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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 bzw. das Verfahren kann zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.
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Stand der Technik
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Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. In der Praxis kommen sowohl laufzeitbasierte Messsysteme (TOF-LIDAR-Messsysteme, TOF = „time of flight“), bei denen direkt die Laufzeit des Laserlichts zum jeweiligen Objekt und zurück gemessen wird, als auch FMCW-LIDAR-Messsysteme mit Verwendung eines frequenzmodulierten FMCW-Lasers (FMCW= „frequency-modulated continuous wave“) zum Einsatz.
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6a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 610 ausgesandtes Signal 611 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 645 gekoppelt und an einem Detektor 650 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 622 ohne Reflexion an dem mit „640“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 645 und zum Detektor 650 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 645 bzw. am Detektor 650 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 621 über einen optischen Zirkulator 620 und einen Scanner 630 zum Objekt 640, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 622 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 645 und zum Detektor 650. Über eine Auswerteeinrichtung 660 wird das vom Detektor 650 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 610 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 6b dargestellte Differenzfrequenz 631 zwischen Messsignal 621 und Referenzsignal 622 charakteristisch für den Abstand des Objekts 640 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 610 ist.
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Gemäß 6b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 640 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 610 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 610 ausgesandten Signals 611 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 610 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
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7 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer herkömmlichen Vorrichtung insbesondere hinsichtlich der Lichtquellen-Einheit und der Auswerteeinrichtung.
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Gemäß 7 erzeugt eine Lichtquellen-Einheit 710 optische Signale mit jeweils zeitlich variierender Frequenz gemäß einem vorgegebenen (insbesondere linearen) Frequenzverlauf. Hierzu weist die Lichtquellen-Einheit 710 eine Phasenregelschleife zur Regelung der optischen Phase (engl.: OPLL= „optical phase locked loop“) auf, welche gemäß 7 einen Splitter 712, ein als Frequenzdiskriminator dienendes Mach-Zehnder-Interferometer 713 sowie einen Detektor 714 aufweist, wobei das gegebenenfalls verstärkte Ausgangssignal des Detektors 714 den Eingang für eine Steuerungseinrichtung 715, welche eine Treiberstufe für den Laser 711 umfasst und zur Steuerung des Lasers 711 dient, bildet. Die von der Lichtquellen-Einheit 710 erzeugten optischen Signale werden über einen Strahlteiler 712 (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) in für sich bekannter Weise in als Messsignale dienende Teilsignale sowie als Referenzsignal dienende Teilsignale aufgespalten. Die als Messsignal 721 dienenden Teilsignale werden über einen optischen Zirkulator 720 und eine dispersive Scan-Einrichtung 730 auf ein hinsichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt (in 7 nicht dargestellt) gelenkt, wohingegen die als Referenzsignal 722 dienenden Teilsignale analog zu 6a-6b für die weitere Auswertung verwendet werden.
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Vom Detektor 750 wird das (analoge) Schwebungs- bzw. Differenzsignal über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 761 einer Digitalsignalverarbeitungseinheit 762 zugeführt. Die von dieser Digitalsignalverarbeitungseinheit 762 berechnete aktuelle Schwebungs- bzw. Differenzfrequenz wird synchronisiert mit dem von einer Rekonstruktionseinheit 763 ermittelten aktuellen Scanwinkel (d.h. der aktuellen Strahlrichtung der von der dispersiven Scan-Einrichtung 730 auf das Objekt gelenkten Messstrahlen) einer Bildrekonstruktionseinheit 764 zugeführt, welche auf Basis der berechneten Abstands- und Geschwindigkeitswerte die Bildrekonstruktion unter Ausgabe einer Abstands- und Geschwindigkeitskarte des Objekts durchführt.
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Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass die dispersive Scan-Einrichtung u.a. aufgrund thermischer Schwankungen Änderungen ihrer frequenzabhängigen Strahlablenkung unterworfen ist mit der Folge, dass die durchgeführte Bildrekonstruktion - wegen einer nicht mehr korrekten Zuordnung zwischen der Frequenz des jeweiligen Messstrahls und dem von diesem Messstrahl getroffenen Objektort - fehlerhaft ist.
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Mögliche Ansätze zur Überwindung des vorstehend beschriebenen Problems beinhalten Maßnahmen zur thermischen Stabilisierung der dispersiven Scan-Einrichtung, was jedoch die Komplexität des Aufbaus und den Kostenaufwand erhöht.
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Ein weiteres in der Praxis auftretendes Problem betrifft die Sicherstellung eines gleichbleibenden und störungsfreien Frequenzverlaufs in dem von der Lichtquellen-Einheit ausgesandten optischen Signal, wobei die Regelung der Frequenz bzw. der Frequenzänderung des ausgesandten optischen Signals, welche typischerweise unter Verwendung der o.g. Phasenregelschleife einschließlich der OPLL-Elektronik erfolgt, eine anspruchsvolle Herausforderung darstellt.
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Ein weiterer, die Komplexität des Aufbaus hinsichtlich der Lichtquellen-Einheit und deren Regelung erhöhender Umstand ist, dass unter Sicherheitsaspekten eine - vorzugsweise redundante - Überwachung der von der Lichtquellen-Einheit ausgesandten Lichtleistung zur Vermeidung einer Schädigung von in der Umgebung befindlichen Personen geboten ist.
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Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf die PublikationN. Satyan et al: „Precise control of broadband frequency chirps using optoelectronic feedback", OPTICS EX-PRESS Vol. 17, No. 18 (2009), 15999, 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 eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung unter zumindest teilweiser Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist auf:
- - eine Lichtquellen-Einheit zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- - eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals;
- - wenigstens ein im Signalweg des optischen Signals angeordnetes dispersives Element; und
- - wenigstens einen im Signalweg nach diesem dispersiven Element angeordneten optischen Positionssensor.
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In Ausführungsformen der Erfindung bildet das dispersive Element eine Scan-Einrichtung zum frequenzabhängigen Ablenken von aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messstrahlen in unterschiedliche Strahlrichtungen zu dem Objekt. Dabei kann die Vorrichtung insbesondere dazu ausgelegt sein, die jeweilige Strahlrichtung der Messstrahlen basierend auf von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignalen zu ermitteln.
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Der Erfindung liegt gemäß diesem Aspekt insbesondere das Konzept zugrunde, in einem LIDAR-System in Kombination mit einem eine Scan-Einrichtung bildenden dispersiven Element, welche eine frequenzselektive Ablenkung der jeweiligen Messsignale zu dem hinsichtlich seines Abstandes zu vermessenden Objekt bewirkt, einen im Signalweg nach dem dispersiven Element angeordneten optischen Positionssensor einzusetzen.
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Dabei kann erfindungsgemäß die jeweilige Strahlrichtung der von dem dispersiven Element bzw. der Scan-Einrichtung zum Objekt gelenkten Messstrahlen basierend auf von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignalen ermittelt werden. Insbesondere kann diese Ermittlung unabhängig von jeglichen die dispersive Wirkung oder den thermischen Zustand der dispersiven Scan-Einrichtung betreffenden Parametern bzw. diesbezüglichen Annahmen erfolgen. Somit kann erfindungsgemäß auch eine fehlerhafte Bildrekonstruktion etwa infolge thermischer Schwankungen und einer damit einhergehenden Änderung des Dispersionskoeffizienten der dispersiven Scan-Einrichtung vermieden werden. Thermisch bedingte Änderungen von Parametern der dispersiven Scan-Einrichtung werden erfindungsgemäß vielmehr in Kauf genommen (und ein mit einer thermischen Stabilisierung einhergehender Aufwand vermieden), da die Bildrekonstruktion erfindungsgemäß ohnehin auf Basis der tatsächlichen, aktuellen Strahlrichtung erfolgt und Änderung des Dispersionskoeffizienten der Scan-Einrichtung nicht zu einer fehlerhaften Auswertung bzw. Bildrekonstruktion führen.
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Die Scan-Einrichtung kann insbesondere auch zur frequenzselektiven Ablenkung in zwei zueinander senkrechten Richtungen ausgelegt sein. Die Scan-Einrichtung kann dabei als zweidimensionale dispersive Scan-Einrichtung ausgestaltet sein und hierzu z.B. ein AWG (= „array waveguide grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“) in Kombination mit einem Beugungsgitter aufweisen. Hierbei kann während des dispersiven Scanvorgangs das in der dispersiven Scan-Einrichtung vorhandene AWG derart ausgestaltet sein, dass eine vergleichsweise schnelle Ablenkung in einer ersten Raumrichtung erfolgt, wohingegen das Beugungsgitter eine vergleichsweise langsame Ablenkung in der hierzu senkrechten Raumrichtung bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens einen Strahlteiler auf, welcher jeweils einen Teilstrahl aus dem Signalweg auskoppelt und in Richtung zu dem optischen Positionssensor ablenkt.
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Der Strahlteiler kann insbesondere bezogen auf den Signalweg nach dem dispersiven Element angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Regelungseinheit zur Regelung der Frequenz oder der zeitlichen Ableitung der Frequenz des von der Lichtquellen-Einheit ausgesandten optischen Signals basierend auf von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignalen auf.
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Die Erfindung beinhaltet gemäß diesem Aspekt das weitere Prinzip, die von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignale zur Regelung der Frequenz der Lichtquellen-Einheit bzw. des von dieser ausgesandten optischen Signals zu nutzen mit der Folge, dass auf den eingangs erwähnten, vergleichsweise komplexen Phasenregelkreis einschließlich der OPLL-Elektronik verzichtet werden kann. Hierbei macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass die Bewegungsgeschwindigkeit eines von der Lichtquellen-Einheit auf dem optischen Positionssensor erzeugten Lichtpunkts letztlich auch ein Maß für die „Durchstimmgeschwindigkeit“ (d.h. die Geschwindigkeit, mit welcher die Lichtquellen-Einheit die Frequenz des ausgesandten optischen Signals ändert) darstellt.
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Die gemäß dem vorstehend genannten Aspekt erfolgende Regelung der Lichtquellen-Einheit auf Basis von Sensorsignalen des optischen Positionssensors ist dabei auch unabhängig von der zuvor diskutierten (und ebenfalls basierend auf den Sensorsignalen des Positionssensors realisierbaren) Bildrekonstruktion bzw. der Ermittlung der Strahlrichtungen der zum Objekt gelenkten Messstrahlen vorteilhaft. Die besagte Regelung der Lichtquellen-Einheit basierend auf Sensorsignalen des optischen Positionssensors kann somit auch ohne diese Form der Bildrekonstruktion und insbesondere in Verbindung mit einer beliebigen (ggf. auch nicht dispersiven) Scan-Einrichtung realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Überwachungseinheit zur Überwachung der von der Lichtquellen-Einheit ausgesandten Lichtleistung basierend auf von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignalen auf.
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Gemäß diesem Aspekt macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass über die Positionsinformation hinaus auch die weitere, vom optischen Positionssensor gelieferte Information betreffend die von der Lichtquellen-Einheit ausgesandte Lichtleistung genutzt und für eine diesbezügliche Überwachung herangezogen werden kann. Eine derartige, unter Sicherheitsaspekten und zur Vermeidung einer Schädigung von in der Umgebung befindlichen Personen gebotene Überwachung der ausgesandten Lichtleistung kann dabei insbesondere auch redundant, also zusätzlich zu einer primären Überwachung z.B. auf Basis einer Überwachung des Laserstroms, erfolgen.
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Auch der vorstehende Aspekt der basierend auf dem optischen Positionssensor erfolgenden Überwachung der Lichtleistung ist unabhängig von den zuvor beschriebenen Aspekten der Bildrekonstruktion sowie der Regelung der Frequenz oder der zeitlichen Ableitung der Frequenz der Lichtquellen-Einheit vorteilhaft und sowohl in Kombination mit den genannten Aspekten als auch ohne diese realisierbar.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der optische Positionssensor ein analoger Positionssensor, insbesondere eine Mehrquadranten-Diode. In weiteren Ausführungsformen kann als analoger Positionssensor auch z.B. ein positionssensitiver Detektor (PSD= „position sensitive device“) eingesetzt werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der optische Positionssensor ein digitaler Bildsensor, insbesondere ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor.
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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 Lichtquellen-Einheit, eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz; und
- - Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis eines an dem Objekt reflektierten, aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals;
- - wobei aus dem Signalweg des optischen Signals ein Teilstrahl ausgekoppelt und einem im Signalweg nach einem dispersiven Element angeordneten optischen Positionssensor zugeführt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform bildet bei dem Verfahren das dispersive Element eine Scan-Einrichtung zum frequenzabhängigen Ablenken von aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messstrahlen in unterschiedliche Strahlrichtungen zu dem Objekt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren anhand der von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignale die jeweilige Strahlrichtung der Messstrahlen ermittelt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren anhand der von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignale die Frequenz oder die zeitliche Ableitung der Frequenz des von der Lichtquellen-Einheit ausgesandten optischen Signals geregelt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren anhand der von dem optischen Positionssensor gelieferten Sensorsignale eine Überwachung der von der Lichtquellen-Einheit ausgesandten Lichtleistung durchgeführt.
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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:
- 1 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
- 2-5 Diagramme zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 6-7 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 beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1-5 beschrieben.
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Gemäß 1 weist die Lichtquellen-Einheit 110 einen frequenzmodulierten FMCW-Laser 111 (FMCW= „frequency-modulated continuous wave“) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz („chirp“) auf. Bei dem Laser 111 kann es sich z.B. um einen DFB-Laser, um einen WGMR-Laser oder auch um einen VCSEL-Laser handeln.
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Die Lichtquellen-Einheit 110 erzeugt optische Signale mit jeweils zeitlich variierender Frequenz gemäß einem vorgegebenen (insbesondere linearen) Frequenzverlauf. Hierzu weist die Lichtquellen-Einheit 110 - lediglich beispielhaft und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre - einen Strahlteiler 112, ein als Frequenzdiskriminator dienendes Mach-Zehnder-Interferometer 113 sowie einen Detektor 114 auf, wobei das gegebenenfalls verstärkte Ausgangssignal des Detektors 114 den Eingang für eine Steuerungseinrichtung 115, welche eine Strom-Treiberstufe beinhalten kann und zur Steuerung des Lasers 111 dient, bildet.
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Die von der Lichtquellen-Einheit 110 erzeugten optischen Signale werden über den Strahlteiler 112 (z.B. einen faseroptischen Splitter) in für sich bekannter Weise in als Messsignal 121 dienende Teilsignale sowie als Referenzsignal 122 dienende Teilsignale aufgespalten. Die als Messsignal 121 dienenden Teilsignale werden über einen optischen Zirkulator 120 und eine dispersive Scan-Einrichtung 130 auf ein hinsichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt (in 1 nicht dargestellt) gelenkt, wohingegen die als Referenzsignal 122 dienenden Teilsignale analog zu 6a-6b für die weitere Auswertung verwendet werden.
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Nach Reflexion am Objekt verläuft der Signalweg zurück über den optischen Zirkulator 120 zum Detektor 150 sowie zur Auswerteeinrichtung 160.
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Den im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass jeweils ein im Signalweg nach einem dispersiven Element angeordneter optischer Positionssensor (in 1 mit „170“ bezeichnet) genutzt wird. Im Ausführungsbeispiel von 1 weist die Scan-Einrichtung 130 das dispersive Element auf.
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Gemäß 1 befindet sich im Signalweg nach der Scan-Einrichtung 130 ein Strahlteiler 171, welcher aus den von der Scan-Einrichtung 130 frequenzabhängig abgelenkten Messstrahlen jeweils einen Teilstrahl aus dem Signalweg auskoppelt und in Richtung zum optischen Positionssensor 170 ablenkt. Dabei erfolgt im Ausführungsbeispiel von 1 (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) eine Abbildung auf den optischen Positionssensor 170 über eine Fourieroptik 172 (z.B. in Form einer oder mehrerer Linsen), wobei diese Fourieroptik 172 im Abstand ihrer Brennweite vom Positionssensor 170 angeordnet sein kann und die unterschiedlichen, von der Scan-Einrichtung 130 ausgehenden Strahlwinkel in unterschiedliche Orte auf dem Positionssensor 170 umwandelt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, werden die vom optischen Positionssensor 170 gelieferten Sensorsignale einer Auswerteeinrichtung 160 zugeführt und dort über durch den Funktionsblock „166“ repräsentierte Verstärker und Analog-Digital-Wandler einer Rekonstruktionseinheit 163 zur Rekonstruktion der jeweils aktuellen Strahlrichtung zugeführt. Aus den entsprechenden aktuellen Strahlrichtungen sowie den zugehörigen, mit einer Signalverarbeitungseinheit 162 ermittelten Differenz- bzw. Schwebungsfrequenzen erfolgt in einer weiteren Rekonstruktionseinheit 164 die eigentliche Bildrekonstruktion im Wege der Ausgabe einer das zu vermessende Objekt betreffenden Abstands- und Geschwindigkeits-Karte.
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Zur Verbesserung der Bildrekonstruktion können - wie in 1 durch einen Pfeil angedeutet - Synchronisationssignale von der Steuerungseinrichtung 115 an die Rekonstruktionseinheit 163 gesandt werden.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 wird als optischer Positionssensor 170 ein analoger Positionssensor z.B. in Form einer Vier-Quadranten-Diode eingesetzt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die durch den optischen Positionssensor 170 erfolgende Positionsbestimmung mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit relativ zu typischen Werten der Scangeschwindigkeit sowie typischen Bildraten erfolgen kann. So können für eine lediglich beispielhafte Bildrate („frame rate“) von 50Hz z.B. 1.000.000 Pixel bzw. Spotpositionen pro Bild erfasst werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Gemäß 2 wird im Unterschied zu 1 als Positionssensor 270 ein digitaler Bildsensor (insbesondere ein CMOS-Sensor) verwendet. Diese Ausgestaltung hat im Vergleich zur Verwendung eines analogen Positionssensors wie einer Vier-Quadranten-Diode den Vorteil eines höheren Signal-Rausch-Verhältnisses, wobei eine geringere Geschwindigkeit in der Positionsbestimmung in Kauf genommen wird. Geht man beispielsweise davon aus, dass der digitale Bildsensor mit einer Frequenz von 1.000 Hz ausgelesen werden kann, bedeutet dies für eine beispielhafte Bildrate („frame rate“) von 50Hz eine Anzahl von 1.000/50=20 Spotpositionen, die pro Bild erfasst werden können.
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Die Erfindung kann sich auch den Umstand zunutze machen, dass die unter Verwendung des digitalen Bildsensors erfolgende Positionsmessung mit einem im Vergleich zur Pixelrate reduzierten (z.B. um den Faktor 1.000 geringeren) Takt und zugleich mit entsprechendem Pixelversatz zwischen aufeinanderfolgenden Bildern erfolgen kann mit der Folge, dass für die entsprechend erfassten Pixel weiterhin die jeweils gewünschte Positionsinformation erhalten werden kann.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten wiederum mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Die Ausführungsform von 3 unterscheidet sich von denjenigen aus 1 und 2 insbesondere dadurch, dass die Sensorsignale des optischen Positionssensors 370 zusätzlich zur Regelung der Frequenz des von der Lichtquellen-Einheit 310 ausgesandten optischen Signals (also insbesondere zur „Linearisierung“ der Lichtquellen-Einheit 310 bzw. des von ihr ausgesandten Chirp-Signals) genutzt werden. Die entsprechende Regelungseinheit 315 wird hierbei nicht mehr als geschlossener Phasenregelkreis mit OPLL-Elektronik realisiert, sondern die Durchstimmrate des innerhalb der Lichtquellen-Einheit 310 vorhandenen Lasers 311 kann unter signifikanter Vereinfachung des Regelungsarchitektur direkt basierend auf der Bewegungsgeschwindigkeit des jeweils auf dem Positionssensor 370 erzeugten Lichtpunkts erfolgen. Dabei kann etwa anstelle des gemäß 1-2 eingesetzten MZI und der OPLL-Elektronik das in der Anordnung ohnehin vorhandene dispersive Element 330 für die Regelung der Frequenz des von der Lichtquellen-Einheit 310 ausgesandten optischen Signals genutzt werden. Dieses dispersive Element 330 hat somit gemäß 3 insofern eine Doppelfunktion, als es zum einen für die Strahlablenkung zum Objekt unter unterschiedlichen Strahlwinkeln und zum anderen auch für die Frequenzregelung der Lichtquellen-Einheit 310 genutzt wird.
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In 3 bezeichnen „316“ eine Einheit zur Erzeugung der Frequenzrampe für die Frequenzdurchstimmung, „317“ eine Einheit zur Umrechnung der anhand des Positionssensors 370 bestimmten Position in eine Laserfrequenz und „318“ einen Linearisierungs-Regler.
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Bei der Scan-Einrichtung 330 gemäß 3 handelt es sich um eine zweidimensionale Scan-Einrichtung zur frequenzselektiven Ablenkung der Messstrahlen in zwei zueinander senkrechten Richtungen.
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Die dispersive Scan-Einrichtung 330 kann insbesondere zur frequenzselektiven Ablenkung in zwei zueinander senkrechten Richtungen ein AWG in Kombination mit einem Beugungsgitter aufweisen. Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise einer als solche bekannten zweidimensionale Scan-Einrichtung wird auf K. Van Acoleyen et al.: „Two-Dimensional Dispersive Off-Chip Beam Scanner Frabricated on Silicon-On-Insulator", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, No. 17, September 1, 2011, 1270-1272 verwiesen. Dabei kann die Dispersion des AWG (welche durch die Ordnung definiert ist, in welcher das AWG betrieben wird) wesentlich größer gewählt werden als die Dispersion des Beugungsgitters. Infolgedessen erfolgt während der Frequenzdurchstimmung über den gesamten Durchstimmbereich (von beispielsweise 12THz) ein mehrfaches Abscannen des Sichtfeldes (FoV= „Field of View“) über das AWG entlang einer Raumrichtung, jedoch ein nur einmaliges Abscannen des Sichtfeldes über das Beugungsgitter entlang der hierzu senkrechten Raumrichtung. Das AWG bewirkt somit einen vergleichsweise schnellen Scanvorgang im Sinne einer auf vergleichsweise kurzer Zeitskala erfolgenden frequenzselektiven Ablenkung in einer ersten Raumrichtung, wohingegen das Beugungsgitter in einem vergleichsweise langsamen Scanvorgang eine auf größerer Zeitskala erfolgende frequenzselektive Strahlablenkung in hierzu senkrechter Raumrichtung bewirkt.
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Gemäß 4 kann eine zweidimensionale Scan-Einrichtung auch aus zwei im Signalweg voneinander beabstandeten, eindimensionalen Scan-Einrichtungen 430, 431 aufgebaut werden (von denen die eine Scan-Einrichtung 430 z.B. als Beugungsgitter und die andere Scan-Einrichtung 431 als mechanisch bewegter Scanspiegel ausgestaltet sein kann). Dabei kann der Strahlteiler 471 zur Auskopplung von Teilstrahlen in Richtung zum optischen Positionssensor 470 im Signalweg zwischen diesen eindimensionalen Scan-Einrichtungen 430, 431 platziert werden, wobei der Positionssensor 470 selbst dann als eindimensionaler Positionssensor ausgestaltet und zur Frequenzregelung der Lichtquellen-Einheit 410 sowie auch zur Bildrekonstruktion analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen genutzt werden kann.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum zu 4 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Gemäß 5 erfolgt im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen keine Nutzung der Sensorsignale des optischen Positionssensors 570 für die Bildrekonstruktion (z.B. aus Gründen eines bereits hinreichend stabilen dispersiven Verhaltens der Scan-Einrichtung 530), sondern lediglich für die Frequenzregelung der Lichtquellen-Einheit 510. Des Weiteren erfolgt gemäß 5 die Nutzung des im Signalweg vor dem optischen Positionssensor 570 befindlichen dispersiven Elements 575 nicht etwa zur frequenzselektiven Ablenkung der Messstrahlen hin zu dem zu vermessenden Objekt, sondern dient in Zusammenwirken mit besagtem optischen Positionssensor 570 lediglich zur Realisierung der Frequenzregelung, wobei die Strahlablenkung der Messstrahlen hin zu dem Objekt über eine unabhängige Scan-Einrichtung 530 (welche ihrerseits dispersiv oder auch in beliebiger anderer Weise ausgestaltet sein kann) erfolgt.
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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 Nicht-Patentliteratur
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- N. Satyan et al: „Precise control of broadband frequency chirps using optoelectronic feedback“, OPTICS EX-PRESS Vol. 17, No. 18 (2009), 15999 [0012]
- K. Van Acoleyen et al.: „Two-Dimensional Dispersive Off-Chip Beam Scanner Frabricated on Silicon-On-Insulator“, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, No. 17, September 1, 2011, 1270-1272 [0055]
