combination with an AWG arrangement according to the invention;
7 a schematic representation of a possible tuning scheme when using the spreading element of 6 ;
8a-8b Diagrams for explaining a Gaussian measuring beam that can be used in the context of the invention ( 8a ) or the result of a simulation calculation performed for this ( 8b );
9 a diagram illustrating a possible application of the device according to the invention in road traffic;
10 a schematic representation of a further embodiment of the invention using an additional optical deflection element;
11 is a schematic representation of a in a further embodiment of the imaging system used for the invention; and
12a-12b schematic representations to explain the structure and mode of operation of a conventional device for determining the distance.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Im Folgenden werden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandsermittlung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1 bis 11 beschrieben.Embodiments of a device according to the invention for spatially resolved distance determination are described below with reference to the schematic representations in 1 to 11 described.

Den diversen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass zur Realisierung eines möglichst großen Sichtfeldes eine AWG-Anordnung aus einer Mehrzahl von AWG's verwendet wird, wobei die durch die dispersive Wirkung dieser AWG's durch frequenzselektive Verteilung des Messsignals erzeugte Mehrzahl von räumlich voneinander getrennten Ausgangskanälen über ein Abbildungssystem auf die hinsichtlich ihrer Abstände zu vermessenden Objekte abgebildet wird. Die Abbildung kann dabei auch im Unendlichen liegen, so dass für jeden AWG-Ausgangskanal ein weitgehend kollimiertes Messstrahlenbündel ausgesendet wird.A common feature of the various embodiments is that an AWG arrangement comprising a plurality of AWGs is used to achieve the largest possible field of view, the plurality of spatially separated output channels generated by the dispersive effect of these AWGs by frequency-selective distribution of the measurement signal via an imaging system with regard to their distances from objects to be measured. The image can also be infinite, so that a largely collimated measuring beam is emitted for each AWG output channel.

Die Ansicht von 1a zeigt zunächst in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Aufbau eines einzelnen AWG, welchem über einen Eingangslichtleiter 101 elektromagnetische Strahlung mit zeitlich variierender Frequenz von einer (in 1a-1b nicht dargestellten) Lichtquelle zugeführt wird. Die Strahlung tritt über einen ersten Freistrahlbereich 102 in die AWG-Wellenleiter 103 unterschiedlicher Länge ein und interferiert am Ende eines zweiten Freistrahlbereichs 104 aufgrund der in den Wellenleitern 103 bewirkten unterschiedlichen Phasenverzögerungen konstruktiv an unterschiedlichen Orten. Entsprechend der spektralen Auflösung des AWG's wird somit am Ausgang eine Vielzahl M von Ausgangskanälen bereitgestellt (wobei M vorzugsweise wenigstens 10 beträgt und in Ausführungsformen der Erfindung wenigstens 100 betragen kann).The view from 1a first shows in a highly simplified schematic representation the structure of a single AWG, which via an input light guide 101 electromagnetic radiation with a time-varying frequency of one (in 1a-1b (not shown) light source is supplied. The radiation passes over a first free radiation area 102 into the AWG waveguide 103 of different lengths and interferes at the end of a second free jet area 104 due to that in the waveguides 103 caused different phase delays constructively at different locations. According to the spectral resolution of the AWG, there is a large number of outputs M provided by output channels (where M preferably at least 10 is and at least in embodiments of the invention 100 can be).

Erfindungsgemäß wird nun gemäß 1b nicht lediglich ein AWG, sondern ein Stapel aus einer Mehrzahl von N AWG's eingesetzt, wobei wiederum N beispielsweise 5 betragen kann. Im Hinblick auf die angestrebte hohe Ortsauflösung bei großem Sichtfeld (FOV) kann für N ein möglichst hoher Wert gewählt werden, wobei jedoch unter fertigungstechnologischen Aspekten oder aus Kostengründen auch ein geringerer Wert von N (z.B. N = 2) gewählt werden kann. Die Anzahl N bestimmt bei den meisten Ausführungsbeispielen den Parallelisierungsgrad der LIDAR-Messungen, welcher somit in weiten Grenzen wählbar ist.According to the invention is now according to 1b not just an AWG, but a stack of a plurality of N AWG's, again N can be, for example, 5. In view of the desired high spatial resolution with a large field of view (FOV) can for N the highest possible value can be selected, but a lower value of N (for example N = 2) can also be selected from the point of view of production technology or for cost reasons. In most exemplary embodiments, the number N determines the degree of parallelization of the LIDAR measurements, which can therefore be selected within wide limits.

Infolge der in 1b angedeuteten gestapelten Anordnung der AWG's ergibt sich im Ausführungsbeispiel eine matrixartige Anordnung von N * M Ausgangskanälen, wobei die einzelnen, jeweils zu einem AWG gehörigen Gruppen von M Ausgangskanälen in 1b mit „110a“, „110b“, „110c“, ... bezeichnet sind.As a result of the in 1b The indicated stacked arrangement of the AWGs results in the exemplary embodiment in a matrix-like arrangement of N * M output channels, the individual groups of M output channels each belonging to an AWG in 1b With " 110a "," 110b "," 110c “, ... are designated.

Die Erfindung ist hinsichtlich der Anordnung der Ausgangskanäle bzw. der entsprechenden Stirnfläche des besagten Stapels von AWG's nicht auf eine ebene Anordnung begrenzt, wobei diese Stirnfläche in weiteren Ausführungen auch eine sphärische, ellipsoide, hyperbolische und/oder zylindrische Geometrie aufweisen kann. Eine von einer ebenen Form abweichende (z.B. sphärische) Form der betreffenden Stirnfläche kann im Hinblick darauf vorteilhaft sein, dass die zur Projektion der Anordnung von Ausgangskanälen auf das Objekt verwendete Abbildungsoptik gegebenenfalls einfacher gestaltet werden kann, da z.B. ein Teil der erforderlichen optischen Wirkung bereits durch besagte Geometrie der Stirnfläche übernommen sein kann und/oder auf die Korrektur einer Bildfeldwölbung durch das nachfolgende optische System verzichtet werden kann.With regard to the arrangement of the output channels or the corresponding end face of said stack of AWGs, the invention is not limited to a flat arrangement, this end face also being able to have a spherical, ellipsoid, hyperbolic and / or cylindrical geometry in further versions. A (e.g. spherical) shape of the end face in question can be advantageous in view of the fact that the imaging optics used to project the arrangement of output channels onto the object can possibly be made simpler, since e.g. part of the required optical effect can already be taken over by said geometry of the end face and / or the correction of an image field curvature by the subsequent optical system can be dispensed with.

2 zeigt eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform. 2 shows an overall view of a device according to the invention in a first embodiment.

Elektromagnetische Strahlung mit zeitlich variierender Frequenz wird von einer durchstimmbaren Lichtquelle bzw. einem Laser (gegebenenfalls mit optischem Verstärker) über einen optischen Strahlteiler 202 zum Teil als Messsignal über die erfindungsgemäße AWG-Anordnung 205 und ein Abbildungssystem 206 zur Abbildung der bereitgestellten Ausgangskanäle auf ein hinsichtlich seines Abstandes und gegebenenfalls seiner Geschwindigkeit zu vermessendes Objekt 210 gelenkt. Mit „204“ ist eine Einheit zur sequentiellen Verteilung des von der Lichtquelle 201 erzeugten Lichtes auf die AWG's der AWG-Anordnung 205 bezeichnet, wobei diese Einheit 204 ihrerseits als AWG, als Gitter oder auch als bewegliches optisches Element (z.B. als verschiebbare Lichtleitfaser, als mikromechanisch aktuierbarer Spiegel oder als refraktives optisches Element wie eine Linse oder ein Prisma) ausgestaltet sein kann.Electromagnetic radiation with a time-varying frequency is emitted by one tunable light source or a laser (possibly with an optical amplifier) via an optical beam splitter 202 partly as a measurement signal via the AWG arrangement according to the invention 205 and an imaging system 206 for mapping the provided output channels onto an object to be measured with regard to its distance and possibly its speed 210 directed. With " 204 “Is a unit for the sequential distribution of the light source 201 generated light on the AWG's of the AWG arrangement 205 referred to, this unit 204 in turn, as an AWG, as a grating or as a movable optical element (for example as a displaceable optical fiber, as a micromechanically actuatable mirror or as a refractive optical element such as a lens or a prism).

Über den optischen Strahlteiler 202 von vorneherein ausgekoppeltes (d.h. nicht am Objekt 210 reflektiertes) Licht der Lichtquelle 201 gelangt als Referenzsignal in für sich bekannter Weise direkt zum Detektor 203. Das am Detektor 203 durch Überlagerung von Referenzsignal und Messsignal erzeugte Überlagerungssignal wird in einer Steuer- und Auswerteeinheit 207 zur Ermittlung von Abstand und gegebenenfalls Geschwindigkeit des Objekts 210 ausgewertet.Via the optical beam splitter 202 decoupled from the outset (ie not on the object 210 reflected) light from the light source 201 reaches the detector directly as a reference signal in a manner known per se 203 , That at the detector 203 The superimposition signal generated by superimposing the reference signal and the measurement signal is in a control and evaluation unit 207 to determine the distance and, if necessary, the speed of the object 210 evaluated.

Über besagte Einheit 204 wird sukzessive ein AWG der AWG-Anordnung 205 nach dem anderen „abgearbeitet“ und somit im Ergebnis ein zweidimensionales Abscannen des Objektes 210 mittels der AWG-Anordnung 205 erreicht.About said unity 204 gradually becomes an AWG of the AWG arrangement 205 “processed” after the other and thus the result is a two-dimensional scanning of the object 210 using the AWG arrangement 205 reached.

Im Falle der Ausgestaltung der Einheit 204 zur sequentiellen Verteilung des von der Lichtquelle 201 erzeugten Lichtes ebenfalls als AWG weist dieses zusätzliche vorgeschaltete AWG im Vergleich zu den AWG's der AWG-Anordnung 205 eine gröbere spektrale Auflösung auf, wobei insbesondere der erste Kanal des zusätzlichen vorgeschalteten AWG's das erste AWG abdeckt, so dass nach Abarbeiten der einzelnen Ausgangskanäle des ersten AWG's der AWG-Anordnung 205 ein Umschalten über das vorgeschaltete zusätzliche AWG auf das zweite AWG der AWG-Anordnung 205 (mit entsprechender Abarbeitung von dessen Ausgangskanälen) erfolgt, etc. Der Durchstimmbereich zwischen zwei benachbarten Pixeln kann beispielhaft Δf = 10 GHz betragen. Um sämtliche Ausgangkanäle nacheinander abzudecken, muss die Lichtquelle 201 bzw. der Laser um N * Δf_v durchgestimmt werden, wobei Δf_v = M * Δf der Durchstimmbereich für einen Vertikalscan ist. Die spektrale Auflösung des vorgeschalteten zusätzlichen AWGs entspricht dem spektralen Durchstimmbereich der einzelnen AWGs im AWG-Stapel. Für M=100 und N=10 ergibt sich Δf_v = 100 * 10 GHz = 1 THz, was der spektralen Auflösung des vorgeschalteten zusätzlichen AWG's entspricht. Insgesamt müssen das vorgeschaltete zusätzliche AWG und die durchstimmbare Lichtquelle 201 in diesem Beispiel einen Spektralbereich von (10*1) THz = 10 THz (entsprechend etwa 80 nm) abdecken.In the case of the design of the unit 204 for sequential distribution of the light source 201 generated light also as AWG has this additional upstream AWG compared to the AWG's of the AWG arrangement 205 a coarser spectral resolution, the first channel of the additional upstream AWG in particular covering the first AWG, so that after the processing of the individual output channels of the first AWG of the AWG arrangement 205 a switch over the upstream additional AWG to the second AWG of the AWG arrangement 205 (with corresponding processing of its output channels), etc. The tuning range between two neighboring pixels can be, for example, Δf = 10 GHz. In order to cover all output channels one after the other, the light source must be 201 or the laser can be tuned by N * Δf _v , where Δf _v = M * Δf is the tuning range for a vertical scan. The spectral resolution of the upstream additional AWG corresponds to the spectral tuning range of the individual AWGs in the AWG stack. For M = 100 and N = 10 there is Δf _v = 100 * 10 GHz = 1 THz, which corresponds to the spectral resolution of the additional AWG connected upstream. Overall, the upstream additional AWG and the tunable light source 201 in this example cover a spectral range of (10 * 1) THz = 10 THz (corresponding to approximately 80 nm).

Bei dieser Ausgestaltung können mechanisch bewegte Elemente wie Ablenkspiegel, Linsen oder Prismen zur Realisierung des Umschaltens zwischen den einzelnen AWG's der AWG-Anordnung 205 entfallen, wobei jedoch ein von dem vorgeschalteten zusätzlichen AWG geforderter, entsprechend großer Durchstimmbereich der Lichtquelle 201 benötigt wird. Umgekehrt kann bei Ausgestaltung der Einheit 204 in Form wenigstens eines beweglichen optischen Elements auf eine solche Vergrößerung des Durchstimmbereichs der Lichtquelle 201 verzichtet werden.With this configuration, mechanically moved elements such as deflection mirrors, lenses or prisms can be used to implement the switching between the individual AWGs of the AWG arrangement 205 omitted, but a correspondingly large tuning range of the light source required by the upstream additional AWG 201 is needed. Conversely, when designing the unit 204 in the form of at least one movable optical element to such an enlargement of the tuning range of the light source 201 to be dispensed with.

3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung, wobei im Vergleich zu 2 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. 3 shows a further possible embodiment of the invention, wherein compared to 2 analog or essentially functionally identical components with “ 100 “Raised reference numerals.

Die Ausführung von 3 unterscheidet sich von derjenigen aus 2 dadurch, dass eine simultane Abarbeitung der AWG's der AWG-Anordnung 305 erfolgt. Hierzu dient zunächst eine auf die durchstimmbare Lichtquelle 301 folgende Einheit 308 zur simultanen Verteilung des von der Lichtquelle 301 erzeugten Lichtes auf die AWG's der AWG-Anordnung 305. Infolgedessen kann eine parallelisierte Messung über eine Mehrzahl von den jeweiligen AWG's zugeordneten Detektoren 303 erfolgen. Mit „302“ ist eine entsprechende Mehrzahl optischer Strahlteiler bezeichnet, über welche die wie vorstehend beschrieben aufgeteilte Strahlung der Lichtquelle 301 zum Teil über die AWG-Anordnung 305 und das Abbildungssystem 306 zum Objekt 310 (sowie als reflektiertes oder gestreutes Messsignal zurück) geführt und zum übrigen Teil als Referenzsignal ausgekoppelt und an den Detektoren 303 mit dem jeweiligen Messsignal überlagert wird. Jeder der simultan verwendeten Detektoren 303 kann zwei Photodioden mit jeweils zugeordneten Transimpedanzverstärkern aufweisen, wobei die Detektoren 303 auch in einer gemeinsamen integrierten Optik untergebracht sein können. Die Photodioden können zur Erhöhung der Sensitivität auch als einzelne oder matrixartig angeordnete Avalanche-Photodioden ausgelegt sein. Des Weiteren werden auch N optische Strahlteilungen benötigt, da N Messstrahlen gleichzeitig vorliegen. In Ausführungsformen können die N interferometrischen Strahlteilungen bzw. -zusammenführungen auch mit Hilfe einer einzigen Strahlteilerplatte durchgeführt werden.The execution of 3 differs from that 2 in that a simultaneous processing of the AWG's of the AWG arrangement 305 he follows. To this end, a light source that can be tuned serves first 301 following unit 308 for the simultaneous distribution of the light source 301 generated light on the AWG's of the AWG arrangement 305 , As a result, a parallelized measurement can be carried out via a plurality of detectors assigned to the respective AWGs 303 respectively. With " 302 “A corresponding plurality of optical beam splitters is designated, by means of which the radiation of the light source, as described above, is divided 301 partly through the AWG arrangement 305 and the imaging system 306 to the object 310 (and returned as a reflected or scattered measurement signal) and coupled out for the rest as a reference signal and at the detectors 303 is overlaid with the respective measurement signal. Any of the detectors used simultaneously 303 can have two photodiodes, each with associated transimpedance amplifiers, the detectors 303 can also be accommodated in a common integrated optics. To increase the sensitivity, the photodiodes can also be designed as individual or matrix-like avalanche photodiodes. Furthermore, too N optical beam splits needed because N Measuring beams are present at the same time. In embodiments, the N interferometric beam splits or mergers can also be carried out using a single beam splitter plate.

Die Ausgestaltung von 3 hat den Vorteil der Erzielung eines entsprechenden hohen Parallelisierungsgrades der Messung (es erfolgen sämtliche N Vertikalscans mit je M Vertikalpixeln gleichzeitig) und somit auch eines vergleichsweise raschen Scanprozesses beim Abscannen des Objekts 310, wobei lediglich ein Durchstimmbereich der Lichtquelle 301 von M * Δf erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der Parallelisierung eine um den Faktor N größere Chirp-Dauer T für jede Einzelmessung verwendet werden kann, was zu einer wesentlichen Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses (SNR) beiträgt. Jedoch wird im Gegenzug der Einsatz einer entsprechend leistungsstarken Lichtquelle 301 sowie ein aufgrund der Mehrzahl von Detektoren 303 erhöhter konstruktiver Aufwand erforderlich.The design of 3 has the advantage of achieving a correspondingly high degree of parallelization of the measurement (all are carried out N Vertical scans with each M vertical pixels at the same time) and thus also a comparatively rapid scanning process when scanning the object 310 , with only one tuning range of the light source 301 of M * Δf is required. Another advantage is that due to the parallelization, a chirp duration T which is larger by a factor of N can be used for each individual measurement, which contributes to a significant improvement in the signal-to-noise ratio (SNR). In return, however, the use of a correspondingly powerful light source 301 as well as one due to the plurality of detectors 303 increased design effort required.

4-5 zeigen schematische Darstellungen möglicher Durchstimmschemata für die zeitliche Änderung der Frequenz der Lichtquelle im Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 4-5 show schematic representations of possible tuning schemes for the temporal change in the frequency of the light source in the operation of a device according to the invention.

Gemäß 4 ist der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle ausgesandten Signals zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle so beschaffen, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist. Hierdurch können in für sich bekannter Weise Auswirkungen des Dopplereffekts erfasst und berücksichtigt werden. Für eine einzelne Entfernungsmessung wird hier beispielhaft eine Bandbreite B = 1 GHz und eine Chirp-Dauer von T = 10 µs angenommen. Die spektrale Auflösung der AWGs im AWG-Stapel kann z.B. Δf = 10 GHz betragen. Zwischen den einzelnen Messintervallen wird die Lichtquelle innerhalb einer möglichst kurzen Zeit T_zw um 10 GHz weiter durchgestimmt, um zum nächsten (Vertikal-)Pixel weiterzuschalten. Eine Frequenzänderung Δf entspricht einer Winkeländerung um Δθ, wobei diese Winkeländerung durch Auslegung des optischen Abbildungssystems geeignet gewählt werden kann. Während der um den Faktor 10 geringeren Frequenzänderung von B = 1 GHz im Messintervall bzw. während der Entfernungsmessung beträgt hingegen die Winkeländerung nur dθ = Δθ/10. Das Durchstimmschema gemäß 4 ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein vergleichsweise geringer Wert der lateralen Geschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Objekt gewünscht ist (z.B. weil anderenfalls dem Messsignal zu viele zufällige Störphasen von der Objektoberfläche aufgeprägt würden) .According to 4 the time-dependent frequency profile of the signal emitted by the light source to obtain additional information regarding the relative speed between the object and the measuring device or the light source is such that there are two sections in which the time derivative of the frequency generated by the light source is opposite to one another. As a result, effects of the Doppler effect can be recorded and taken into account in a manner known per se. For a single distance measurement, a bandwidth B = 1 GHz and a chirp duration of T = 10 μs are assumed here as an example. The spectral resolution of the AWGs in the AWG stack can be, for example, Δf = 10 GHz. Between the individual measurement intervals, the light source is further _tuned by 10 GHz within the shortest possible time T _{zw in} order to switch to the next (vertical) pixel. A change in frequency .DELTA.f corresponds to a change in angle by .DELTA..theta., This change in angle can be suitably selected by designing the optical imaging system. In contrast, during the frequency change of B = 1 GHz, which is smaller by a factor of 10, in the measurement interval or during the distance measurement, the change in angle is only dθ = Δθ / 10. The tuning scheme according to 4 It is particularly advantageous if a comparatively low value of the lateral speed of the laser beam on the object is desired (for example because otherwise too many random interference phases would be impressed on the object surface by the measurement signal).

5 zeigt ein alternatives Durchstimmschema für die zeitliche Änderung der Frequenz der Lichtquelle. 5 shows an alternative tuning scheme for the temporal change in the frequency of the light source.

Gemäß 5 werden die Messungen mit zeitlich ansteigender Frequenz („Chirp-up-Messungen“) für alle Pixel direkt hintereinander durchgeführt, wohingegen die Messungen mit zeitlich fallender Frequenz („Chirp-down-Messungen“) für alle Pixel erst anschließend erfolgen. Auch hier gilt B ≤ Δf. Das Durchstimmschema gemäß 5 hat den Vorteil, dass jederzeit mit der gleichen Durchstimmrate df/dt gearbeitet werden kann, wobei sich lediglich das Vorzeichen nach der Hälfte der Zeit umkehrt. Vorausgesetzt wird dabei, dass sich das zu vermessende Objekt während der gesamten Durchstimmung nur vernachlässigbar wenig bewegt, damit die Zuordnung der einzelnen „Chirp-up“- und „Chirp-down“-Messungen nicht zu Fehlern bei der Berücksichtigung des Dopplereffektes führt. Je nach Ausführungsbeispiel kann das in 5 gezeigte Durchstimmschema einem Vertikalscan oder dem Scan der N * M Pixel, d.h. dem gesamten Sichtfeld (FOV) entsprechen.According to 5 the measurements with a time-increasing frequency ("chirp-up measurements") for all pixels are carried out in direct succession, whereas the measurements with a time-decreasing frequency ("chirp-down measurements") for all pixels are only then carried out. Here too, B ≤ Δf. The tuning scheme according to 5 has the advantage that the same tuning rate df / dt can be used at any time, with only the sign reversing after half the time. It is assumed that the object to be measured moves only negligibly during the entire tuning, so that the assignment of the individual "chirp-up" and "chirp-down" measurements does not lead to errors when considering the Doppler effect. Depending on the embodiment, this can be done in 5 shown tuning scheme correspond to a vertical scan or the scan of the N * M pixels, ie the entire field of view (FOV).

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um in „500“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. 6 shows a further embodiment of the invention, compared to 1 analog or essentially functionally identical components with um in " 500 “Raised reference numerals.

Die Ausführungsform von 6 unterscheidet sich von derjenigen aus 1a-1b durch ein zusätzliches Aufspreizelement 620, welches dazu dient, den Abstand zwischen den von jeweils einem AWG erzeugten Ausgangskanälen vor deren Projektion über das Abbildungssystem auf das Objekt zu vergrößern. Dieses zusätzliche Aufspreizelement 620 weist gemäß der Ausführungsform einen Stapel von N planaren Einzelelementen zur Kanalaufspreizung auf, wobei die Lichtleiter des Aufspreizelements 620 mit den Ausgangskanälen der AWG-Anordnung optisch gekoppelt sind. Der Einsatz des Aufspreizelements 620 ermöglicht zum einen die Abdeckung eines größeren Raumwinkelbereichs und zum anderen auch die Reduzierung der Winkelgeschwindigkeit des Messstrahls auf dem Objekt während der einzelnen Abstandsmessungen, wodurch wiederum Phasenfluktuationen verringert und die erzielbare Tiefenauflösung vergrößert bzw. Peakbreiten im gemessenen Distanzspektrum verringert werden können.The embodiment of 6 differs from that 1a-1b with an additional expansion element 620 , which serves to enlarge the distance between the output channels generated by an AWG each before they are projected onto the object via the imaging system. This additional expansion element 620 According to the embodiment, has a stack of N planar individual elements for channel expansion, the light guides of the expansion element 620 are optically coupled to the output channels of the AWG arrangement. The use of the expansion element 620 enables on the one hand to cover a larger solid angle range and on the other hand also to reduce the angular velocity of the measuring beam on the object during the individual distance measurements, which in turn reduces phase fluctuations and increases the achievable depth resolution or reduces peak widths in the measured distance spectrum.

Der Einsatz des Aufspreizelements 620 führt beim Scanvorgang zu einer veränderten „Frequenz - Winkel-Zuordnung“, wie in dem schematischen Durchstimmschema von 7 angedeutet ist.The use of the expansion element 620 leads to a changed "frequency - angle assignment" during the scanning process, as in the schematic tuning scheme of 7 is indicated.

8b zeigt das Ergebnis einer beispielhaften Simulationsrechnung bei Zugrundelegung eines Gauß‘schen-Messstrahls gemäß 8a. Legt man einen Strahldurchmesser am Ausgang des optischen Systems von 15 mm und einen Wellenfrontradius am Ausgang des optischen Systems von 1000 m zugrunde, erhält man in einer Distanz von 100 m einen Strahldurchmesser von 19 mm. Es befinden sich z.B. Objekte in einer Entfernung von 100 m bzw. 200 m. Die Chirp-Dauer beträgt T = 10 µs. Die Chirp-Bandbreite beträgt B = 1 GHz. Die Abtastrate beträgt f_s = 500 MHz. Die Ausgangsleistung des Lasers beträgt Pout = 100 mW. Die Referenzleistung des lokalen Oszillators, dem die von den Objekten gestreute Signalstrahlung interferometrisch überlagert wird, beträgt Pref = 1 mW. Die Lateralgeschwindigkeit des Messstrahls in einer Distanz von 100 m wird beispielhaft mit 10 km/s angenommen. Die Simulation zeigt, dass mit den genannten Parametern eine Distanzmessung bis zu 200 m mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis (SNR > 10) möglich ist. 8b shows the result of an exemplary simulation calculation based on a Gaussian measuring beam according to 8a , If a beam diameter at the exit of the optical system of 15 mm and a wavefront radius at the exit of the optical system of 1000 m are taken as a basis, a beam diameter of 19 mm is obtained at a distance of 100 m. For example, there are objects at a distance of 100 m or 200 m. The chirp duration is T = 10 µs. The chirp bandwidth is B = 1 GHz. The sampling rate is f _s = 500 MHz. The output power of the laser is Pout = 100 mW. The reference power of the local The oscillator, on which the signal radiation scattered by the objects is interferometrically superimposed, is Pref = 1 mW. The lateral velocity of the measuring beam at a distance of 100 m is assumed to be 10 km / s, for example. The simulation shows that a distance measurement of up to 200 m with a high signal / noise ratio (SNR> 10) is possible with the parameters mentioned.

9 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung einer möglichen Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Straßenverkehr. Da es bei Geradeaussicht („901“ in 9) auf eine möglichst hohe Reichweite sowie möglichst genaue longitudinale Geschwindigkeitsmessung ankommt, kann für diesen Raumwinkel die erfindungsgemäße Vorrichtung so eingesetzt und ausgelegt werden, dass eine Mindestreichweite von 200 m erzielt wird. Da die Abdeckung eines großen horizontalen Winkelbereich (>100°) bei zugleich hoher Reichweite und hoher lateraler Auflösung mit einer einzigen Messvorrichtung technologisch schwierig ist, können für die seitlichen Blickrichtungen wenigstens zwei weitere Messvorrichtungen eingesetzt werden. Da es bei den seitlichen Blickrichtungen („902“ und „903“ in 9) eher auf einen großen Winkelbereich und weniger auf eine hohe Reichweite ankommt, können die weiteren Messvorrichtungen an diese Anforderungen angepasst werden. Beispielhaft kann hier die Reichweite auf 70 m begrenzt werden, um den technischen Aufwand und die abzustrahlende optische Leistung vergleichsweise gering zu halten. Hierbei kann die Messung in den seitlichen Blickrichtungen 902 und 903 ebenfalls unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder auch (aufgrund der geringeren Anforderungen hinsichtlich Reichweite und Genauigkeit der longitudinalen Geschwindigkeitsmessung auch nach einem anderen Messprinzip wie z.B. dem Laufzeitverfahren (TOF= „Time-of-Flight“ Prinzip) arbeiten. Natürlich können in gleicher Art und Weise weitere Messungen seitlich und/oder nach hinten erfolgen. 9 shows a diagram illustrating a possible application of the device according to the invention in road traffic. Since there is a straight view (" 901 " in 9 ) where the maximum possible range and the most accurate possible longitudinal speed measurement are important, the device according to the invention can be used and designed for this solid angle such that a minimum range of 200 m is achieved. Since covering a large horizontal angular range (> 100 °) with a long range and high lateral resolution is technologically difficult with a single measuring device, at least two further measuring devices can be used for the lateral viewing directions. Since the side viewing directions (" 902 " and " 903 " in 9 ) If a large angular range is more important than a long range, the other measuring devices can be adapted to these requirements. As an example, the range can be limited to 70 m in order to keep the technical effort and the optical power to be emitted comparatively low. The measurement can be done from the side of the eye 902 and 903 also using a device according to the invention or (due to the lower requirements with regard to range and accuracy of the longitudinal speed measurement also according to another measuring principle such as the runtime method (TOF = "time-of-flight" principle). Of course, in the same way further measurements to the side and / or to the rear.

10 dient in lediglich schematischer und stark vereinfachter Darstellung zur Erläuterung einer weiteren möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 10 is used in a merely schematic and highly simplified representation to explain another possible embodiment of a device according to the invention.

Gemäß 10 weist die Vorrichtung zusätzlich zu der erfindungsgemäßen AWG-Anordnung 1010 und dem Abbildungssystem 1020 ein Ablenkelement 1030 auf, über welches der jeweilige Winkel, unter dem Licht von den AWGs der AWG-Anordnung 1010 zu dem Objekt gelenkt wird, variierbar ist. Dieses Ablenkelement 1030 ermöglicht es im Ergebnis, ohne Einschränkung des Sichtfeldes (FOV), welches z.B. 20°*20° betragen kann, die erforderliche Anzahl N der in der erfindungsgemäßen AWG-Anordnung vorhandenen AWG's auf einen moderaten Wert (von z.B. 5 bis 50) zu beschränken, da eine verbleibende räumliche Distanz zwischen den einzelnen AWG's der AWG-Anordnung 1010 bei der optischen Abbildung der Ausgangskanäle auf das Objekt wie in 10 angedeutet überbrückt werden kann.According to 10 has the device in addition to the AWG arrangement according to the invention 1010 and the imaging system 1020 a deflector 1030 on which the respective angle, under the light from the AWGs of the AWG arrangement 1010 is directed to the object, is variable. This deflecting element 1030 As a result, it enables the required number N of the AWGs present in the AWG arrangement according to the invention to be limited to a moderate value (from, for example, 5 to 50) without restricting the field of view (FOV), which can be, for example, 20 ° * 20 °, there is a remaining spatial distance between the individual AWG's of the AWG arrangement 1010 when optically mapping the output channels onto the object as in 10 indicated can be bridged.

10 zeigt für eine beispielhafte Anzahl von N = 5 AWG's in dem am hinsichtlich seines Abstandes zu vermessenden Objekt erzeugten Muster 1040 von Laserspots bzw. Pixeln (welches zunächst, d.h. ohne die Wirkung des Ablenkelements 1030, fünf simultan beleuchtete, mit „1050“ bezeichnete Spalten von Pixeln bzw. Laserspots umfasst) erhebliche Lücken, welche über das Ablenkelement 1030 dadurch (z.B. in Winkelschritten von 0.1°) „aufgefüllt“ werden können, dass im Wege einer Variation des jeweiligen Strahlwinkels die letztlich resultierenden Spalten 1050 (in 10 horizontal) verschoben werden. Bei dem Ablenkelement kann es sich um ein mechanisch bewegliches optisches Element handeln, wobei sowohl reflektive Elemente (z.B. ein über wenigstens über ein Festkörpergelenk verstellbarer Spiegel) als auch refraktive optische Elemente (z.B. Linsen oder Prismen) einsetzbar sind. Insbesondere können hier in vorteilhafter Weise MEMS-Spiegel oder galvanisch angetriebene Spiegel mit vergleichsweise kleinen Verstellwinkeln (< 2°) angewendet werden, was größere Spiegeldurchmesser und/oder höhere Winkelgeschwindigkeiten ermöglicht. 10 shows for an exemplary number of N = 5 AWG's in the pattern generated on the object to be measured with regard to its distance 1040 of laser spots or pixels (which initially, ie without the effect of the deflecting element 1030 , five simultaneously illuminated columns labeled "1050" of pixels or laser spots) include significant gaps that over the deflection element 1030 can be “filled” (eg in angular increments of 0.1 °) by varying the respective beam angle by the resulting columns 1050 (in 10 horizontally). The deflection element can be a mechanically movable optical element, wherein both reflective elements (for example a mirror that can be adjusted via at least one solid-state joint) and refractive optical elements (for example lenses or prisms) can be used. In particular, MEMS mirrors or galvanically driven mirrors with comparatively small adjustment angles (<2 °) can be used here advantageously, which enables larger mirror diameters and / or higher angular velocities.

In weiteren Ausführungsformen kann es sich auch um ein phasenoptisches Ablenkelement (z.B. OPA = „Optical Phased Array“ oder LCPG = Liquid Crystal Polarization Grating“) handeln. Des Weiteren kann zur Realisierung der vorstehend beschriebenen „Auffüllung“ des durch die AWG-Anordnung erzeugten Musters an Laserspots bzw. Pixeln in ein oder zwei Dimensionen (d.h. unter Ablenkung der von der AWG-Anordnung eintreffenden Strahlung in einer Raumrichtung oder in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen) erfolgen. Somit kann mit einem zweidimensionalen Ablenkelement zusätzlich auch die Laserspot- bzw. Pixeldichte in der vertikalen Richtung erhöht werden.In further embodiments, it can also be a phase-optical deflection element (e.g. OPA = "Optical Phased Array" or LCPG = Liquid Crystal Polarization Grating "). Furthermore, in order to implement the above-described “filling” of the pattern of laser spots or pixels generated by the AWG arrangement in one or two dimensions (ie by deflecting the radiation arriving from the AWG arrangement in one spatial direction or in two mutually perpendicular spatial directions ) respectively. Thus, the laser spot or pixel density in the vertical direction can also be increased with a two-dimensional deflection element.

Da das vorstehend beschriebene Ablenkelement 1030 gemäß 10 nur zur besagten Auffüllung von Lücken in erzeugtem Muster an Laserspots bzw. Pixeln benötigt wird, sind die über das Ablenkelement 1030 einzustellenden Winkelbereiche vergleichsweise gering und können größenordnungsmäßig 1° betragen. Des Weiteren kann aufgrund des Umstandes, dass mit jedem über das Ablenkelement 1030 eingestellten neuen Ablenkwinkel N „neue“ Spalten von Laserspots bzw. Pixeln auf dem Objekt erzeugt werden, die Einstellung der Strahlablenkung vergleichsweise langsam (relativ zu einem jeden Laserspot einzeln ansteuernden Scanner) erfolgen.Because the deflector described above 1030 according to 10 only for the said filling of gaps in the generated pattern of laser spots or pixels are those via the deflection element 1030 Angular ranges to be set are comparatively small and can be of the order of 1 °. Furthermore, due to the fact that with everyone on the deflector 1030 set new deflection angle N "New" columns of laser spots or pixels are generated on the object, the setting of the beam deflection takes place comparatively slowly (relative to a scanner that controls each laser spot individually).

11 zeigt ein exemplarisches Abbildungssystem 1120 zur Erzeugung unterschiedlicher Strahlrichtungen in Abhängigkeit von der lateralen Position der AWG-Ausgangskanäle. Andere geeignete Abbildungssysteme können auch noch hinter dem Ablenkelement 1030 optische Elemente enthalten. Alternativ zu einem festen Vergrößerungsmaßstab kann das Abbildungssystem auch als Zoom-Objektiv mit variabel einstellbarem Sichtfeld ausgestaltet sein, wodurch eine flexible Anpassung der Vorrichtung (z.B. an die jeweilige Verkehrssituation bzw. an die Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung) erfolgen kann. 11 shows an exemplary imaging system 1120 to generate different beam directions depending on the lateral position of the AWG output channels. Other suitable imaging systems can also be behind the deflector 1030 contain optical elements. As an alternative to a fixed magnification scale, the imaging system can also be designed as a zoom lens with a variably adjustable field of view, as a result of which the device can be flexibly adapted (for example to the respective traffic situation or to the speed of the vehicle with the device according to the invention).

Die Erfindung wurde in den genannten Ausführungsbeispielen vorwiegend unter der Annahme einer interferometrischen Signalauswertung beschrieben, da sie hierzu besonders geeignet ist. Dennoch kann die Erfindung auch für Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlungen verwendet werden, die auf Laufzeitmessungen von Strahlungspulsen beruhen.The invention was described in the above-mentioned exemplary embodiments predominantly on the assumption of an interferometric signal evaluation, since it is particularly suitable for this. Nevertheless, the invention can also be used for distance and / or speed determinations based on transit time measurements of radiation pulses.

Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.Although the invention has been described in terms of specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments, e.g. by combining and / or exchanging features of individual embodiments. Accordingly, it is understood by those skilled in the art that such variations and alternative embodiments are included in the present invention and the scope of the invention is only limited within the meaning of the appended claims and their equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2018024246 A1 [0011]
WO 2018/107237 A1 [0011]

Claims

Device for spatially resolved distance and / or speed determination of an object, with • at least one light source (201, 301) for emitting an optical signal with a time-varying frequency; • an evaluation device for determining a distance and / or a speed of the object (210, 310) on the basis of a measurement signal resulting from the signal, reflected or scattered on the object; An AWG arrangement (100, 205, 305, 1010) which has a plurality of AWGs, each of these AWGs causing a frequency-selective distribution of the measurement signal to a plurality of output channels belonging to the respective AWG; and • an imaging system (206, 306, 1020) for the optical imaging of these output channels on the object (210, 310).

Device after Claim 1 , characterized in that the plurality of AWG's are stacked to obtain a two-dimensional arrangement of output channels.

Device after Claim 1 or 2 , characterized in that this two-dimensional arrangement of output channels lies in a surface which can be projected onto the object (210, 310) by the imaging system (206, 306).

Device according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that a unit (204, 308) is provided between the light source and the AWG arrangement for the selective distribution of the light generated by the light source to the AWGs of the AWG arrangement (205, 305).

Device after Claim 4 , characterized in that this unit (204) is designed for the sequential distribution of the light generated by the light source (201) to the AWGs of the AWG arrangement (205).

Device after Claim 5 , characterized in that this unit (204) has an AWG.

Device after Claim 5 , characterized in that this unit (204) has a movable optical element.

Device after Claim 4 , characterized in that this unit (308) is designed for the simultaneous distribution of the light generated by the light source (301) over the AWG's.

Device after Claim 8 , characterized in that it has a plurality of detectors (303) each assigned to one of the AWGs for detecting a superimposition signal generated from the respective measurement signal and a reference signal.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that each of these AWG's has at least 10 output channels.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a deflection element (1030), via which the angle at which light is directed from the AWGs of the AWG arrangement (1010) to the object can be varied.

Device after Claim 11 , characterized in that a spatial distance between the individual AWGs of the AWG arrangement (1010) in the optical imaging of the output channels on the object can be bridged by varying this angle.

Device after Claim 11 or 12 , characterized in that this deflecting element (1030) is a mechanically movable deflecting element.

Device after Claim 11 or 12 , characterized in that this deflection element (1030) is a phase-optical deflection element.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one expansion element (620) is provided between the AWG arrangement and the imaging system in order to enlarge the distance between the output channels generated by one AWG each.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging system is designed as a zoom lens (1120) with a variably adjustable field of view.

Device according to one of the Claims 1 to 16 , characterized in that the distance and / or speed is determined in an interferometric manner.

Device according to one of the Claims 1 to 16 , characterized in that the distance and / or speed is determined by transit time measurements.