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. 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.
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.
Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor
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
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
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 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.
- 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 von1 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.
-
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 of1 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
Gemäß
Diese erste Komponente
Die aus der ersten optischen Komponente
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
Eine beispielhafte geeignete Ausgestaltung ist schematisch in
Die erfindungsgemäße zweidimensional scannende Strahlablenkung kann in einer beispielhaften vorteilhaften Anwendung in einem LIDAR-System ausgehend von dem anhand von
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).
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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