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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung 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.
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Stand der Technik
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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.
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4a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 410 ausgesandtes Signal 411 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. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 450 gekoppelt und an einem Detektor 460 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 422 ohne Reflexion an dem mit „440“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 450 und zum Detektor 460 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 450 bzw. am Detektor 460 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 421 über einen optischen Zirkulator 420 und einen Scanner 430 zum Objekt 440, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 422 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 450 und zum Detektor 460.
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Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 460 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 4b dargestellte Differenzfrequenz 431 zwischen Messsignal 421 und Referenzsignal 422 charakteristisch für den Abstand des Objekts 440 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 ist. Gemäß 4b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 440 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 410 ausgesandten Signals 411 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 410 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
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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 Abstandsmessung mit hoher Scanrate (d.h. hoher Geschwindigkeit der Abtastung einzelner Bereichen des Objekts) zu realisieren.
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Zum Stand der Technik wird auf
US 2016 / 0 299 228 A1 ,
US 6 118 518 A ,
US 2017 / 0 146 641 A1 ,
US 2011 / 0 199 621 A1 ,
US 2012 / 0 194 823 A1 verwiesen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) befindliches Objekt eine Abstandsmessung mit hoher Scanrate und unter Begrenzung des hierfür erforderlichen apparativen Aufwands ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist auf:
- - eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- - eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals; und
- - eine Ablenkeinrichtung zum Ändern des Winkels, unter dem das Messsignal auf das Objekt gelenkt wird, während jeweils eines Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz des optischen Signals.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts ausgehend von dem anhand von 4a-4b beschriebenen Prinzip das jeweils zum Objekt hin gelenkte Messsignal bereits innerhalb eine Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz mit unterschiedlichen Winkeln zum Objekt hin abzulenken mit der Folge, dass entsprechend der Zeitabhängigkeit der Frequenz des Messsignals unterschiedliche Frequenzen bzw. Frequenzbereiche in unterschiedlicher Weise (nämlich durch Einstellung unterschiedlicher Winkel) kodiert werden. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß bei dem Messsignal ein- und derselbe Abschnitt mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz für unterschiedliche auf dem Objekt zur Abstandmessung abzutastende Bereiche bzw. Pixel verwendet.
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Dies ermöglicht es wiederum, bei anschließender Separierung der unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbereiche im Raum über ein geeignetes spektrales Element die betreffenden, durch die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung eingestellten unterschiedlichen Winkel auf einer Detektoranordnung wie im Weiteren noch detaillierter beschrieben zu unterscheiden.
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Dabei wird aufgrund der zum einen über die Ablenkeinrichtung erfolgenden Zuordnung unterschiedlicher Frequenzen bzw. Frequenzbereiche des Messsignals zu unterschiedlichen Winkeln und der zum anderen über das vorstehend genannte spektrale Element erzeugten Zuordnung unterschiedlicher Frequenzen bzw. Frequenzbereiche zu unterschiedlichen Orten im Raum insgesamt auf der Detektoranordnung eine Zuordnung zwischen Frequenzen und Frequenzbereichen, Winkeln und Orten erreicht. Diese Zuordnung kann wiederum über die Berechnung der Differenzfrequenz zur Frequenz des nicht am Objekt reflektierten Referenzsignals zur Bestimmung der entsprechenden Objektabstände genutzt werden.
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Im Ergebnis kann auf diese Weise eine signifikante Steigerung der Scanrate bei der Abstandsermittlung auch von weit entfernten (z.B. in einem Abstand von mehreren hundert Metern befindlichen) Objekten erzielt werden.
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Bei im Rahmen der Erfindung hinsichtlich ihres Abstandes von der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermessenen Objekten kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um Roboterkomponenten wie Roboterarme oder auch um im Straßenverkehr bzw. Automobilbereich relevante Objekte (z.B. Fremdfahrzeuge) handeln. Dabei kann auch über die Abstandsermittlung hinaus auch z.B. eine Geschwindigkeitsermittlung (wie als solches z.B. aus
US 2016 / 0 299 228 A1 bekannt) erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung weiter ein Element zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist dieses Element zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals ein AWG (= „array waveguide grating- “= „Wellenleiterstruktur-Array“) auf. Der Einsatz eines solchen AWG ist insofern besonders vorteilhaft, als eine (wafer-)integrierte und somit besonders kompakte Bauweise ermöglicht wird.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Realisierung der frequenzselektiven räumlichen Aufteilung über ein AWG beschränkt. In weiteren Ausführungsformen kann auch ein anderes, die frequenzselektive räumliche Aufteilung bewirkendes bzw. dispersives Element, beispielsweise ein Prisma, ein Beugungsgitter bzw. Bragg-Gitter oder ein räumlicher Lichtmodulator (z.B. ein akustischer oder elektrooptischer Modulator) verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Koppler-Array mit einer Mehrzahl unabhängig voneinander betreibbarer Kopplungselemente zur jeweils separaten Zusammenführung von durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals erzeugten Teilsignalen mit dem Referenzsignal auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Detektoranordnung mit einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Detektorelementen zur Erzeugung von Detektorsignalen auf, wobei diese Detektorsignale jeweils für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals erzeugten Teilsignals und der Frequenz des Referenzsignals charakteristisch sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind voneinander verschiedene Detektorelemente dieser Detektoranordnung unterschiedlichen von der Ablenkeinrichtung eingestellten Winkeln zugeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Ablenkeinrichtung einen drehbaren Spiegel auf.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2 und 3 schematische Darstellungen beispielhafter erzielbarer Steigerungen der Scanrate bei der erfindungsgemäßen Abstandsermittlung; und
- 4a-4b schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in 1 beschrieben.
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Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zunächst ausgehend von dem bereits anhand von 4a-4b beschriebenen, herkömmlichen Konzept eine Lichtquelle 110 zum Aussenden eines optischen Signals 111 mit zeitlich variierender Frequenz („chirp“) auf. Gemäß dem im oberen linken Teil von 1 eingezeichneten Diagramm weist dieses optische Signal im Ausführungsbeispiel einen Frequenzverlauf mit linearer Zeitabhängigkeit auf.
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Wenngleich in Ausführungsformen der Erfindung auch Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlich Ableitung der Frequenz analog zu 4b verwendet werden können, wird im Weiteren zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips lediglich ein Abschnitt des optischen Signals 111 mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz betrachtet. Des Weiteren werden in dem im oberen linken Teil von 1 gezeigten Diagramm unterschiedliche Strichelungen zur Veranschaulichung unterschiedlicher Frequenzbereiche dieses optischen Signals 111 verwendet, auf welche in der folgenden Beschreibung noch näher eingegangen wird.
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In ebenfalls zum herkömmlichen Konzept von 4a-4b analoger Weise erfolgt gemäß 1 eine Aufspaltung des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals 111 z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel. Von diesen Teilsignalen wird ein im Weiteren auch als „Messsignal“ 121 bezeichnetes Teilsignal über einen optischen Zirkulator 120 und einen Scanner 130 auf ein hinsichtlich seines Abstandes der Vorrichtung zu vermessendes Objekt 140 gelenkt, wohingegen das andere der beiden Teilsignale wie im Weiteren von beschrieben als Referenzsignal 122 für die weitere Auswertung verwendet wird.
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Der Weg des Messsignals 121 verläuft in zu 4a-4b analoger Weise über einen Scanner 130, wobei dieser Scanner 130 erfindungsgemäß im Unterschied zu dem herkömmlichen Konzept eine Ablenkeinrichtung zum Ändern des Winkels, unter dem das Messsignal 121 auf das Objekt 140 gelenkt wird, während jeweils eines Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz des Messsignals 121 bzw. des zugrundeliegenden Signals 111 aufweist. Infolgedessen werden nun beim Lenken des Messsignals 121 von der Ablenkrichtung des Scanners 130 auf das Objekt 140 unterschiedliche Ablenkwinkel, die in 1 über die entsprechenden Ausbreitungsrichtungen des Messsignals 121 angedeutet und mit φ1 , φ2 , φ3 , ... bezeichnet sind, voneinander verschiedenen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen zugeordnet, welche wiederum unterschiedlichen Abschnitten in dem zeitlichen Verlauf des von der Lichtquelle 110 ausgesandten optischen Signals 111 entsprechen.
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Nach Reflexion am Objekt 140 verläuft der Signalweg zurück über den optischen Zirkulator 120 zu einem im Ausführungsbeispiel als AWG (= „array waveguide grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“) ausgelegten Element 145 zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt 140 reflektierten Messsignals. Aufgrund dieser frequenzselektiven räumlichen Aufteilung durch das Element 145 werden, wie in 1 rechts neben dem Element 145 angedeutet, die unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbereiche räumlich voneinander separiert.
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Insgesamt wird durch das Zusammenwirken zwischen der Ablenkeinrichtung des Scanners 130 (welche eine Zuordnung zwischen Winkeln und Frequenzen bzw. Frequenzbereichen bewirkt) und dem Element 145 (welches eine Zuordnung zwischen Frequenz bzw. Frequenzbereich und Ort bewirkt) letztlich eine Zuordnung zwischen Ort, Frequenz und Winkel erzielt mit der Folge, dass einem im Signalweg dem Element 145 nachfolgenden Koppler-Array 150 die durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung des von dem Objekt 140 reflektierten Messsignals 121 erzeugten Teilsignale so zugeführt werden können, dass diese unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen sowie hiermit korrespondierenden Winkeln φ1 , φ2 , φ3 , ... entsprechen.
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Das Koppler-Array 150 kann insbesondere ein Array von optischen Wellenleitern (z.B. Fasern) aufweisen, wobei jeder dieser Wellenleiter mit einem (z.B. als Photodiode ausgestalteten) Detektorelement einer ebenfalls als Array ausgestalteten Detektoranordnung gekoppelt sein kann. In dem Koppler-Array 150 erfolgt die Zusammenführung der vorstehend beschriebenen, durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung des Messsignals 121 erzeugten Teilsignale mit dem Referenzsignal 122 mit der Folge, dass die durch die (in 1 nicht dargestellte) Detektoranordnung erzeugten Detektorsignale jeweils - wie im rechten unteren Teil von 1 angedeutet - für die Differenzfrequenz zwischen dem jeweiligen durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung reflektierten Messsignals erzeugten Teilsignal und der Frequenz des Referenzsignals charakteristisch sind. Im Ergebnis kann somit für jeden der Winkel φ1 , φ2 , φ3 , ... das entsprechende Differenzsignal und damit wiederum der gesuchte Abstand des Objekts 140 ermittelt werden.
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Das vorstehend beschriebene Funktionsprinzip der Erfindung hat nun, wie in 2a-2b und 3a-3b anhand beispielhafter Werte dargestellt, eine wesentliche Steigerung der für einen jeweils vorgegebenen Objektabstand erzielbaren Scanrate zur Folge:
- Aufgetragen ist in den Diagrammen von 2a-2b und 3a-3b jeweils die Abnahme der Scanrate (d.h. der Scangeschwindigkeit, mit welcher ein Abscannen des Objekts 140 erfolgen kann) mit zunehmendem Objektabstand aufgetragen, wobei 2a und 3a jeweils mit dem herkömmlichen Konzept von 4a-4b erzielbare Verläufe zeigen und wobei 2b und 3b jeweils die erfindungsgemäß erzielte Verbesserung zeigen.
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Während gemäß 2a bei einem Objektabstand von 100m nur noch eine Scanrate von etwa 268kHz erreichbar ist, kann diese Scanrate gemäß 1b auf einen Wert von fast 1MHz gesteigert werden. Dies bedeutet wiederum, dass für die Erfüllung einer Scanrate von z.B. 1.8MHz beim herkömmlichen Konzept gemäß 2a etwa sieben entsprechende Vorrichtungen zur Abstandsmessung benötigt werden, wohingegen beim erfindungsgemäßen Konzept gemäß 2b der Einsatz von lediglich zwei Vorrichtungen ausreichend ist.
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Wie aus 3a und 3b ersichtlich ist der erfindungsgemäß erzielbare Effekt für einen größeren Objektabstand von z.B. 200m noch stärker ausgeprägt.
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Gemäß der Erfindung kann somit insbesondere bei hinsichtlich ihres Abstandes zu vermessenden Objekten in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) eine wesentliche Steigerung der Scanrate erzielt werden. Infolge dessen kann auch die Anzahl der zur Erzielung einer vorgegebenen Scanrate benötigten (LIDAR-)Vorrichtungen signifikant verringert werden.
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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.
