DE102019135771A1

DE102019135771A1 - Device and method for the scanning distance determination of an object

Info

Publication number: DE102019135771A1
Application number: DE102019135771.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Höller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: DE102019135771B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Eine Vorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle (110) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, ein dispersives Element (131), welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt (140) gelenkt werden, eine Auswerteeinrichtung (160) zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen, und eine Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen auf, wobei die Auswerteeinrichtung (160) dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorzunehmen.The invention relates to a device and a method for determining the distance of an object by scanning. A device has at least one light source (110) for emitting an optical signal with a time-varying frequency, a dispersive element (131) which effects an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal, partial signals of the measurement signal at different radiation angles to the object ( 140), an evaluation device (160) for determining values of the distance of the object on the basis of beat frequencies resulting from a superposition of the partial signals reflected on the object with a reference signal not reflected on the object, and a memory unit for storing the measurement times of different Beat frequencies, the evaluation device (160) being designed to subsequently, on the basis of the stored measurement times, make an unambiguous assignment between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the distance to these dswerte belonging locations on the property.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung können zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.The invention relates to a device and a method for determining the distance of an object by scanning. The method and the device can be used to determine distances both from moving and still objects and in particular to determine the topography or shape of a spatially extended three-dimensional object.

Stand der TechnikState of the art

Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein optisches Signal, bei dem die Frequenz kontinuierlich - in einer bevorzugten Form linear - zeitabhängig verändert wird, zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. Dabei wird der Abstand des Objekts von der Messvorrichtung auf Basis der zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten Differenzfrequenz zwischen dem am Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht am Objekt reflektierten Referenzsignal ermittelt.For optical distance measurement of objects, among other things A measurement principle also known as LIDAR is known, in which an optical signal, in which the frequency is continuously - in a preferred form linearly - changed as a function of time, is emitted to the object in question and is evaluated after the object has been reflected back. The distance between the object and the measuring device is determined on the basis of the frequency difference detected at a specific point in time between the measuring signal reflected on the object and a reference signal not reflected on the object.

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.In practice there is a need, even in the case of objects located at greater distances (possibly also moving), which e.g. around vehicles in road traffic to realize the most accurate and reliable distance measurement possible.

Ein hierbei auftretendes Problem ist, dass die bei Durchführung des Scanprozesses realisierbare maximale Scangeschwindigkeit durch die Licht- bzw. Signallaufzeit (tof = „time of flight“) begrenzt ist, wobei diese Laufzeit bei einer beispielhaften Distanz von 150m eine Mikrosekunde (µs) beträgt. Bei einer typischen, zur Signalauswertung pro Bildpunkt bzw. Pixel erforderlichen Zeitspanne von etwa 2µs ergibt sich eine maximale Datenrate von 500kHz bzw. 500kPixel/s. Die auf diese Weise bei einer Framerate von 25Hz erzeugbaren, etwa 20kPixel umfassenden Bilder sind für typische Anwendungen wie z.B. im Straßenverkehr zu grob.A problem that arises here is that the maximum scan speed that can be achieved when carrying out the scanning process is limited by the light or signal transit time (tof = "time of flight"), this transit time being one microsecond (µs) at an exemplary distance of 150m. With a typical time period of approximately 2 μs required for signal evaluation per image point or pixel, a maximum data rate of 500 kHz or 500 kpixel / s results. The images, which can be generated in this way at a frame rate of 25 Hz and comprise around 20 kpixels, are suitable for typical applications such as e.g. too rough in traffic.

Ein grundsätzlich in Betracht kommender paralleler Einsatz mehrerer LIDAR-Systeme (mit jeweils kleinerem Feld) führt zu einer unerwünschten Vergrößerung der Komplexität und des Kostenaufwandes sowie gegebenenfalls auch zu einem erhöhten Bauraumbedarf.A parallel use of several LIDAR systems (each with a smaller field), which is generally considered, leads to an undesirable increase in complexity and cost and, if necessary, to an increased space requirement.

Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 verwiesen.The state of the art is only given by way of example US 2016/0299228 A1 referenced.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) befindliches Objekt eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung ermöglicht.Against the above background, it is an object of the present invention to provide a device and a method for the scanning distance determination of an object, which enables the most accurate and reliable distance measurement possible even for an object located at a comparatively great distance (e.g. several 100m).

Diese Aufgabe wird durch die Vorichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst.This object is achieved by the device according to the features of independent patent claim 1 or the method according to the features of the independent patent claim 7.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist folgende Schritte auf:

- Aussenden, unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle, eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- Erzeugen einer Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals durch ein dispersives Element, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt gelenkt werden; und
- Ermitteln von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen;
- wobei die Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen gespeichert werden; und
- wobei auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte eine nachträgliche eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorgenommen wird.

A method according to the invention for the scanning distance determination of an object has the following steps:

Emitting, using at least one light source, an optical signal with a frequency that varies over time;
- Generating an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal by a dispersive element, partial signals of the measurement signal being directed to the object at radiation angles different from one another; and
Determining values of the distance of the object on the basis of a respective superposition of the partial signals reflected on the object with a reference signal not reflected on the object resulting in beat frequencies;
- the measurement times of different beat frequencies being stored; and
- a subsequent unambiguous association between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values being made on the basis of the stored measurement times.

Gemäß einer Ausführungsform wird für eine gemessene Schwebungsfrequenz auf den zugehörigen Abstrahlwinkel des für diese Schwebungsfrequenz jeweils ursächlichen Teilsignals unter Berücksichtigung des Messzeitpunkts der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts zurückgerechnet.According to one embodiment, for a measured beat frequency, the associated radiation angle of the partial signal causing this beat frequency is calculated back, taking into account the measurement time of the relevant beat frequency and the distance of the object resulting from the relevant beat frequency.

Gemäß einer Ausführungsform liegt die Länge eines zeitlichen Abtastintervalls, über welches die Bestimmung der jeweiligen Schwebungsfrequenzen erfolgt, im Bereich von 0.1 µs bis 1µs .According to one embodiment, the length of a time sampling interval over which the respective beat frequencies are determined is in the range from 0.1 μs to 1 μs.

Der Erfindung geht zunächst von dem Konzept aus, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts ein Abscannen des Objekts dadurch zu realisieren, dass im Signalweg noch vor dem Objekt über ein dispersives Element eine Winkelverteilung der im von einer Lichtquelle ausgesandten optischen Signal vorhandenen, unterschiedlichen Frequenzen insofern bewirkt wird, als diese Frequenzen bzw. die die jeweiligen Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen mit unterschiedlichem Kipp bzw. unter unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden, so dass ein Abscannen des Objekts erzielt wird, ohne dass hierzu bewegliche Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel benötigt werden.The invention is initially based on the concept of realizing a scanning of the object in a device for determining the distance of an object by creating an angular distribution of the different frequencies present in the optical signal emitted by a light source in the signal path in front of the object via a dispersive element is effected when these frequencies or the partial beams having the respective frequencies are directed onto the object at different tilts or at different angles, so that the object is scanned without the need for moving components such as scanning or deflecting mirrors .

Der erfindungsgemäße Einsatz eines dispersiven Scanners hat hierbei im Vergleich zur Verwendung beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zunächst den Vorteil, dass die jeweiligen Signale aufgrund des Umstandes, dass Ausstrahl- und Empfangsrichtung jeweils wellenlängenabhängig sind und für ein- und denselben Objektort keine Wellenlängenänderung vorliegt (wobei die durch den Dopplereffekt bewirkte Frequenzverschiebung i.A. vernachlässigt werden kann), unabhängig von der Geschwindigkeit des Scanvorgangs stets in den Sender-/Empfängerkanal zurückverlaufen, also vom Objekt zurückkommendes Licht stets in den Empfänger bzw. Detektor gelangt.The use of a dispersive scanner according to the invention has the advantage, compared to the use of movable components such as scanning or deflecting mirrors, that the respective signals due to the fact that the direction of emission and reception are each dependent on the wavelength and there is no change in wavelength for one and the same object location (whereby the frequency shift caused by the Doppler effect can generally be neglected), regardless of the speed of the scanning process, always run back into the transmitter / receiver channel, i.e. light coming back from the object always reaches the receiver or detector.

Von diesem Prinzip ausgehend beinhaltet die Erfindung nun insbesondere das Konzept, für aus den wie vorstehend beschrieben erzeugten Teilsignalen und deren jeweilige Überlagerung mit dem Referenzsignal erhaltene Schwebungsfrequenzen auch den jeweiligen Zeitpunkt, zu dem die betreffende Schwebungsfrequenz gemessen wird, zu erfassen, um basierend auf dem jeweiligen Messzeitpunkt der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts wiederum zurückzurechnen, welcher Abstrahlwinkel - und damit welcher Ort auf dem Objekt - der Schwebungsfrequenz bzw. dem daraus resultierenden, ermittelten Abstand des Objekts zuzuordnen ist.On the basis of this principle, the invention now includes in particular the concept of detecting the respective point in time at which the respective beat frequency is measured for beat frequencies obtained from the partial signals generated as described above and their respective superimposition with the reference signal, in order to be based on the respective In turn, to calculate back the measurement time of the relevant beat frequency and the distance of the object resulting from the relevant beat frequency, which radiation angle - and thus which location on the object - is to be assigned to the beat frequency or the resulting, determined distance of the object.

Im Ergebnis kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jeder Schwebungsfrequenz (bzw. jedem Frequenzpeak im FourierSpektrum des erhaltenen Überlagerungssignals) eindeutig sowohl ein Objektabstand als auch ein Abstrahlwinkel bzw. Objektort zugeordnet werden.As a result, in the method according to the invention, each beat frequency (or each frequency peak in the Fourier spectrum of the superimposed signal obtained) can be uniquely assigned both an object distance and an emission angle or object location.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei zum einen den Vorteil, dass im Vergleich zu einem Laufzeit- bzw. tofbegrenzten Verfahren ein wesentlich schnellerer Scanprozess realisiert werden kann, da infolge der erfindungsgemäßen „nachträglichen“ Zuordnung von Schwebungsfrequenzen bzw. Objektabständen zu Abstrahlwinkeln bzw. Objektorten die Verweildauer eines jeweiligen Messspots auf dem abzuscannenden Objekt ohne Rücksicht auf die Laufzeit des Signals und insbesondere kürzer als diese Laufzeit gewählt werden kann.The method according to the invention has the advantage that a significantly faster scanning process can be implemented in comparison to a run-time or tof-limited method, since the dwell time of a is due to the "subsequent" assignment of beat frequencies or object distances to radiation angles or object locations respective measurement spots on the object to be scanned can be selected regardless of the transit time of the signal and in particular shorter than this transit time.

Ein weiterer aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierender Vorteil ist, dass auch bei Erfassung von zwei oder mehr Schwebungsfrequenzen bzw. Frequenzpeaks im FourierSpektrum des Überlagerungssignals aufgrund der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Zurückrechnung ermittelt werden kann, welcher Frequenzpeak bzw. welche Schwebungsfrequenz zu welchem Abstrahlwinkel bzw. Objektort gehört.Another advantage resulting from the method according to the invention is that even when two or more beat frequencies or frequency peaks are detected in the Fourier spectrum of the superimposed signal, based on the above-described recalculation according to the invention, it is possible to determine which frequency peak or which beat frequency belongs to which radiation angle or object location .

Infolgedessen können beispielsweise auch Szenarien messtechnisch erfasst werden, bei denen während eines vergleichsweise schnellen Scanprozesses ein in relativ geringem Abstand (von z.B. wenigen Metern) befindliches Objekt wie z.B. eine Hauskante unmittelbar auf ein vergleichsweise weit (z.B. mehrere hundert Meter) entferntes Objekt folgt, da in diesem Falle beide erhaltene Frequenzpeaks eindeutig dem jeweiligen Abstrahlwinkel zugeordnet werden können.As a result, for example, scenarios can also be recorded using measurement technology, in which an object such as an object located at a relatively short distance (e.g. a few meters) during a comparatively fast scanning process. the edge of a house immediately follows an object that is comparatively far (e.g. several hundred meters) away, since in this case both frequency peaks obtained can be clearly assigned to the respective radiation angle.

Mit anderen Worten beinhaltet die Erfindung das Konzept, in einer mit einem dispersiven Scanner ausgestatteten Vorrichtung zur Abstandsermittlung zugleich Abstände zum Objekt und die jeweils zugehörigen Abstrahlwinkel des dispersiven Scanners zu ermitteln mit der Folge, dass auch Abstände zu mehreren, in unterschiedlicher Entfernung befindlichen Objekten innerhalb ein- und desselben Zeitfensters eindeutig bestimmt werden können.In other words, the invention includes the concept of simultaneously determining distances to the object and the respective associated emission angles of the dispersive scanner in a device equipped with a dispersive scanner for determining distances, with the result that distances to several objects at different distances are also within a - and the same time window can be clearly determined.

Durch das Merkmal der „Verwendung wenigstens einer Lichtquelle“ soll insbesondere zum Ausdruck gebracht werden, dass zur Erzielung höherer Datenraten auch eine Mehrzahl von parallel betriebenen Lichtquellen (sowie eine Mehrzahl von Detektoren) verwendet werden können.The feature of “using at least one light source” is intended to express in particular that a plurality of light sources operated in parallel (and a plurality of detectors) can also be used to achieve higher data rates.

Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit

- wenigstens einer Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- einem dispersiven Element, welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt gelenkt werden;
- einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; und
- einer Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen;
- wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorzunehmen.

The invention further relates to a device for determining the distance of an object by scanning

- At least one light source for emitting an optical signal with a frequency that varies over time;
a dispersive element which causes an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal, partial signals of the measurement signal being directed to the object at different radiation angles;
an evaluation device for determining values of the distance of the object on the basis of beat frequencies resulting from a superposition of the partial signals reflected on the object with a reference signal not reflected on the object; and
- A memory unit for storing the measurement times of different beat frequencies;
- The evaluation device being designed to subsequently make a clear association between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values on the basis of the stored measurement times.

Gemäß einer Ausführungsform ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m, insbesondere bis zu 200m, weiter insbesondere bis zu 300m, mit der Vorrichtung eine Scanrate von wenigstens 0.6MHz, insbesondere von wenigstens 0.8MHz, weiter insbesondere von wenigstens 1MHz, erzielbar. Unter der Scanrate ist die Anzahl der Pixel, deren Distanz gemessen werden kann, pro Sekunde zu verstehen.According to one embodiment, with the device according to the invention, when detecting object distances of up to 100 m, in particular up to 200 m, further in particular up to 300 m, with the device a scan rate of at least 0.6MHz, in particular of at least 0.8MHz, further in particular of at least 1MHz, achievable. The scan rate is the number of pixels, the distance of which can be measured, per second.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine mit der Vorrichtung erzielbare Scanrate im Vergleich zu einer zweiten Scanrate bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m um einen Faktor von wenigstens zwei, insbesondere um einen Faktor von wenigstens drei, weiter insbesondere um einen Faktor von wenigstens vier, gesteigert, wobei diese zweite Scanrate mit einer alternativen Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts erzielbar ist, wobei bei dieser alternativen Vorrichtung keine nachträgliche Zuordnung zwischen aus jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt auf Basis gespeicherter Messzeitpunkte erfolgt.According to one embodiment, a scan rate that can be achieved with the device is increased by a factor of at least two, in particular by a factor of at least three, further in particular by a factor of at least four, compared to a second scan rate when detecting object distances of up to 100 m, This second scan rate can be achieved with an alternative device for the scanning distance determination of an object, with this alternative device no subsequent assignment between distance values resulting from each measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values on the basis of stored measurement times.

Gemäß einer Ausführungsform weist das dispersive Element ein AWG auf.According to one embodiment, the dispersive element has an AWG.

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

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

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3a-3b weitere Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Show it:

1 a schematic representation to explain the structure and mode of operation of a device for determining distance with which the method according to the invention can be implemented;
2 a schematic representation to explain an embodiment of the method according to the invention; and
3a-3b further diagrams to explain the method according to the invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1 und 2 beschrieben.In an exemplary embodiment, the method according to the invention is described below with reference to the schematic representations in FIG 1 and 2 described.

1 zeigt zunächst einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. 1 shows first of all a basic structure of a device for determining distance, with which the method according to the invention can be carried out.

Eine Lichtquelle 110 dient zum Aussenden eines optischen Signals 111 mit zeitlich variierender Frequenz. Die Lichtquelle 110 kann lediglich beispielhaft eine (zentrale) Wellenlänge von 1550nm±100nm aufweisen. Weitere Wellenlängen bzw. Bandbreiten (z.B. 910nm±50nm) sind ebenfalls möglich. Im Ausführungsbeispiel weist das Signal einen Frequenzverlauf mit linearer Zeitabhängigkeit auf. Das von der Lichtquelle 110 ausgesandte Signal mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) wird über einen Strahlteiler 115 (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) in zwei Teilsignale aufgespalten.A source of light 110 serves to send out an optical signal 111 with a frequency that varies over time. The light source 110 can only have a (central) wavelength of 1550nm ± 100nm as an example. Other wavelengths or bandwidths (eg 910nm ± 50nm) are also possible. In the exemplary embodiment, the signal has a frequency profile with a linear time dependence. That from the light source 110 The transmitted signal with a frequency that has changed over time (also known as “chirp”) is transmitted via a beam splitter 115 (eg a partially transparent mirror or a fiber optic splitter) split into two partial signals.

Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 145 gekoppelt und an einem Detektor 150 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal ohne Reflexion an dem mit „140“ bezeichneten Objekt zu dem Signalkoppler 145 und dem Detektor 150 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 145 bzw. am Detektor 150 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen zunächst als Messsignal über einen optischen Zirkulator 120 und eine Kollimator- und Scanner-Einheit 130 zum Objekt 140, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt im Vergleich zum Referenzsignal mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 145 und zum Detektor 150.The two partial signals are transmitted via a signal coupler 145 coupled and attached to a detector 150 superimposed on each other, with the first partial signal as a reference signal without reflection at the object labeled “140” to the signal coupler 145 and the detector 150 got. The second on the signal coupler 145 or at the detector 150 In contrast, incoming partial signals initially run as a measurement signal via an optical circulator 120 and a collimator and scanner unit 130 to the object 140 , is reflected back by this and reaches the signal coupler with a time delay and a correspondingly changed frequency compared to the reference signal 145 and to the detector 150 .

Der dem Messsignal entsprechende Strahl weist zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Frequenzen auf und trifft auf ein in der Kollimator- und Scanner-Einheit 130 vorhandenes dispersives Element 131, von welchem aus unterschiedliche Frequenzen (d.h. die jeweiligen Frequenzen aufweisende Teilstrahlen 102, 102,...) in voneinander verschiedene Richtungen zum Objekt 140 hin abgelenkt werden. Wenngleich hierdurch grundsätzlich ein Abscannen des Objekts 140 ohne Erfordernis beweglicher Komponenten wie Scan- oder Ablenkspiegel ermöglicht wird, kann zur Durchführung eines zweidimensionalen Scanvorgangs auch - in Kombination mit dem dispersiven Element 131 - eine (oder mehrere) mechanische Komponente(n) wie ein Scan- oder Ablenkspiegel eingesetzt werden.The beam corresponding to the measurement signal has different frequencies at different times and hits the collimator and scanner unit 130 existing dispersive element 131 , from which different frequencies (ie partial beams having the respective frequencies 102 , 102 , ...) in different directions to the object 140 be distracted. Although this basically means that the object is scanned 140 is made possible without the need for moving components such as scanning or deflection mirrors, can also be used to carry out a two-dimensional scanning process - in combination with the dispersive element 131 - One (or more) mechanical component (s) such as a scanning or deflecting mirror are used.

Im Signalkoppler 145 erfolgt die Zusammenführung der wie vorstehend beschrieben aus dem Messsignal erzeugten Teilsignale mit dem Referenzsignal. Über eine Auswerteeinrichtung 160 wird das vom Detektor 150 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste Differenzfrequenz zwischen Messsignal und Referenzsignal charakteristisch für den Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ist. Im 1 ist mit „D“ der Strahldurchmesser und mit „d“ der Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bezeichnet.In the signal coupler 145 the partial signals generated from the measurement signal as described above are combined with the reference signal. Via an evaluation device 160 that is from the detector 150 delivered detector signal relative to the measuring device or the light source 110 evaluated, the difference frequency detected at a certain point in time between the measurement signal and reference signal characteristic of the distance to the object 140 from the measuring device or the light source 110 is. in the 1 with "D" the beam diameter and with "d" the distance of the object 140 designated by the measuring device.

Erfindungsgemäß wird nun zu den für die Überlagerung der jeweiligen Teilsignale mit dem Referenzsignal erhaltenen Schwebungsfrequenzen auch der jeweilige Messzeitpunkt, zu dem die betreffende Schwebungsfrequenz gemessen wird, erfasst, um basierend auf dem Messzeitpunkt der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus dem Frequenzwert der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts 140 zurückzurechnen, welcher Abstrahlwinkel - und damit welcher Ort auf dem Objekt 140 - der Schwebungsfrequenz bzw. dem daraus resultierenden, ermittelten Abstand des Objekts 140 zuzuordnen ist. Als „Messzeitpunkt“ einer Schwebungsfrequenz kann insbesondere der Mittelwert zwischen dem zeitlichen Anfangswert und dem zeitlichen Endwert eines Abtastintervalls, in welchem die jeweilige Messung erfolgt, herangezogen werden.According to the invention, in addition to the beat frequencies obtained for superimposing the respective partial signals with the reference signal, the respective measurement time at which the relevant beat frequency is measured is now recorded in order, based on the measurement time of the relevant beat frequency and the distance of the resulting from the frequency value of the relevant beat frequency Object 140 to calculate back, which beam angle - and thus which location on the object 140 - the beat frequency or the resulting, determined distance of the object 140 is to be assigned. In particular, the mean value between the initial value in time and the final value in time of a sampling interval in which the respective measurement takes place can be used as the “measurement time” of a beat frequency.

2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des vorstehenden Konzepts. Gemäß 2 sind zeitliche Abtastintervalle, welche wesentlich kürzer als eine zu erwartende Licht- bzw. Signallaufzeit (tof = „time of flight“) sind, mit „1“, „2“, „3“, ... bezeichnet. Typische Größenordnungen der zeitlichen Abtastintervalle für eine Entfernung von 150m können hierbei 0.5µs betragen. Im Abtastintervall „3“ werden zwei Peaks „A“ und „B“ im Fourierspektrum des Signals beobachtet. Peak „A“ hat eine Schwebungsfrequenz, welche einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem ausgesandten Messsignal und dem empfangenen Messsignal von einem Abtastintervall entspricht. Der zugehörige Abstrahlwinkel entspricht daher dem Abstrahlwinkel im Abtastintervall „2“, in dem jedoch das zurücklaufende Signal noch nicht beobachtbar war, da die Licht- bzw. Signallaufzeit größer als ein Abtastintervall war. Peak „B“ hat eine Schwebungsfrequenz, welche einer Verzögerung von zwei Abtastintervallen entspricht. Der zugehörige Abstrahlwinkel gehört somit zum Abtastintervall „1“. Da jedem Abtastintervall ein mittlerer Winkel zugeordnet ist und die Zuordnung „Winkel zu Zeit“ ebenfalls bekannt ist, kann bei bekannter Schwebungsfrequenz der zugehörige Abstrahlwinkel berechnet werden, indem der Zeitversatz (welcher umgekehrt proportional zur Schwebungsfrequenz ist) berücksichtigt wird. 2 Fig. 16 is a diagram illustrating the above concept. According to 2 are temporal sampling intervals, which are significantly shorter than an expected light or signal transit time (tof = "time of flight"), designated with "1", "2", "3", ... Typical orders of magnitude of the temporal sampling intervals for a distance of 150m can be 0.5µs. In sampling interval “3”, two peaks “A” and “B” are observed in the Fourier spectrum of the signal. Peak “A” has a beat frequency which corresponds to a time delay between the transmitted measurement signal and the received measurement signal of a sampling interval. The associated radiation angle therefore corresponds to the radiation angle in sampling interval “2”, in which, however, the returning signal was not yet observable because the light or signal propagation time was greater than a sampling interval. Peak "B" has a beat frequency which corresponds to a delay of two sampling intervals. The associated radiation angle therefore belongs to sampling interval "1". Since a mean angle is assigned to each sampling interval and the assignment "angle to time" is also known, can if the beat frequency is known, the associated radiation angle can be calculated by taking into account the time offset (which is inversely proportional to the beat frequency).

Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Konzept anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.The concept according to the invention is explained below using a specific exemplary embodiment.

Dabei wird lediglich beispielhaft eine lineare Zeitabhängigkeit der Frequenz des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals gemäß $f (t) {= f}_{0} + K*t$

zugrundegelegt, wobei κ die Chirprate bezeichnet. Wenn die Frequenz einen Maximalwert f+Δf erreicht hat, springt der Frequenzwert zurück auf den Ausgangswert, woraufhin sich die Frequenz-Durchstimmung wiederholt. Bei einer Durchlaufzeit τ für eine vollständige Frequenz-Durchstimmung bis zum maximalen Frequenzwert f+Δf ergibt sich eine Chirprate K=Δf/τ.A linear time dependence of the frequency of the light source is only exemplified 110 emitted signal according to

f (t) {= f}_{0} + K * t

based, where κ denotes the chirp rate. When the frequency has reached a maximum value f + Δf, the frequency value jumps back to the initial value, whereupon the frequency tuning is repeated. With a throughput time τ for a complete frequency tuning up to the maximum frequency value f + Δf, a chirp rate K = Δf / τ results.

Infolge der erfindungsgemäß verwendeten dispersiven Kollimator- und Scanner-Einheit 130 ist der Abstrahlwinkel Φ(t) direkt mit der Wellenlänge und damit auch mit der Frequenz gekoppelt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei nun angenommen, dass sich bei einer vollständigen Frequenz-Durchstimmung der Abstrahlwinkel um einen Betrag ΔΦ ändert. Somit wird abgestrahltes Licht, für welches keine wesentliche (durch Dopplereffekt verursachte) Änderung der Wellenlänge oder Ortsveränderung innerhalb der Lichtlaufzeit tof (die typische Werte von weniger als 1 µs aufweisen kann) stattfindet, bei Reflexion an dem Objekt 140 stets in den Detektor 150 zurückgekoppelt, und zwar auch dann, wenn sich der Abstrahlwinkel während der Lichtlaufzeit bereits wesentlich geändert hat.As a result of the dispersive collimator and scanner unit used according to the invention 130 the radiation angle Φ (t) is directly coupled with the wavelength and thus also with the frequency. Without loss of generality, it is now assumed that the radiation angle changes by an amount ΔΦ in the case of a complete frequency tuning. Thus, emitted light for which there is no significant change in wavelength (caused by the Doppler effect) or change in location within the light transit time tof (which can have typical values of less than 1 μs) is reflected on the object 140 always in the detector 150 fed back, even if the beam angle has already changed significantly during the time of flight.

Wird das von der Lichtquelle 110 ausgehende Licht in einen Referenzstrahl und Messstrahl aufgeteilt, die anschließend am Detektor 150 interferieren, entsteht ein entfernungsabhängiges Schwebungssignal, dessen Frequenz aus der Chirprate κ bestimmt werden kann. Bei einem Abstand d gilt für die Schwebungsfrequenz: $f_{Schwebung} (d) = 2 * κ∗ d/c$

wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Tritt nun gleichzeitige Interferenz mehrerer Signale aus unterschiedlichen Entfernungen am Detektor 150 auf, so entstehen mehrere Schwebungsfrequenzen, welche durch eine Fouriertransformation des Schwebungssignals eindeutig bestimmt werden können. Bei Aufteilung der Durchlaufzeit τ in n Messintervalle werden gleichzeitig n verschiedene Winkelpositionen innerhalb des Bereichs [φ, φ+Δφ] definiert. Im Folgenden wird nun das Messsignal in einem Messzeitfenster [t, t+τ/η] betrachtet, wobei der Wert von τ/η wesentlich kleiner als die Lichtlaufzeit 2*d/c angenommen wird. Dabei kann der Abstand d typischerweise 150m betragen.Will that from the light source 110 outgoing light is split into a reference beam and measuring beam, which are then sent to the detector 150 interfere, a distance-dependent beat signal is generated, the frequency of which can be determined from the chirp rate κ. At a distance d, the following applies to the beat frequency:

f_{Beat} (d) = 2 * κ ∗ d / c

where c denotes the speed of light. If there is now simultaneous interference of several signals from different distances at the detector 150 on, then several beat frequencies arise, which can be clearly determined by a Fourier transformation of the beat signal. When dividing the throughput time τ into n measuring intervals, n different angular positions are simultaneously defined within the range [φ, φ + Δφ]. In the following, the measurement signal is now considered in a measurement time window [t, t + τ / η], the value of τ / η being assumed to be significantly smaller than the light transit time 2 * d / c. The distance d can typically be 150 m.

Beobachtet man im vorstehend erwähnten Messfenster ein Signal der Frequenz 2*K*d/c, so wurde dieses Signal im Zeitfenster [t-2*d/c, t+τ/n-2*d/c] ausgesandt. Da der zugehörige Winkel aus der Winkel/Zeitabhängigkeit eindeutig bestimmt werden kann, kann eindeutig der Ort des streuenden bzw. reflektierenden Objektes 140 bestimmt werden.If a signal of frequency 2 * K * d / c is observed in the above-mentioned measurement window, this signal was transmitted in the time window [t-2 * d / c, t + τ / n-2 * d / c]. Since the associated angle can be clearly determined from the angle / time dependency, the location of the scattering or reflecting object can be clearly identified 140 to be determined.

Einschränkend wird hierbei vorausgesetzt, dass bei typischen Geschwindigkeiten mit Werten von z.B. 100km/h, typischen Messintervallen mit Werten im Bereich von 0. 1µs und typischen Lichtlaufzeiten (tof) mit Werten im Bereich von 1µs nur geringfügige Änderungen des Ortes auftreten. Beispielsweise würde sich bei einer Geschwindigkeit von 100km/h der Abstand während der Lichtlaufzeit nur um 28 µm verändern, was im Vergleich zu Messfehlern vernachlässigbar ist. Die maximale Detektorfrequenz bestimmt zugleich die maximal detektierbare Entfernung. Licht, welches aus größerer Entfernung zurückgestreut wird, kann nicht mehr erfasst werden. In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind gemäß Tabelle 1 für einen beispielhaften Wert der Chirprate κ der Lichtquelle 110 von K=5*10¹⁵ Hz/s und unterschiedliche Abstände des Objekts 140 bis zu 150m unter Zugrundelegung einer Messzeit von 0. 08µs pro Pixel (zur Erzielung einer Pixelrate von 25fps mit 0.5MPixeln) die jeweiligen Werte der Schwebungsfrequenz sowie die Verzögerungszeit und der Pixel-Versatz für die jeweilige Messung dieser Schwebungsfrequenzen aufgeführt. Tabelle 1: Abstand [m] Schwebungsfrequenz [Hz] Verzögerungszeit [s] Pixel-Versatz 10 3.67*10⁸ 6.67*10^-8 0 20 7.35*10⁸ 1.33*10-⁷ 1 30 1.10*10⁹ 2.00*10^-7 2 40 1.47*10⁹ 2.67*10^-7 3 50 1.84*10⁹ 3.33*10^-7 4 60 2.20*10⁹ 4.00*10^-7 4 70 2.57*10⁹ 4.67*10-⁷ 5 80 2.94*10⁹ 5.33*10^-7 6 90 3.31*10⁹ 6. 00*10^-7 7 100 3.67*10⁹ 6.67*10^-7 8 110 4.04*10⁹ 7.33*10^-7 9 120 4.41*10⁹ 8.00*10^-7 9 130 4.77*10⁹ 8.67*10^-7 10 140 5.14*10⁹ 9.33*10^-7 11 150 5.51*10⁹ 1.00*10^-6 12 As a limitation, it is assumed that at typical speeds with values of eg 100km / h, typical measurement intervals with values in the range of 0.1µs and typical light transit times (tof) with values in the range of 1µs, only minor changes in the location occur. For example, at a speed of 100 km / h, the distance would only change by 28 µm during the light travel time, which is negligible compared to measurement errors. The maximum detector frequency also determines the maximum detectable distance. Light that is scattered back from a greater distance can no longer be detected. In a specific exemplary embodiment, table 1 shows an exemplary value of the chirp rate κ of the light source 110 of K = 5 * 10 ¹⁵ Hz / s and different distances of the object 140 up to 150m based on a measurement time of 0.08µs per pixel (to achieve a pixel rate of 25fps with 0.5MPixels) the respective values of the beat frequency as well as the delay time and the pixel offset for the respective measurement of these beat frequencies are listed. Table 1: Distance [m] Beat frequency [Hz] Delay time [s] Pixel offset 10 3.67 * 10 ⁸ 6.67 * 10 ^-8 0 20th 7.35 * 10 ⁸ 1.33 * 10- ⁷ 1 30th 1.10 * 10 ⁹ 2.00 * 10 ^-7 2 40 1.47 * 10 ⁹ 2.67 * 10 ^-7 3 50 1.84 * 10 ⁹ 3.33 * 10 ^-7 4th 60 2.20 * 10 ⁹ 4.00 * 10 ^-7 4th 70 2.57 * 10 ⁹ 4.67 * 10- ⁷ 5 80 2.94 * 10 ⁹ 5.33 * 10 ^-7 6th 90 3.31 * 10 ⁹ 6. 00 * 10 ^-7 7th 100 3.67 * 10 ⁹ 6.67 * 10 ^-7 8th 110 4.04 * 10 ⁹ 7.33 * 10 ^-7 9 120 4.41 * 10 ⁹ 8.00 * 10 ^-7 9 130 4.77 * 10 ⁹ 8.67 * 10 ^-7 10 140 5.14 * 10 ⁹ 9.33 * 10 ^-7 11 150 5.51 * 10 ⁹ 1.00 * 10 ^-6 12th

Bei einer Distanz von 150m entspricht die Verzögerungszeit einem Pixel-Versatz von 12 Pixeln. Beobachtet man nun das Signal in einem Zeitintervall [t, t+0.08 µs], so würde man bei einer Fouriertransformation des Signals gemäß 3a mehrere Frequenzpeaks gemäß 3b, die im Ausführungsbeispiel den Objektabständen 10m, 50m, 100m und 150m entsprechen, beobachten.At a distance of 150m, the delay time corresponds to a pixel offset of 12 pixels. If one now observes the signal in a time interval [t, t + 0.08 µs], one would with a Fourier transformation of the signal according to 3a several frequency peaks according to 3b , which in the exemplary embodiment correspond to the object distances 10m, 50m, 100m and 150m.

Bei Verwendung eines konventionellen Scanspiegels würde nur der „10m-Peak“ beobachtet, da das Licht aus größeren Entfernungen nicht mehr innerhalb der Pixelzeit zum Detektor gelangen würde.If a conventional scanning mirror is used, only the “10m peak” would be observed, since the light would no longer reach the detector from greater distances within the pixel time.

Der 150m Peak weist im Ausführungsbeispiel einen Pixel-Versatz von 12 Pixeln auf. Die entsprechende Abstandsberechnung muss daher nicht dem Abstrahlwinkel im Zeitintervall [t, t+0.08 µs], sondern dem Abstrahlwinkel im Intervall [t-0.96 µs, t+0.84 ps] bzw. [t-12*0.08 µs, t+0.08 µs-12*0.08 µs] zugeordnet werden. Analog werden zu den übrigen Peaks die gehörigen Abstrahlwinkel berechnet. Im Ergebnis kann so jedem Frequenzpeak eindeutig ein Abstand und ein Abstrahlwinkel zugeordnet werden.In the exemplary embodiment, the 150 m peak has a pixel offset of 12 pixels. The corresponding distance calculation therefore does not have to use the radiation angle in the time interval [t, t + 0.08 µs], but rather the radiation angle in the interval [t-0.96 µs, t + 0.84 ps] or [t-12 * 0.08 µs, t + 0.08 µs- 12 * 0.08 µs] can be assigned. The corresponding radiation angles are calculated analogously for the other peaks. As a result, a distance and an angle of radiation can be clearly assigned to each frequency peak.

In weiteren Ausführungsformen können zur Durchführung eines zweidimensionalen Scanvorgangs auch - in Kombination mit dem dispersiven Element - eine (oder mehrere) mechanische Komponente(n) wie ein Scan- oder Ablenkspiegel eingesetzt werden. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise schnelles dispersives Scannen entlang einer Achse bzw. in einer Raumrichtung mit einem vergleichsweise langsamen mechanischen Scannen in der anderen (typicherweise senkrechten) Raumrichtung kombiniert werden. Legt man wie oben ein 0.5MPixel-Bild zugrunde, entspricht dies bei einem beispielhaft angenommenen quadratischen Bildfeld 707 Pixel * 707 Pixel. Während für den schnellen dispersiven Scanvorgang der Winkel alle 0. 08µs (entsprechend der Messzeit im o.g. Beispiel) verändert wird, findet beim vergleichsweise langsamen mechanischen Scannen eine Richtungsänderung nur alle 56µs statt (was im Vergleich zur Laufzeit unkritisch ist).In further embodiments, one (or more) mechanical component (s) such as a scanning or deflecting mirror can also be used - in combination with the dispersive element - to carry out a two-dimensional scanning process. In this way, a comparatively fast dispersive scanning along one axis or in one spatial direction can be combined with a comparatively slow mechanical scanning in the other (typically vertical) spatial direction. If, as above, a 0.5MPixel image is used as a basis, this corresponds to 707 pixels * 707 pixels for a square image field assumed as an example. While the angle is changed every 0. 08µs for the fast dispersive scanning process (corresponding to the measuring time in the above example), with the comparatively slow mechanical scanning a change of direction only takes place every 56µs (which is not critical compared to the running time).

In 3a-3b sind zur Erläuterung der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Wirkung die für unterschiedliche Abstandswerte erhaltenen Peaks im anhand einer Fouriertransformation des Schwebungssignals erhaltenen Signalspektrum sowohl für ein Szenario ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mit einer nichtdispersiven Scaneinrichtung wie einem Galvoscanner ( 3a) als auch für ein Szenario mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (3b) gezeigt.In 3a-3b To explain the effect achieved by the method according to the invention, the peaks obtained for different distance values in the signal spectrum obtained using a Fourier transformation of the beat signal both for a scenario without using the method according to the invention or with a non-dispersive scanning device such as a galvo scanner ( 3a) as well as for a scenario using the method according to the invention ( 3b) shown.

Gemäß 3b können mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Frequenzpeaks (entsprechend Abstandswerten von 10m, 50m, 100m bzw. 150m) in dem anhand einer Fouriertransformation des Schwebungssignals erhaltenen Signalspektrum ermittelt werden. Zugleich kann aufgrund der erfindungsgemäßen Zurückrechnung ermittelt werden, welcher dieser Frequenzpeaks bzw. welche Schwebungsfrequenz zu welchem Abstrahlwinkel bzw. Objektort gehört. Infolgedessen können auch Szenarien messtechnisch erfasst werden, bei denen im Laufe eines vergleichsweise schnellen Scanprozesses sowohl ein in relativ geringem Abstand (von z.B. wenigen Metern) befindliches Objekt wie z.B. eine Hauskante unmittelbar auf ein vergleichsweise weit (z.B. mehrere hundert Meter) entferntes Objekt folgt, da dann beide erhaltene Frequenzpeaks eindeutig dem jeweiligen Abstrahlwinkel zugeordnet werden können.According to 3b Using the method according to the invention, several frequency peaks (corresponding to distance values of 10 m, 50 m, 100 m or 150 m) can be determined in the signal spectrum obtained using a Fourier transformation of the beat signal. At the same time it can be determined on the basis of the back calculation according to the invention which of these frequency peaks or which beat frequency to which beam angle or object location belongs. As a result, it is also possible to measure scenarios in which, in the course of a comparatively fast scanning process, an object located at a relatively short distance (e.g. a few meters) such as the edge of a house immediately follows an object comparatively far (e.g. several hundred meters) away, since then both frequency peaks obtained can be clearly assigned to the respective radiation angle.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die herkömmlicherweise mit zunehmendem Objektabstand gegebene Abnahme der bei der scannenden Abstandsermittlung erzielbaren Daten- bzw. Pixelrate entfällt:

Wenn man etwa in einem einfachen Berechnungsbeispiel von einer Signalauswertungszeit von 1µs ausgeht, ergibt sich für ein herkömmliches Verfahren eine Daten- bzw. Pixelrate vom IMPixel/s. Infolge der Laufzeitbegrenzung würde sich jedoch bei einem Objektabstand von 150m die gesamte, pro Messpunkt erforderliche Messzeit (für Signalauswertung sowie Hin- und Zurücklaufen des Signals zum bzw. vom Objekt) auf t_ges. = 1µs (Signalauswertungszeit) + 1µs (Laufzeit) = 2µs erhöhen, da für jeden Messpunkt das Zurücklaufen des am Objekt reflektierten Signals abgewartet werden muss. Bei einem Objektabstand von 300m würde sich die gesamte erforderliche Messzeit pro Messpunkt auf tges. = 1µs (Signalauswertungszeit) +2µs (Laufzeit) =3µs erhöhen, etc.

From the foregoing it follows that when the method according to the invention is used, the decrease in the data or pixel rate that can be achieved with the scanning distance determination, which is conventionally given with increasing object distance, is omitted:

If, for example, a signal evaluation time of 1µs is assumed in a simple calculation example, the result for a conventional method is a data or pixel rate of IMPixel / s. As a result of the transit time limitation, however, at an object distance of 150 m, the total measuring time required per measuring point (for signal evaluation and for the signal to and from the object) would be t _total. = 1µs (signal evaluation time) + 1µs (running time) = 2µs increase, since the return of the signal reflected on the object must be awaited for each measuring point. With an object distance of 300m, the total required measuring time per measuring point would be tges. = 1µs (signal evaluation time) + 2µs (runtime) = 3µs increase, etc.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Zurücklaufen des am Objekt reflektierten Signals für die einzelnen Messpunkte nicht abgewartet werden muss (also die Laufzeitbegrenzung entfällt), fällt unabhängig vom Objektabstand für jeden Messpunkt nur die Signalauswertungszeit von 1µs an mit der Folge, dass die im Berechnungsbeispiel insoweit erzielbare Daten- bzw. Pixelrate vom IMPixel/s auch bei Abständen von z.B. mehr als 100m, insbesondere mehr als 200m, erhalten bleibt.Since with the method according to the invention the return of the signal reflected on the object does not have to be waited for for the individual measuring points (i.e. the time limit is not applicable), only the signal evaluation time of 1µs is required for each measuring point regardless of the object distance, with the result that the one that can be achieved in the calculation example Data or pixel rate of the IMPixel / s even with distances of e.g. more than 100m, in particular more than 200m, is retained.

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.While the invention has been described in terms of specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments will occur to those skilled in the art, e.g. by combining and / or exchanging features of individual embodiments. Accordingly, it is understood by a person skilled in the art that such variations and alternative embodiments are also included in the present invention and the scope of the invention is limited only in the sense of the attached patent claims and their equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2016/0299228 A1 [0006]

Claims

Device for the scanning distance determination of an object, with • at least one light source (110) for emitting an optical signal with a frequency that varies over time; • a dispersive element (131) which effects an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal, partial signals of the measurement signal being directed to the object (140) at different radiation angles; • an evaluation device (160) for determining values of the distance of the object (140) on the basis of beat frequencies resulting from a superposition of the partial signals reflected on the object (140) with a reference signal not reflected on the object (140); and • a memory unit for storing the measurement times of different beat frequencies; The evaluation device (160) is designed to subsequently make a clear association between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object (140) belonging to these distance values on the basis of the stored measurement times.

Device according to Claim 1 , characterized in that it is designed to detect object distances of more than 100m, further in particular of more than 200m.

Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that when object distances of up to 100m, in particular up to 200m, further in particular up to 300m, a scan rate of at least 0.6MHz, in particular of at least 0.8MHz, further in particular of at least 1MHz, can be achieved with the device.

Device according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that a scan rate that can be achieved with the device is increased by a factor of at least two, in particular by a factor of at least three, further in particular by a factor of at least four, compared to a second scan rate when detecting object distances of up to 100m This second scan rate can be achieved with an alternative device for the scanning distance determination of an object, with this alternative device no subsequent assignment between the distance values resulting from each measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values based on stored measurement times.

Device according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the dispersive element (131) has an AWG.

Device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the length of a temporal sampling interval over which the respective beat frequencies are determined is in the range from 0.1 µs to 1 µs.

Method for the scanning distance determination of an object, the method comprising the following steps: • Emitting, using at least one light source (110), an optical signal with a frequency that varies over time; • Generating an angular distribution of a measurement signal resulting from the optical signal by a dispersive element (131), partial signals of the measurement signal being directed to the object (140) at radiation angles that differ from one another; and • determining values of the distance of the object (140) on the basis of beat frequencies resulting from a superposition of the partial signals reflected on the object (140) with a reference signal not reflected on the object (140); • The measurement times of different beat frequencies are stored; and • where, on the basis of the stored measurement times, an unambiguous assignment is subsequently made between the distance values resulting from the respectively measured beat frequencies and the locations on the object belonging to these distance values.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that, for a measured beat frequency, the associated radiation angle of the partial signal causing this beat frequency is calculated back, taking into account the measurement time of the relevant beat frequency and the distance of the object resulting from the relevant beat frequency.

Procedure according to Claim 7 or 8th , characterized in that the length of a temporal sampling interval over which the respective beat frequencies are determined is in the range from 0.1 µs to 1 µs.