DE102018129152A1 - Device for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls, mit einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle (10) zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge, einer ersten optischen Komponente (13) zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren, und einer zweiten optischen Komponente (16) zur Erzeugung einer zweiten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung monoton der Wellenlänge variieren.

Figure DE102018129152A1_0000
The invention relates to a device for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam, having a spectrally tunable light source (10) for emitting a light beam with a wavelength that varies over time, a first optical component (13) for generating a first beam deflection, in which partial beams resulting from the light beam are wavelength-dependent are deflected in each case in a first direction, the deflection angles generated in the first beam deflection periodically varying with spectral tuning of the wavelength, and a second optical component (16) for generating a second beam deflection, in which the partial beams deflected by the first optical component before or after this deflection, depending on the wavelength, are deflected in a second direction different from the first direction, the deflection angles generated in this second beam deflection being monotonically spectral Wavelength vary.
Figure DE102018129152A1_0000

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls. Die Vorrichtung kann insbesondere zur scannenden Strahlablenkung bei der Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines oder mehrerer räumlich ausgedehnter dreidimensionaler Objekte verwendet werden.The invention relates to a device for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam. The device can be used in particular for scanning beam deflection when determining distances between both moving and still objects and for determining the topography or shape of one or more spatially extended three-dimensional objects.

Stand der TechnikState of the art

Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein kontinuierlich 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 that is continuously changed in frequency with respect to the object in question is emitted and evaluated after back reflection on the object.

5a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle 50 ausgesandtes Signal 51 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 57 gekoppelt und an einem Detektor 58 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 53 ohne Reflexion an dem mit „56“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 57 und zum Detektor 58 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 57 bzw. am Detektor 58 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 52 über einen optischen Zirkulator 54 und einen Scanner 55 zum Objekt 56, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 53 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 57 und zum Detektor 58. 5a shows only a schematic representation of a known basic structure, in which a spectrally tunable light source 50 emitted signal 51 is split into two partial signals at a frequency which has changed over time (also referred to as “chirp”), this split taking place via a beam splitter (not shown) (for example a partially transparent mirror or a fiber-optic splitter). The two partial signals are via a signal coupler 57 coupled and to a detector 58 superimposed on one another, the first partial signal being the reference signal 53 without reflection on the with " 56 “Designated object to the signal coupler 57 and to the detector 58 reached. The second on the signal coupler 57 or at the detector 58 incoming partial signal, however, runs as a measurement signal 52 via an optical circulator 54 and a scanner 55 to the object 56 , is reflected back by it and thus comes in comparison to the reference signal 53 with a time delay and a correspondingly changed frequency to the signal coupler 57 and to the detector 58 .

Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 58 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 50 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 5b dargestellte Differenzfrequenz 59 zwischen Messsignal 52 und Referenzsignal 53 charakteristisch für den Abstand des Objekts 56 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 50 ist. Gemäß 5b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 56 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 50 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 50 ausgesandten Signals 51 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 50 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.The detector detects this via an evaluation device (not shown) 58 delivered detector signal relative to the measuring device or the light source 50 evaluated, the one recorded at a certain point in time in the diagram of 5b difference frequency shown 59 between measurement signal 52 and reference signal 53 characteristic of the distance of the object 56 from the measuring device or the light source 50 is. According to 5b can be used to obtain additional information regarding the relative speed between the object 56 and the measuring device or the light source 50 the time-dependent frequency response of the light source 50 emitted signal 51 also be such that there are two sections in which the time derivative of the from the light source 50 generated frequency is opposite to each other.

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. Ein möglicher Ansatz beinhaltet die Ausgestaltung des Scanners 55 unter Verwendung eines dispersiven optischen Elements z.B. in Form eines AWG (= „Arrayed Waveguide Grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“). Mit einem solchen „dispersiven Scanner“ können die im von der Lichtquelle 50 ausgesandten Licht vorhandenen, unterschiedliche Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen räumlich getrennt und mit unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt 56 gelenkt werden. Dabei 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, there is a need to implement a distance measurement that is as accurate and reliable as possible, even in the case of objects located at greater distances (possibly also moving), which may be vehicles in road traffic, for example. 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 movable components such as scanning or deflecting mirrors when scanning the respective object. One possible approach involves designing the scanner 55 using a dispersive optical element, for example in the form of an AWG (= "Arrayed Waveguide Grating" = "Waveguide Structure Array"). With such a "dispersive scanner" they can be from the light source 50 Partial beams emitted light, which have different frequencies, are spatially separated and at different angles to the object 56 be directed. Depending on the application, there is a need for realizing as large a field of view as possible (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. Insbesondere erweist es sich als problematisch, zweidimensionale Scanvorgänge mit hinreichend hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung unter Verwendung mechanisch beweglicher Komponenten z.B. unter Einsatz von Galvanometerspiegeln oder Rotationsscannern) zu realisieren.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 mechanical scanning processes, e.g. are unable to cover the required angular ranges of several tens of degrees due to the inertia or the too slow reactivity of mirrors used here. In particular, it proves to be problematic to carry out two-dimensional scanning processes with a sufficiently high speed and high resolution using mechanically movable components, e.g. using galvanometer mirrors or rotary scanners).

Die Realisierung einer hinreichend schnellen dreidimensionalen Datenerfassung z.B. beim Abscannen von Objekten wie Fahrzeugen stellt somit in der Praxis eine anspruchsvolle Herausforderung dar.The realization of a sufficiently fast three-dimensional data acquisition e.g. when scanning objects such as vehicles, this is a demanding challenge in practice.

Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2018/024246 A1 , WO 2018/107237 A1 sowie die Publikation M. Shirasaki: „Virtually Imaged Phased Array“, FUJITSU Sci. Tech. J. 35, pp. 113-125 (1999) verwiesen.The state of the art is only given as an example US 2018/024246 A1 , WO 2018/107237 A1 as well as the publication M. Shirasaki: "Virtually Imaged Phased Array", FUJITSU Sci. Tech. J. 35, pp. 113-125 (1999) referred.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls bereitzustellen, welche einen hinreichend schnellen zweidimensionalen Scanvorgang unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.In view of the above, it is an object of the present invention to provide a device for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam, which enables a sufficiently fast two-dimensional scanning process while avoiding the problems described above.

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 zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls weist auf:

  • - eine spektral durchstimmbare Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge,
  • - eine erste optische Komponente zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren, und
  • - eine zweite optische Komponente zur Erzeugung einer zweiten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren.
A device according to the invention for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam has:
  • a spectrally tunable light source for emitting a light beam with a wavelength that varies over time,
  • a first optical component for generating a first beam deflection, in which partial beams emerging from the light beam are deflected in a first direction depending on the wavelength, the deflection angles generated in the first beam deflection varying periodically with spectral tuning of the wavelength, and
  • - A second optical component for generating a second beam deflection, in which the partial beams deflected by the first optical component are deflected before or after this deflection depending on the wavelength in each case in a second direction different from the first direction, the deflection angles generated in this second beam deflection being spectral Vary the wavelength monotonically.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine zweidimensional scannende Strahlablenkung dadurch zu realisieren, dass in Kombination mit einer in ihrer Wellenlänge spektral durchstimmbaren Lichtquelle wenigstens zwei bezogen auf die Lichtausbreitungsrichtung nacheinander angeordnete bzw. vom Licht aufeinanderfolgend durchlaufene optische Komponenten eingesetzt werden, welche jeweils von der Wellenlänge abhängige Ablenkwinkel erzeugen, wobei die jeweilige Variation des Ablenkwinkels bei der einen Komponente periodisch und bei der anderen monoton mit der spektralen Durchstimmung Wellenlänge verläuft.The invention is based in particular on the concept of realizing a two-dimensional scanning beam deflection in that, in combination with a light source which can be spectrally tuned in terms of its wavelength, at least two optical components which are arranged one after the other in relation to the direction of light propagation or successively traversed by the light, each of which is used by the Generate wavelength-dependent deflection angles, the respective variation of the deflection angle being periodic in one component and wavelength monotonous in the other with the spectral tuning.

Dabei geht die Erfindung hinsichtlich der in einer der beiden optischen Komponenten erfolgenden periodischen Variation des Ablenkwinkels mit der Wellenlänge von der Überlegung aus, dass eine „einfache Kombination“ zweier dispersiver Komponenten - z.B. durch Einsatz zweier gekreuzter Gitter - für die beabsichtigte Realisierung einer zweidimensional (d.h. horizontal sowie vertikal) scannenden Strahlablenkung nicht zielführend wäre, da hierbei die spektrale Durchstimmung der Lichtquelle über den gesamten Spektralbereich lediglich zum Abscannen einer diagonalen Linie führen würde.With regard to the periodic variation of the deflection angle with the wavelength occurring in one of the two optical components, the invention is based on the consideration that a "simple combination" of two dispersive components - e.g. by using two crossed gratings - would not be expedient for the intended realization of a two-dimensional (i.e. horizontal and vertical) beam deflection, since the spectral tuning of the light source over the entire spectral range would only lead to the scanning of a diagonal line.

Der Erfindung liegt vielmehr die Überlegung zugrunde, dass für die Realisierung einer zweidimensionalen scannenden Strahlablenkung bzw. einer zweidimensionalen Abrasterung eines Objekts eine kontinuierlich bzw. monoton hinsichtlich der wellenlängenabhängigen Strahlablenkung wirkende optische Komponente wie z.B. ein Gitter oder Prisma mit einer weiteren Komponente zu kombinieren ist, welche gerade keine über den gesamten Spektralbereich monoton verlaufende Charakteristik der Wellenabhängigkeit des Ablenkwinkels zeigt, sondern vielmehr hinsichtlich des jeweils bereitgestellten Ablenkwinkels ein- und denselben Ablenkwinkel-Bereich bei spektraler Durchstimmung der Lichtquelle wiederholt durchläuft.Rather, the invention is based on the consideration that for the realization of a two-dimensional scanning beam deflection or a two-dimensional scanning of an object, an optical component acting continuously or monotonously with respect to the wavelength-dependent beam deflection, such as e.g. a grating or prism is to be combined with another component, which just does not show a characteristic of the wave dependence of the deflection angle that runs monotonously over the entire spectral range, but rather, with regard to the deflection angle provided in each case, repeatedly runs through one and the same deflection angle range with spectral tuning of the light source.

Im Gegensatz zu einer - wie vorstehend ausgeführt nicht zielführenden - „einfachen“ Anordnung zweier gekreuzter Gitter kann dann durch die erfindungsgemäße Kombination einer im vorstehend beschriebenen Sinne spektral „periodisch arbeitenden“ winkelablenkenden optischen Komponente mit einer kontinuierlich bzw. „monoton arbeitenden“ winkelablenkenden optischen Komponente (wobei „periodisch“ und „monoton“ jeweils auf die Wellenlängenabhängigkeit des Ablenkwinkels bezogen sind) ein echter zweidimensionaler Scanvorgang mit hoher Geschwindigkeit erzielt werden.In contrast to a "simple" arrangement of two crossed gratings - as not stated above - the combination according to the invention of a spectrally "periodically operating" angle-deflecting optical component with a continuously or "monotonously operating" angle-deflecting optical component ( "periodic" and "monotonous" each refer to the wavelength dependence of the deflection angle) a real two-dimensional scanning process can be achieved at high speed.

In Ausführungsformen der Erfindung kann es sich bei der ersten optischen Komponente um ein VIPA (= „Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) handeln. Ein solches VIPA kann in für sich bekannter Weise und wie im Weiteren noch beschrieben aus einer halbzylindrischen Linse und einer im Strahlengang nachfolgend verkippt angeordneten Glasplatte aufgebaut sein, wobei über die halbzylindrische Linse „linienfokussiertes“ Licht in die Glasplatte eintritt und aus dieser unter von der Wellenlänge abhängigen Ablenkwinkeln austritt.In embodiments of the invention, the first optical component can be a VIPA (= “Virtually Imaged Phased Array”). Such a VIPA can be constructed in a manner known per se and, as will be described further below, from a semi-cylindrical lens and a glass plate subsequently tilted in the beam path, with “line-focused” light entering the glass plate via the semi-cylindrical lens and from this at a wavelength dependent deflection angles emerges.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz eines VIPA beschränkt, wobei in weiteren Ausführungsformen auch andere Ausgestaltungen der spektral „periodisch arbeitenden“ winkelablenkenden optischen Komponente, z.B. in Form eines Echelle-Gitters, eingesetzt werden können.However, the invention is not limited to the use of a VIPA, with other embodiments of the spectrally “periodically operating” angle-deflecting optical component, e.g. in the form of an Echelle grating.

Bei der zweiten (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ablenkwinkel über den Spektralbereich „monoton arbeitenden“) optischen Komponente kann es sich um ein Gitter, ein Prisma oder eine Kombination dieser Elemente handeln. Insbesondere kann in Ausführungsformen die zweite Komponente zur Vergrößerung des realisierbaren Winkelbereichs auch aus zwei Gittern aufgebaut sein.In the second (with regard to the wavelength dependency of the deflection angle generated above the spectral range "monotonous" optical component can be a grating, a prism or a combination of these elements. In particular, in embodiments, the second component for enlarging the realizable angular range can also be constructed from two grids.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ablenkwinkel monoton arbeitende) zweite optischen Komponente bezogen auf den optischen Strahlengang alternativ nach oder auch vor der ersten (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ablenkwinkel periodisch arbeitenden) optischen Komponente angeordnet sein kann.It should be pointed out that the second optical component (which works monotonously with regard to the wavelength dependency of the generated deflection angles) can alternatively be arranged after or also before the first optical component (which operates periodically with regard to the wavelength dependency of the generated deflection angles).

Die Erfindung betrifft weiter auch die Verwendung einer Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen in einem LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts.The invention further relates to the use of a device with the features described above in a LIDAR system for scanning the distance of an object.

Die Erfindung betrifft weiter ein LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit

  • - einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge,
  • - einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignalen und nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignalen, und
  • - einer Scaneinrichtung, welches eine wellenlängenabhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt, wobei diese Scaneinrichtung aufweist:
  • - eine erste optische Komponente zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren, und
  • - eine zweite optische Komponente zur Erzeugung einer zweiten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren.
The invention further relates to a LIDAR system for scanning the distance determination of an object, with
  • a spectrally tunable light source for emitting a light beam with a wavelength that varies over time,
  • an evaluation device for determining a distance of the object on the basis of measurement signals, which originate from the optical signals and are reflected on the object and not on the object, and
  • a scanning device which effects a wavelength-dependent angular distribution of the measurement signals directed to the object, this scanning device having:
  • a first optical component for generating a first beam deflection, in which partial beams emerging from the light beam are deflected in a first direction depending on the wavelength, the deflection angles generated in the first beam deflection varying periodically with spectral tuning of the wavelength, and
  • - A second optical component for generating a second beam deflection, in which the partial beams deflected by the first optical component are deflected before or after this deflection depending on the wavelength in each case in a second direction different from the first direction, the deflection angles generated in this second beam deflection being spectral Vary the wavelength monotonically.

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 on the basis of exemplary embodiments illustrated in the attached figures.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

  • 1a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise eines in der Vorrichtung von 1 eingesetzten VIPA (=„Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array);
  • 3-4 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen der Erfindung; und
  • 5a-5b 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 a device according to the invention;
  • 2nd a diagram for explaining the operation of a in the device of 1 VIPA used (= "Virtually Imaged Phased Array" = virtually mapped phased array);
  • 3-4 schematic representations for explaining further embodiments of the invention; and
  • 5a-5b schematic representations for explaining the structure and mode of operation of a conventional device for determining the distance.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Im Weiteren werden zunächst der prinzipiell mögliche Aufbau sowie die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen von 1a-1b sowie 2 beschrieben.Furthermore, the structure which is possible in principle and the mode of operation of a device according to the invention for two-dimensionally scanning beam deflection are first described with reference to the schematic illustrations of 1a-1b such as 2nd described.

Gemäß 1a-1b weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine spektral durchstimmbare (d.h. hinsichtlich der Wellenlänge des ausgesandten Lichts variierbare) Lichtquelle 10 zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge auf. Dieser Lichtstrahl wird gemäß 1a-1b über eine Faser bzw. einen Lichtwellenleiter 11 einem Kollimator 12 z.B. in Form einer Sammellinse zugeführt und trifft kollimiert auf eine erste optische Komponente 13 zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, welche hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der bereitgestellten Ablenkwinkel wie im Weiteren erläutert periodisch verläuft.According to 1a-1b the device according to the invention has a spectrally tunable (ie variable with respect to the wavelength of the emitted light) light source 10th for emitting a light beam with a wavelength that varies over time. This light beam is made according to 1a-1b over a fiber or an optical fiber 11 a collimator 12 supplied in the form of a converging lens, for example, and collimates a first optical component 13 to generate a first beam deflection which, as explained below, runs periodically with regard to the wavelength dependence of the deflection angles provided.

Diese erste Komponente 13 ist im Ausführungsbeispiel als VIPA (= „Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) ausgestaltet und umfasst eine Halbzylinderlinse 14 und eine Glasplatte 15. In diesem Zusammenhang wird auf die Publikation M. Shirasaki: „Virtually Imaged Phased Array“, FUJITSU Sci. Tech. J. 35, pp. 113-125 (1999) verwiesen. Die Einkopplung des kollimierten Strahls über die Halbzylinderlinse 14 in die Glasplatte 15 führt in für sich bekannter Weise und wie in 1a angedeutet zu einer Vielfachreflexion sowie konstruktiven Interferenz zu einer Planwelle, wobei deren Ausbreitungsrichtung bzw. Winkel abhängig von der Wellenlänge sowie der „Beugungsordnung“ bei dieser Interferenz ist. Im Ergebnis resultiert z.B. die im Diagramm von 2 dargestellte Abhängigkeit des von der ersten optischen Komponente 13 jeweils bereitgestellten Ablenkwinkels. Hierbei werden wie aus 2 ersichtlich mit zunehmender Wellenlänge ein- und dieselben Ablenkwinkelbereiche wiederholt und periodisch durchlaufen (wobei lediglich beispielhaft eine Änderung der Wellenlänge um 15nm in der dargestellten Ausführungsform einer Änderung des Ablenkwinkels um etwa 25° entspricht).This first component 13 is designed in the exemplary embodiment as a VIPA (= “Virtually Imaged Phased Array”) and comprises a half-cylinder lens 14 and a glass plate 15 . In this context, the publication M. Shirasaki: "Virtually Imaged Phased Array", FUJITSU Sci. Tech. J. 35, pp. 113-125 (1999) referred. The coupling of the collimated beam via the half-cylinder lens 14 into the glass plate 15 leads in a manner known per se and as in 1a indicated for multiple reflection as well as constructive interference to a plane wave, the direction of propagation or angle of which depends on the wavelength and the “diffraction order” for this interference. The result is, for example, that in the diagram of 2nd dependence depicted on the first optical component 13 each provided deflection angle. This will be like 2nd evidently, with increasing wavelength, one and the same deflection angle ranges are repeated and run through periodically (a change in the wavelength by 15 nm in the illustrated embodiment corresponding to a change in the deflection angle by approximately 25 ° merely by way of example).

Die aus der ersten optischen Komponente 13 bzw. der Glasplatte 15 austretenden Teilstrahlen treffen gemäß 1a-1b auf eine zweite optische Komponente 16, welche im Ausführungsbeispiel - jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre - als Gitter ausgestaltet ist und eine Strahlablenkung der betreffenden Teilstrahlen in der relativ zur Strahlablenkung der ersten optischen Komponente 13 senkrechten Richtung erzeugt. Im Gegensatz zur ersten optischen Komponente 13 bzw. dem VIPA arbeitet die zweite optische Komponente 16 derart, dass die jeweils erzeugten Ablenkwinkel monoton mit der Wellenlänge variieren, so dass im Ergebnis durch die spektrale Durchstimmung der Lichtquelle 10 ein zweidimensionaler Scanvorgang realisiert wird.The one from the first optical component 13 or the glass plate 15 emerging partial beams meet accordingly 1a-1b to a second optical component 16 , which in the exemplary embodiment - but without the invention being restricted to this - is designed as a grating and a beam deflection of the partial beams in question relative to the beam deflection of the first optical component 13 vertical direction. In contrast to the first optical component 13 or the VIPA, the second optical component works 16 such that the deflection angles generated in each case vary monotonically with the wavelength, so that the result is the spectral tuning of the light source 10th a two-dimensional scanning process is realized.

In weiteren Ausführungsformen kann anstelle eines einzigen Gitters zur Erhöhung der Winkelablenkung bzw. Vergrößerung des realisierbaren Winkelbereichs der Winkelablenkung eine Anordnung von mehreren Gittern auf Seiten der zweiten (d.h. der „monoton arbeitenden“) winkelablenkenden optischen Komponente 16 verwendet werden.In further embodiments, instead of a single grating for increasing the angular deflection or increasing the realizable angular range of the angular deflection, an arrangement of several gratings on the side of the second (ie the “monotonously working”) angle-deflecting optical component 16 be used.

Eine beispielhafte geeignete Ausgestaltung ist schematisch in 3 dargestellt, wobei zwei ebene Gitter 31, 32 auf Kantenflächen eines Prismas 30 ausgebildet sind. Eine solche Mehrfachgitter-Ausgestaltung kann somit insbesondere unter erneuter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 1a-1b unter Ersatz des dort vorhandenen Gitters 16 als zweite optische Komponente (welche monoton mit der Wellenlänge variierende Ablenkwinkel erzeugt) eingesetzt werden.An exemplary suitable embodiment is shown schematically in 3rd shown, with two flat grids 31 , 32 on edge surfaces of a prism 30th are trained. Such a multiple grid configuration can thus be referenced in particular with reference to the embodiment of FIG 1a-1b replacing the existing grid 16 as a second optical component (which generates deflection angles that vary monotonically with the wavelength).

Die erfindungsgemäße zweidimensional scannende Strahlablenkung kann in einer beispielhaften vorteilhaften Anwendung in einem LIDAR-System ausgehend von dem anhand von 5a-5b beschriebenen herkömmlichen Aufbau (unter entsprechender Ausgestaltung des Scanners 55 mit der erfindungsgemäßen Anordnung aus erster optischer Komponente 13 und zweiter optischer Komponente 16) eingesetzt werden.The two-dimensionally scanning beam deflection according to the invention can be used in an exemplary advantageous application in a LIDAR system on the basis of the 5a-5b described conventional structure (with appropriate design of the scanner 55 with the arrangement of the first optical component according to the invention 13 and second optical component 16 ) are used.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern ganz allgemein in Anwendungen vorteilhaft realisierbar, in welchen eine zweidimensionale Strahlablenkung zur wellenlängenbasierten (d.h. durch spektrale Durchstimmung einer Lichtquelle erreichen) Ansteuerung unterschiedlicher Orte bzw. Punkte im Raum ohne mechanisch bewegte Bauteile gewünscht ist (wobei die Wellenlänge des auf die jeweiligen Orte gelenkten Lichtes selbst nicht relevant ist und lediglich zur vorstehend beschriebenen Realisierung des Scanvorgangs genutzt wird).However, the invention is not limited to this application, but can be implemented very advantageously in general in applications in which a two-dimensional beam deflection for wavelength-based (ie by spectral tuning of a light source) control of different locations or points in space without mechanically moving components is desired (although the wavelength of the light directed to the respective locations is not relevant itself and is only used for the above-described realization of the scanning process).

4 zeigt in lediglich schematischer Darstellung eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Realisierung einer zweidimensional scannenden Strahlablenkung, welche ebenfalls auf dem Einsatz einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle 40 basiert. Gemäß 4 umfasst ein um eine Achse 46 wie angedeutet drehbares Bauelement einen Parabolspiegel 44 in Kombination mit einem Gitter 45. Dabei wird ein von der durchstimmbaren Lichtquelle 40 erzeugter, dem Bauelement über eine Faser 41 zugeführter Lichtstrahl zunächst über einen Kollimator 42 z.B. in Form einer Sammellinse auf einen Brennpunkt des Parabolspiegels 44 fokussiert und demzufolge von dem Parabolspiegel 44 in einen kollimierten Strahl umgewandelt, welcher auf das Gitter 45 trifft. Während die spektrale Durchstimmung der Lichtquelle 40 ohne spektrale Auswirkung auf den Parabolspiegel 44 bleibt, ergibt sich aufgrund der Dispersion des Gitters 45 eine Strahlablenkung abhängig von der jeweiligen Wellenlänge, wodurch in Kombination mit besagter Drehung des gesamten Bauelements ebenfalls im Ergebnis ein zweidimensionaler Scanvorgang realisiert werden kann. 4th shows only a schematic representation of a further advantageous arrangement for realizing a two-dimensional scanning beam deflection, which is also based on the use of a spectrally tunable light source 40 based. According to 4th includes one about an axis 46 as indicated rotatable component a parabolic mirror 44 in combination with a grid 45 . This is one of the tunable light source 40 generated, the component via a fiber 41 supplied light beam first via a collimator 42 eg in the form of a converging lens on a focal point of the parabolic mirror 44 focused and therefore from the parabolic mirror 44 converted into a collimated beam that hits the grid 45 meets. During the spectral tuning of the light source 40 without spectral effect on the parabolic mirror 44 remains, results from the dispersion of the lattice 45 a beam deflection depending on the respective wavelength, which, in combination with said rotation of the entire component, can also result in a two-dimensional scanning process.

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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Claims (10)

Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls, mit • einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle (10) zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge; • einer ersten optischen Komponente (13) zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren; und • einer zweiten optischen Komponente (16) zur Erzeugung einer zweiten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente (13) abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren.Device for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam, with • a spectrally tunable light source (10) for emitting a light beam with a wavelength that varies over time; • a first optical component (13) for generating a first beam deflection, in which partial beams emerging from the light beam are deflected in a first direction depending on the wavelength, the deflection angles generated in the first beam deflection varying periodically with spectral tuning of the wavelength; and • a second optical component (16) for generating a second beam deflection, in which the partial beams deflected by the first optical component (13) are deflected before or after this deflection, depending on the wavelength, in each case in a second direction different from the first direction, with the latter being different second deflection generated deflection angle vary monotonically with spectral tuning of the wavelength. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente ein VIPA (=„Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) aufweist.Device after Claim 1 , characterized in that the first optical component has a VIPA (= "Virtually Imaged Phased Array" = virtually depicted phase-controlled array). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente ein Echelle-Gitter aufweist.Device after Claim 1 , characterized in that the first optical component has an Echelle grating. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens ein Gitter aufweist.Device according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the second optical component (16) has at least one grating. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens zwei Gitter aufweist.Device after Claim 4 , characterized in that the second optical component (16) has at least two gratings. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens ein Prisma aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second optical component (16) has at least one prism. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtung jeweils senkrecht zur ersten Richtung ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second direction is in each case perpendicular to the first direction. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (16) bezogen auf die Lichtausbreitungsrichtung nach der ersten Komponente (13) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second component (16) is arranged after the first component (13) with respect to the direction of light propagation. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts.Use of a device according to one of the preceding claims in a LIDAR system for scanning distance determination of an object. LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit • einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle (50) zum Aussenden eines Lichtstrahls (51) mit zeitlich variierender Wellenlänge; • einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (56) auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt (56) reflektierten Messsignalen (52) und nicht an dem Objekt (56) reflektierten Referenzsignalen (53); und • einer Scaneinrichtung, welches eine wellenlängenabhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt (56) gelenkten Messsignale (52) bewirkt, wobei diese Scaneinrichtung aufweist: - eine erste optische Komponente (13) zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl (51) hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren; und - eine zweite optische Komponente (16) zur Erzeugung einer zweiten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente (13) abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren.LIDAR system for scanning the distance of an object, with • a spectrally tunable light source (50) for emitting a light beam (51) with a wavelength that varies over time; • An evaluation device for determining a distance of the object (56) on the basis of measurement signals (52), which originate from the optical signals and are reflected on the object (56) and not on the object (56); and • a scanning device which effects a wavelength-dependent angular distribution of the measurement signals (52) directed to the object (56), this scanning device having: - A first optical component (13) for generating a first beam deflection, in which partial beams emerging from the light beam (51) are deflected in a first direction depending on the wavelength, the deflection angles generated in the first beam deflection varying periodically with spectral tuning of the wavelength; and - A second optical component (16) for generating a second beam deflection, in which the partial beams deflected by the first optical component (13) are deflected before or after this deflection, depending on the wavelength, in each case in a second direction different from the first direction, the second direction being different second deflection generated deflection angle vary monotonically with spectral tuning of the wavelength.
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