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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 über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) 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 und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren. Dabei ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung zum einen wünschenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren.
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Ein bei der LIDAR-basierten Messung in der Praxis auftretendes Problem ist, dass der Pixel für Pixel sequentiell durchgeführte Scanprozess hinsichtlich der Anzahl der pro Zeiteinheit aufgenommenen Einzelbilder (≅ „frame rate“= Bildrate) u.a. aufgrund der endlichen Laufzeit (≅ tof= „time of flight“) der in der Messanordnung hin- und herlaufenden Messsignale begrenzt ist. Zur Erzielung von für eine zufriedenstellende Auflösung erforderlichen Bildraten ist deshalb ein möglichst hoher „Parallelisierungsgrad“ im Sinne einer scannenden Abtastung des Objekts über mehrere Bereiche bzw. Pixel gleichzeitig wünschenswert. Eine hierzu grundsätzlich in Betracht kommende Vervielfachung der betreffenden LIDAR-basierten Messanordnung ist jedoch aufwändig und entsprechend kostenintensiv.
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Zum Stand der Technik wird auf
US 2016/0299228 A1 ,
WO 2017/054036 A1 ,
US 2019/0025431 A1 , und die Publikationen
Sarah Uvin et al.: „Narrow line width frequency comb source based on an injection-locked III-V-on-silicon mode-locked laser", Optics Express p.5277-5286, Vol. 24, No. 5, sowie COLDREN, Larry A. [u.a.]: Tunable semiconductor lasers: A tutorial. In: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology (J-LT), Bd. 22, 2004, H. 1, S. 193-202. - ISSN 1558-2213 (E); 0733-8724 (P). DOI: 10.1109/JLT.2003.822207 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 die Erhöhung des „Parallelisierungsgrades“ im Sinne einer scannenden Abtastung des Objekts gleichzeitig über mehrere Bereiche bzw. Pixel mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand 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 simultanen Aussenden einer Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei sich diese Signale hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen diese zeitliche Variation stattfindet, voneinander unterscheiden;
- - eine 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
- - einem dispersiven Element, welches eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt.
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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 ein Abscannen des Objekts mit erhöhtem Parallelisierungsgrad dadurch zu realisieren, dass nicht nur ein optisches Signal mit zeitlich veränderter Frequenz (als „Chirp“) erzeugt und wie beschrieben in zwei Teilsignale aufgespalten wird, sondern die Lichtquelle derart ausgestaltet wird, dass gleichzeitig eine Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz ausgesandt wird. Über das im Signalweg noch vor dem Objekt befindliche dispersive Element wird dann eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt, so dass diese Messsignale dann mit entsprechend dem jeweiligen Frequenzbereich unterschiedlichem Kipp bzw. unter unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden.
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Im Ergebnis kann so eine Vielzahl von Frequenzrampen bzw. optischen Signalen mit zeitlich veränderter Frequenz simultan in die nachfolgenden Komponenten der Messanordnung eingekoppelt werden mit der Folge, dass eine effektive Parallelisierung erreicht wird.
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Dabei weist in Ausführungsformen der Erfindung die Lichtquelle einen modengekoppelten Laser zur Bereitstellung eines Frequenzkamms aus einer Mehrzahl von jeweils um einen festen Frequenzabstand voneinander separierten Moden auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der modengekoppelte Laser an einen weiteren, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser gekoppelt. Hierbei wird gewissermaßen der Frequenzkamm des modengekoppelten Lasers durch Kopplung an den weiteren Laser „in der Zeit bewegt“ mit der Folge, dass die Moden des modengekoppelten Lasers diesem zeitabhängigen Frequenzverlauf folgen, wobei weiterhin der Frequenzabstand zwischen den durch den modengekoppelten Laser vorgegeben Moden bestehen bleibt.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform folgt dem modengekoppelten Laser ein elektrooptischer Modulator zur Aufprägung eines zeitabhängigen Frequenzverlaufs auf die von dem modengekoppelten Laser bereitgestellten Moden des Frequenzkamms im Signalweg nach.
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Gemäß einer Ausführungsform weist dieser zeitabhängige Frequenzverlauf zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle zwei Abschnitte auf, in denen die zeitliche Ableitung der Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modengekoppelte Laser eine Zentralwellenlänge von 905nm auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der modengekoppelte Laser eine Zentralwellenlänge von 1550nm auf.
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In weiteren Ausführungsformen sind auch andere Wellenlängen z.B. von wenigstens 5µm, insbesondere wenigstens 10µm, z.B. unter Verwendung von Kaskadenlasern möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modengekoppelte Laser eine Bandbreite von wenigstens 50nm, insbesondere von wenigstens 100nm, auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Frequenzabstand der voneinander separierten Moden kleiner als 500GHz, insbesondere kleiner als 100GHz, weiter insbesondere kleiner als 10GHz, weiter insbesondere kleiner als 3GHz. Dabei kann mit kleinerem Frequenzabstand der voneinander separierten Moden eine größere Modenanzahl realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das dispersive Element ein AWG (= „array waveguide grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“) auf.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform weist das dispersive Element ein Prisma, ein Beugungsgitter oder einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen akustischen oder elektrooptischen Modulator, auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein weiteres dispersives Element zur räumlichen Aufteilung der von dem Objekt reflektierten Messsignale in Abhängigkeit vom jeweiligen Frequenzbereich auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das weitere dispersive Element ein AWG auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Detektoranordnung aus einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Detektorelementen zur Erzeugung von Detektorsignalen auf, wobei diese Detektorsignale jeweils für die Differenzfrequenzen zwischen den Frequenzen der zu dem Objekt gelenkten Messsignale und den Frequenzen der jeweiligen Referenzsignale charakteristisch sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind voneinander verschiedene Detektorelemente dieser Detektoranordnung unterschiedlichen Winkelbereichen in der Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale zugeordnet.
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Aufgrund der frequenzselektiven räumlichen Aufteilung durch das weitere dispersive Element werden die unterschiedlichen Frequenzbereiche, welche den unterschiedlichen Ablenkungen zum Objekt hin entsprechen, auf der als Array ausgestalteten Detektoranordnung räumlich voneinander separiert.
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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 von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1a-1b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
- 3a-3b Diagramme zur Erläuterung möglicher Ausführungsbeispiele der Erfindung; 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 1a-1b beschrieben.
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Gemäß 1a-1b wird im Unterschied zu dem bereits anhand von 4a-4b beschriebenen, herkömmlichen Konzept als Lichtquelle 110 nicht lediglich ein frequenzmodulierter FMCW-Laser (FMCW= „frequency-modulated continuous wave“) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz („chirp“), sondern eine im Weiteren erläuterte Kombination aus einem solchen Laser 113 mit einem modengekoppelten Laser 111 verwendet.
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Der modengekoppelte Laser 111 erzeugt in für sich bekannter Weise einen Frequenzkamm, welcher mehrere Frequenzen mit exaktem Frequenzabstand umfasst, wobei diese Frequenzen gleichzeitig am Ausgang des modengekoppelten Lasers 111 in Form von Pulsen auftreten.
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Das von dem Laser 113 erzeugte optische Signal weist, wie in 1a angedeutet, Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung der Frequenz mit jeweils linearer Zeitabhängigkeit auf.
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Wenn im Aufbau von 1a der Laser 113 nicht eingeschaltet ist, werden von der Lichtquelle 110 die über gestrichelte Linien dargestellten Frequenzen im Frequenzkamm des modengekoppelten Lasers 111 ausgesandt. Mit „112“ ist ein optischer Zirkulator bezeichnet. Bei Einschalten des (FMCW-)Lasers 113 folgen hingegen die Frequenzen des modengekoppelten Lasers 111 den Frequenzen des von dem Laser 113 erzeugten (FMCW-)Signals. Aufgrund der simultanen Erzeugung der Frequenzen mit exaktem Frequenzabstand durch den modengekoppelten Laser 111 werden somit gleichzeitig die Frequenzabstände des modengekoppelten Lasers 111 mit der „dreieckförmigen“ Modulation des FMCW-Signals generiert. Somit wird gewissermaßen wie im rechten Teil von 1a angedeutet der Frequenzkamm des modengekoppelten Lasers 111 durch Kopplung an den FMCW-Laser 113 „in der Zeit bewegt“ mit der Folge, dass die Moden des modengekoppelten Lasers 111 diesem zeitabhängigen Frequenzverlauf folgen, wobei jedoch weiterhin ein Abstand zwischen den Moden existiert, der durch den modengekoppelten Laser 111 vorgegeben ist.
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Als vorteilhafter und durchaus erwünschter Nebeneffekt werden bei schmalbandiger Ausgestaltung des (FMCW-)Lasers 113 auch die Moden des modengekoppelten Lasers 111 entsprechend schmaler mit der Folge, dass die Kohärenz der Lichtquelle 110 verbessert wird.
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Gemäß 1b erfolgt sodann in zum herkömmlichen Konzept von 4a-4b analoger Weise eine Aufspaltung des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals über einen Strahlteiler 115 (welcher z.B. als teildurchlässiger Spiegel oder als faseroptischer Splitter ausgestaltet sein kann). Von diesen Teilsignalen wird ein als „Messsignal“ 121 dienendes Teilsignal über einen optischen Zirkulator 120 und ein dispersives Element 130 auf ein hinsichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt 140 gelenkt, wohingegen das andere der beiden Teilsignale als Referenzsignal 122 dient und analog zu 4a-4b für die weitere Auswertung verwendet wird.
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Das dispersive Element 130 kann z.B. als AWG (= „array waveguide grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“) ausgelegt sein. In weiteren Ausführungsformen kann das dispersive Element 130 auch ein Prisma, ein Beugungsgitter oder einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen akustischen oder elektrooptischen Modulator, aufweisen. Vom dispersiven Element 130 werden unterschiedliche Frequenz-Moden des wie vorstehend beschrieben in der Zeit bewegten Frequenzkamms (d.h. unterschiedliche, die jeweiligen Frequenzen aufweisende Teilstrahlen) in voneinander verschiedene Richtungen zum Objekt 140 hin abgelenkt.
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Nach Reflexion am Objekt 140 verläuft der Signalweg zurück über den optischen Zirkulator 120 zu einem weiteren ausgelegten dispersiven Element 150 (welches ebenfalls als AWG ausgelegt sein kann) zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt 140 reflektierten Messsignals. Aufgrund dieser frequenzselektiven räumlichen Aufteilung durch das weitere dispersive Element 150 werden, wie in 1b unterhalb des dispersiven Elements 150 angedeutet, die unterschiedlichen Frequenzbereiche, welche den unterschiedlichen Ablenkungen zum Objekt 140 hin entsprechen, auf der als Array ausgestalteten Detektoranordnung 160 (wie durch Bereiche „1“, „2“, „3“,... angedeutet) räumlich voneinander separiert.
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Die Übertragung des Referenzsignals 122 kann - wie in 1b mit gestrichelter Linie dargestellt - vom Strahlteiler 115 direkt an die Detektoranordnung 160 oder auch - wie in 1b mit gepunkteter Linie dargestellt - zunächst an das weitere dispersive Element 150 erfolgen (wobei im letzteren Falle ein Signalrauschen reduziert werden kann, da jedem Detektor innerhalb der Detektoranordnung 160 ein eigener, hinsichtlich der Frequenz jeweils passender Anteil des Referenzsignals 122 zugeführt wird).
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Im Ergebnis wird gemäß 1a-1b nicht nur eine Frequenzrampe wie bei dem herkömmlichen Konzept von 4a-4b, sondern eine Mehrzahl von Frequenzrampen bzw. Signalverläufen mit zeitlich variierender Frequenz erzeugt und von der Lichtquelle 110 simultan ausgesandt und über den Strahlteiler 115 in den optischen Zirkulator 120 und das dispersive Element 130 eingekoppelt. Über die Ablenkung der betreffenden Signale entsprechend dem jeweiligen Frequenzbereich in unterschiedliche Richtungen auf dem Objekt 140 wird das Objekt 140 somit gleichzeitig in mehreren Bereichen abgescannt mit der Folge, dass eine effektive Parallelisierung der Messung erzielt wird.
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3a-3b zeigen Diagramme zur Erläuterung möglicher Ausführungsformen, wobei die Kavitätslänge (3a) bzw. die Modenanzahl (3b) in Abhängigkeit vom Modenabstand aufgetragen sind. Bei Wahl eines Modenabstandes von 5GHz entsprechend einer Kavitätslänge von 8.6mm beträgt die Anzahl an vom modengekoppelten Laser 111 bereitgestellten Moden bzw. die Anzahl von mit dem Aufbau von 1b gleichzeitig messbaren Pixeln 2400.
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Für eine Chirp-Dauer (entsprechend der Dauer des linearen Anstiegs bis zum Maximum im jeweiligen Frequenzverlauf) von 2µs ergibt sich für die Pixel-Abtastrate ein Wert von (2400/2)µs, entsprechend etwa 1Gigapixel pro Sekunde. Bei Wahl eines Modenabstandes von 30GHz entsprechend einer Kavitätslänge von 1.43mm beträgt die Anzahl an vom modengekoppelten Laser 111 bereitgestellten Moden bzw. die Anzahl von mit dem Aufbau von 1b gleichzeitig messbaren Pixeln 400. Für eine Chirp-Dauer von 9µs ergibt sich für die Pixel-Abtastrate ein Wert von (400/9)µs, entsprechend etwa 44Megapixel pro Sekunde.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei zu 1a-1b analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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In dem Ausführungsbeispiel von 2 erfolgt die Realisierung der Frequenzrampen bzw. zeitlich variierenden Frequenzverläufe auf den einzelnen von dem modengekoppelten Laser 211 bereitgestellten Moden über einen zusätzlichen elektrooptischen Modulator (EOM) 214. Mit „216“ ist in 2 ein Verstärker und mit „270“ eine Auswerteeinrichtung bezeichnet.
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Gemäß 2 wird der weitere Laser 213 im Unterschied zu der Ausführungsform von 1a-1b nicht in seiner Frequenz durchgestimmt, sondern bewirkt, dass die Moden des modengekoppelten Lasers 211 entsprechend schmaler werden und der modengekoppelte Laser 211 stabilisiert wird.
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Den Ausführungsformen von 1a-1b und 2 ist gemeinsam, dass den einzelnen Moden eines über einen modengekoppelten Laser 111 bzw. 211 bereitgestellten Frequenzkamms jeweils ein zeitabhängiger Frequenzverlauf aufgeprägt wird, wobei die in dieser Weise modifizierten, gleichzeitig vorliegenden Signale dann über das dispersive Element 130 bzw. 230 in unterschiedlichen Richtungen auf das Objekt 140 gelenkt werden, so dass dieses Objekt 140 gleichzeitig in mehreren Bereichen abgescannt und eine effektive Parallelisierung der Messung erzielt wird. Die Aufprägung des zeitabhängigen Frequenzverlaufs auf die einzelnen Moden des über den modengekoppelten Laser 111 bzw. 211 bereitgestellten Frequenzkamms erfolgt dabei gemäß 1a-1b durch Kopplung („locking“) an einen analog zu 4a-4b ausgelegten und den zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser 113, gemäß 2 hingegen über den zusätzlichen elektrooptischen Modulator (EOM) 214.
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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.
