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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Die Vorrichtung und das Verfahren 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.
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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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12a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 1210 ausgesandtes Signal 1211 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.
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Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 1250 gekoppelt und an einem Detektor 1260 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 1222 ohne Reflexion an dem mit „1240“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 1250 und zum Detektor 1260 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 1250 bzw. am Detektor 1260 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 1221 über einen optischen Zirkulator 1220 und einen Scanner 1230 zum Objekt 1240, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 1222 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 1250 und zum Detektor 1260.
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Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 1260 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 12b dargestellte Differenzfrequenz 1231 zwischen Messsignal 1221 und Referenzsignal 1222 charakteristisch für den Abstand des Objekts 1240 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 ist. Gemäß 12b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 1240 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 1210 ausgesandten Signals 1211 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 1210 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 lediglich beispielhaft auf
US 2016/0299228 A1 sowie die Publikation 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 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 und ein Verfahren 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 ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 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 12a-12b 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 wenigstens 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 wenigstens eine 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 Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Mehrzahl von modengekoppelten Lasern zur Bereitstellung einer Mehrzahl von einander überlappenden Frequenzkämmen auf. Dabei kann insbesondere jeder dieser modengekoppelten Laser über jeweils einen Frequenzschieber an den weiteren, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser gekoppelt sein.
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Der erfindungsgemäße Einsatz einer Mehrzahl modengekoppelter Laser, über welche wie im Weiteren noch näher beschrieben einander überlappende Frequenzkämme erzeugt werden können, hat insbesondere den Vorteil der Realisierung einer vergleichsweise großen Moden- bzw. Pixelzahl, da der bei Einsatz lediglich eines einzigen modengekoppelten Lasers zwischen den einzelnen Moden verbleibende (und gewissermaßen „verlorengehende“) Bereich zur Bereitstellung weiterer Moden aus den jeweiligen Frequenzkämmen von anderen modengekoppelten Lasern und Erzeugung weiterer Pixel genutzt wird.
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Dabei geht die Erfindung auch von der weiteren Überlegung aus, dass zwar hinsichtlich der vom Objekt reflektierten Signale und der insoweit erforderlichen frequenzselektiven Aufteilung dieser Signale zwecks Überführung an die Detektoranordnung die technologischen Möglichkeiten von AWGs auf nicht zu dichte Modenabstände bzw. nicht zu enge Frequenzkämme begrenzt sind. Die Erfindung beinhaltet insoweit aber das weitere Konzept, durch Bereitstellung einer z.B. auf optischen Ringresonatoren basierenden Multiplex-Einrichtung sowie einer entsprechenden Demultiplex-Einrichtung auch die durch die vorstehend genannte Überlappung von Frequenzkämmen unterschiedlicher modengekoppelter Laser realisierten geringen Frequenzabstände „verarbeiten“ zu können.
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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 (≅ 6THz), insbesondere von wenigstens 100nm (≅12THz), 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 die Lichtquelle wenigstens einen, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser sowie wenigstens einen im Signalweg nachfolgenden optischen Frequenzkammgenerator auf. Insbesondere kann die Lichtquelle ein Array von jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Lasern aufweisen.
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Bei dieser Ausgestaltung kann der OFC-Generator (OFC= „Optical Frequency Comb“ = „Optischer Frequenzkamm“) dazu genutzt werden, einen vom Array der jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser erzeugten weiten Frequenzkamm (mit vergleichsweise großem Mittenfrequenzabstand zwischen den von den einzelnen Lasern des Arrays erzeugten Moden) in einen relativ dichten Frequenzkamm mit vergleichsweise geringem Frequenzabstand zwischen benachbarten Moden umzuwandeln, so dass im Ergebnis ebenfalls eine vergleichsweise große Moden- bzw. Pixelzahl mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen erzielt werden kann.
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Dabei hat der Einsatz des optischen Frequenzkammgenerators zum einen den Vorteil, dass ein mit dem Einsatz modengekoppelter Laser gegebenenfalls einhergehender Steuerungsaufwand (z.B. zur Berücksichtigung von Temperaturschwankungen) entbehrlich wird, so dass die Komplexität der Anordnung hinsichtlich einer solchen Steuerung signifikant reduziert wird. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz des OFC-Generators besteht darin, dass die durch den OFC-Generator zusätzlich erzeugten Moden bzw. „Kammlinien“ in Kohärenz mit den Lasern des besagten Arrays sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Multiplex-Einrichtung zum Einkoppeln von seitens der Lichtquelle bereitgestellten Signale in eine zum dispersiven Element führende optische Faser auf. Des Weiteren kann die Vorrichtung eine Demultiplex-Einrichtung zur Aufteilung von an dem Objekt reflektierten Signalen aufweisen. Die Multiplex-Einrichtung und/oder die Demultiplex-Einrichtung können insbesondere eine Mehrzahl von optischen Ringresonatoren aufweisen.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform folgt dem wenigstens einen 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 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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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle, 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; und
- - Ermitteln 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;
- - wobei über ein dispersives Element eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird in der Lichtquelle über einer Mehrzahl von modengekoppelten Lasern eine Mehrzahl von Frequenzkämmen erzeugt, wobei diese Frequenzkämme einander zur Bereitstellung eines resultierenden Frequenzkamms mit geringerem Modenabstand überlappen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden in der Lichtquelle in einem von einer Mehrzahl frequenzmodulierter Laser erzeugten Frequenzkamm verbleibende Frequenzbereiche zwischen benachbarten Moden unter Verwendung eines optischen Frequenzkamm-Generators durch weitere Moden aufgefüllt.
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Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchgeführt werden.
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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;
- 3-11 Diagramme und schematische Darstellungen zur Erläuterung möglicher weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung; und
- 12a-12b schematische Darstellungen 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 12a-12b 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 12a-12b 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 12a-12b für die weitere Auswertung verwendet wird. In Ausführungsformen kann im Signalweg des Messsignals 121 nach dem Strahlteiler 115 auch ein Verstärker vorgesehen sein.
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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 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 12a-12b, 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 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 12a-12b ausgelegten und den zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser 113, gemäß 2 hingegen über den elektrooptischen Modulator (EOM) 214.
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Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen in 4a-4f eine von dem Funktionsprinzip gemäß 1a-1b ausgehende, weitere Ausführungsform beschrieben, welche eine weitere signifikante Steigerung von Pixelanzahl sowie Parallelisierungsgrad ermöglicht, wobei zugleich auch ein geeignetes Multiplex- bzw. Demultiplex-Konzept bereitgestellt wird.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich gemäß 4a von der Ausführungsform gemäß 1a-1b insbesondere dadurch, dass anstelle nur eines modengekoppelten Lasers eine Mehrzahl modengekoppelter Laser 101.1, 101.2, ..., 101.n in einem entsprechenden Array eingesetzt wird. Die Kopplung dieses Arrays von modengekoppelten Lasern an den (analog zum Laser 113 aus 1a ausgestalteten) Laser 201 zur Bereitstellung des zeitabhängigen Frequenzverlaufs erfolgt über ein Array aus einer Mehrzahl von n-1 Frequenzschiebern 301.1, 301.2,......, 301.n-1. Die Wirkung dieser Frequenzschieber ist gemäß 4c dergestalt, dass die Frequenzkämme der einzelnen modengekoppelten Laser bzw. die jedem dieser Frequenzkämme zugehörigen Moden verschoben werden mit der Folge, dass sich die Moden aus dem Frequenzkamm des zweiten modengekoppelten Lasers 101.2 von denjenigen des ersten modengekoppelten Lasers 101.1 um δf unterscheiden, die Moden des dritten modengekoppelten Lasers 101.3 von denjenigen des ersten modengekoppelten Lasers 101.1 um 2δf unterscheiden etc., wobei 8f die von jeweils einem Frequenzschieber eingeführte Frequenzverschiebung bezeichnet.
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Im Ergebnis wird so - wie am besten aus dem linken Teil von 4e ersichtlich - eine Überlagerung der von den einzelnen modengekoppelten Lasern 101.1-101.n bereitgestellten Frequenzkämme realisiert, in welcher der zwischen den benachbarten Moden des ersten modengekoppelten Lasers 101.1 verbleibende Frequenzabstand durch die entsprechenden Moden anderer modengekoppelter Laser 101.2,... innerhalb des Arrays „aufgefüllt“ werden, letztlich also zur Erzeugung weiterer Pixel beim Abscannen des Objekts 901 zur Verfügung stehen.
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Gemäß 4a treffen die von den modengekoppelten Lasern 101.1-101.n (entsprechend den jeweiligen „Frequenzkämmen“) ausgehenden Signale auf ein entsprechendes Array optischer Zirkulatoren 401.1, 401.2, ..., 401.n, wobei jedem modengekoppelten Laser 101.1-101.n (bzw. dem jeweiligen Frequenzkamm) jeweils einer dieser optischen Zirkulatoren 401.1, 401.2, ..., 401.n zugeordnet ist.
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Zur Einkopplung sämtlicher Signale bzw. Frequenzkämme in eine gemeinsame optische Faser 801 wird gemäß 4a eine Multiplex-Einrichtung durch eine Mehrzahl von optischen Ringresonatoren 701.1-701.n bereitgestellt. Diese optischen Ringresonatoren 701.1-701.n sind gemäß 4d hinsichtlich ihres freien Spektralbereichs und der jeweiligen Offset-Frequenz an den Modenabstand innerhalb des Arrays von modengekoppelten Lasern 101.1-101.n in solcher Weise angepasst, dass jeder optische Ringresonator 701.1-701.n an jeweils einen zugehörigen modengekoppelten Laser 101.1-101.n des besagten Arrays optisch ankoppelt bzw. mit diesem in Resonanz ist.
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Nach Reflexion sämtlicher Signale am Objekt 901 erfolgt über die optischen Zirkulatoren 401.1-401.n ein entsprechendes Demultiplexen, wobei jedem der optischen Zirkulatoren 401.1-401.n jeweils ein AWG 501.1-501.n sowie eine Detektoranordnung 601.1-601.n zugeordnet ist.
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5 zeigt eine alternative Ausgestaltung, welche sich von derjenigen aus 4a dadurch unterscheidet, dass lediglich ein optischer Zirkulator 401 anstelle des in 4a vorhandenen Arrays von optischen Zirkulatoren 401.1-401.n vorgesehen ist. Die entsprechende Funktion der Trennung der zum Objekt hin bzw. von diesem zurücklaufenden Signale wird gemäß 5 durch die (im Vergleich zu 4a in doppelter Anzahl vorhandenen) optischen Ringresonatoren 701.1-701.n übernommen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass für besagte optische Ringresonatoren im Gegensatz zu den optischen Zirkulatoren eine chipintegrierte Fertigung mit verfügbaren Technologien möglich ist.
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Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf 6 Ausführungsformen der Erfindung erläutert, bei denen im Signalweg nach einem Array von jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Lasern (FMCW-Lasern) ein optischer FrequenzkammGenerator (OFC-Generator = „Optical Frequency Comb-Generator“) angeordnet ist.
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6 zeigt hierzu zunächst ein schematisches Blockdiagramm, gemäß dem die von einem Array 600 von jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden (FMCW-) Lasern erzeugten optischen Signale über eine Multiplex-Einrichtung 610 (zur Einkopplung in eine gemeinsame optische Faser) einem OFC-Generator 620 zugeführt werden. Die Wirkung dieses OFC-Generators 620 ist gemäß 7a-7b, das ein von den einzelnen frequenzmodulierten (FMCW-) Lasern des Arrays 600 gemeinsam erzeugter Frequenzkamm mit vergleichsweise großem Mittenfrequenzabstand Δf0 aufgrund des OFC-Generators 620 zu einem vergleichsweise dichten Frequenzkamm mit wesentlich geringerem Frequenzabstand ΔfOFC umgewandelt bzw. „ergänzt“ wird, indem nämlich die gemäß 7a zwischen den einzelnen Moden fO1, fO2, fO3, ... der FMCW-Laser des Arrays 600 im Frequenzspektrum verbleibenden Zwischenräume wie aus 7b ersichtlich entsprechend „aufgefüllt“ werden.
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Lediglich beispielhaft kann der Mittenfrequenzabstand Δf0 zwischen besagten Moden der FMCW-Laser des Arrays 600 im Bereich von 300 GHz bis 500 GHz liegen. Der wesentlich geringere Frequenzabstand in dem über den OFC-Generator 620 erzeugten Frequenzkamm kann lediglich beispielhaft im Bereich von 10 GHz bis 100 GHz, insbesondere 10 GHz bis 50GHz, liegen. Des Weiteren kann die Modulationsbandbreite der einzelnen FMCW-Laser des Arrays 600 beispielhaft im Bereich von 0.5 GHz bis 5 GHz liegen.
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Die Wirkung des OFC-Generators 620 auf den letztlich von der Lichtquelle bereitgestellten zeitabhängigen Frequenzverlauf ist in 8a-8c veranschaulicht, wobei 8a lediglich die Erzeugung unterschiedlicher Moden des Arrays 600 ohne FMCW-Modulation, 8b den zeitabhängigen Frequenzverlauf aufgrund der FMCW-Modulation in der einzelnen Lasern des Arrays 600 und 8c den zeitlichen Frequenzablauf aufgrund der zusätzlichen Wirkung des OFC-Generators 620, welcher aus den FMCW-Signalen von 8b wie vorstehend beschrieben einen vergleichsweise dichten Frequenzkamm bildet, zeigt. fm bezeichnet jeweils die Mittenfrequenz des m-ten Lasers des Arrays. In diesem Zusammenhang wird auf die Publikation A. Gaeta, M. Lipson, T. Kippenberg; „Photonic-chip-based frequency combs“, Nature Photonics, volume 13, Seiten 158-169 (2019) verwiesen.
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Wenngleich vorstehend von einem Array 600 aus mehreren, jeweils einen zeitabhängigen Frequenzablauf bereitstellenden FMCW-Lasern ausgegangen wurde, sollen von der vorliegenden Anmeldung auch Ausführungsformen umfasst sein, bei denen ein OFC-Generator in Kombination mit lediglich einem einzigen, den zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden FMCW-Laser eingesetzt bzw. im Signalweg nach diesem FMCW-Laser angeordnet wird.
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Der Signalweg nach dem OFC-Generator 620 entspricht hinsichtlich der bereits beschriebenen Komponenten, d.h. einem optischen Zirkulator 630, einem dispersiven Element 640, einer Demultiplex-Einrichtung 650 und einer Detektor-Anordnung 660, den bereits zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei können die Multiplex-Einrichtung 610 sowie Demultiplex-Einrichtung 650 auf Basis von AWGs und/oder Mach-Zehnder-Interferometern (MZI) realisiert werden. Hierbei wird der freie Spektralbereich (FSR) gleich der gesamten spektralen Bandbreite des Laser-Arrays 600 gewählt, wobei die jeweilige Kanalgröße entsprechend dem Mittenfrequenzabstand Δf0 = fm+1-fm zwischen benachbarten Moden in dem vom Array 600 gemäß 7a erzeugten Frequenzkamm gewählt wird.
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9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform, wobei zu 6 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „300“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausführungsform von 9 unterscheidet sich von derjenigen aus 6 dadurch, dass jedem FMCW-Laser 901, 902, 903,... innerhalb des Arrays ein eigener OFC-Generator 921, 922, 923,... zugeordnet ist.
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10a-10b und 11 zeigen in lediglich schematischer Darstellung beispielhafte mögliche Konfigurationen hinsichtlich der Erzeugung eines optischen Frequenzkamms durch einen gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von 6ff. eingesetzten OFC-Generator unter Verwendung von Mach-Zehnder-Modulatoren. Mit „MZM“ ist in 10b jeweils ein wenigstens einen elektrooptischen Modulator (EOM) aufweisender Mach-Zehnder-Modulator bezeichnet. Gemäß 11 kann unter Durchführung einer Phasenmodulation im Ergebnis eine Amplituden- bzw. Intensitätssteuerung hinsichtlich des letztlich erzeugten optischen Frequenzkamms realisiert werden, so dass - wie im rechten Teil von 11 ersichtlich - die einzelnen Kammlinien innerhalb des vom OFC-Generator erzeugten Frequenzkamms im Wesentlichen die gleiche Intensität aufweisen.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0299228 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 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 [0008]
- Nature Photonics, volume 13, Seiten 158-169 (2019) [0071]
