DE102020110142A1

DE102020110142A1 - Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt

Info

Publication number: DE102020110142A1
Application number: DE102020110142.2A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Davydenko
Original assignee: Scantinel Photonics GmbH
Current assignee: Scantinel Photonics GmbH
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-14
Also published as: EP3948348A1; CN115398271A; WO2021209514A1; US20210316756A1

Abstract

Eine Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12) hat eine Lichtquelle (16; 16'), die ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz erzeugt. Eine optische Verteilmatrix (20) verteilt das optische Signal auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (241 bis 244; 241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4). Eine Ablenkoptik (28) lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden. Detektoren (381 bis 384) erfassen eine Überlagerung des von der (16) Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit optischen Signalen, die von dem Objekt (12) reflektiert und den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix (20) zugeführt werden. Eine Auswerteeinrichtung (42) bestimmt aus der Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12). Erfindungsgemäß werden die von dem Objekt (12) reflektierten Signale (RL11 bis RL14) entweder über die Ausgangswellenleiter oder über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleitern (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zugeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem bewegten oder unbewegten Objekt auf der Grundlage der LiDAR-Technologie. Solche Vorrichtungen können beispielsweise bei autonom fahrenden Fahrzeugen eingesetzt und als photonische integrierte Schaltkreise (PIC, Photonic Integrated Circuit) realisiert werden, die keine beweglichen Teile enthalten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zur optischen Abstandsmessung ist ein als LiDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei dem ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz auf das zu vermessende Objekt gerichtet und nach Reflexion an dem Objekt erfasst und ausgewertet wird. Wenn zusätzlich die Doppler-Verschiebung berücksichtigt wird, lässt sich auch die Relativgeschwindigkeit zwischen der Scanvorrichtung und dem Objekt berechnen. Ausführlicher beschrieben ist dieses Messprinzip beispielsweise in der DE 10 2018 203 315 A1 .
Auf diesem Messprinzip beruhende Scanner müssen sehr robust und zuverlässig sein, wenn sie in Fahrzeugen eingesetzt werden sollen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Fahrzeuge autonom fahren, da die Sicherheit beim autonomen Fahren entscheidend von dem Scanner abhängt, der zur Erzeugung eines dreidimensionalen Abbildes der Umgebung eingesetzt wird. Idealerweise enthalten solche Scanner keine empfindlichen beweglichen Bauteile wie Scanspiegel.
Scanner, die als photonische integrierte Schaltkreise realisiert sind, benötigen keine bewegliche Bauteile und sind daher für Anwendungen in Fahrzeugen besonders geeignet. Offenbart sind solche Scanner beispielsweise in der US 2017/0371227 A1 und der US 2019/0377135 A1 . Bei diesen Scannern wird eine Verteilmatrix mit mehreren baumartig kaskadierten optischen Schaltern eingesetzt, welche die optischen Signale auf unterschiedliche Ausgangskanäle verteilen, die unterschiedlichen Scanrichtungen zugeordnet sind. Die von dem Objekt reflektierten und sehr schwachen optischen Signale passieren auf ihrem Weg zu den Detektoren die Verteilmatrix in Gegenrichtung. Durch die optischen Schalter werden diese Signale weiter geschwächt, was sich ungünstig auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, signal to noise ratio) dieser Scanner auswirkt.
Aus dem Aufsatz „Photonic Integrated Circuit-Based FMCW Coherent LiDAR“, A. Martin et al., Journal Of Lightwave Technology, Vol. 36, No. 19, October 1, 2018, ist ein Scanner bekannt, bei dem von dem Objekt reflektierte optische Signale den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix zuführbar sind. Dies wird durch die Verwendung optischer Zirkulatoren erreicht, die das am Objekt reflektierte Licht den Detektoren zuleiten. Ein optischer Zirkulator hat in der Regel drei Anschlüsse (Ports), wobei Licht, das an einem Anschluss eintrifft, vom Zirkulator an den jeweils nächsten Anschluss weitergeleitet wird (also 1 → 2, 2 → 3 und 3 → 1). Zirkulatoren dämpfen jedoch die empfangenen Signale und wirken sich daher ungünstig auf das Signal-Rausch-Verhältnis aus.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt anzugeben, die sich als photonisch integrierter Schaltkreis ohne bewegliche Bauteile realisieren lässt und bei der die schwachen Signale, die vom Objekt reflektiert werden, möglichst wenig durch optische Komponenten geschwächt werden, die im Lichtweg zu den Detektoren angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt gelöst, die eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz zu erzeugen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine optische Verteilmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger (engl. splitter) aufweist und das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter verteilt. Eine Ablenkoptik lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung abgestrahlt werden. Mehrere Detektoren erfassen eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert wurde. Von dem Objekt reflektierte optische Signale sind dabei den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix zuführbar. Eine Auswerteeinrichtung bestimmt aus der von den Detektoren erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt. Erfindungsgemäß sind von dem Objekt reflektierte optische Signale entweder

- über die Ausgangswellenleiter den Detektoren zuführbar sind oder
- über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (d.h. auch nicht indirekt über einen Zirkulator) verbundene Eingangswellenleiter den Detektoren zuführbar. Die Eingangswellenleiter sind dabei entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern angeordnet oder so relativ zu den Ausgangswellenleitern angeordnet, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt in einen Eingangswellenleiter eintritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter angeordnet ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass man auf eine Vielzahl einzelner optischer Zirkulatoren verzichten kann, wenn die von dem Objekt reflektierten optischen Signale entweder wieder in die gleichen Ausgangswellenleiter eintreten, aus denen sie zuvor ausgekoppelt wurden, oder über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle verbundenen Eingangswellenleitern den Detektoren zuführbar sind, die sich entweder unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter befinden oder verschränkt mit dem Ausgangswellenleiter angeordnet sind. Bei einer verschränkten Anordnung ist es nämlich möglich, mit einem einfach aufgebauten und für alle Eingangswellenleiter gemeinsamen optischen Zirkulator eine Einkopplung in den „richtigen“ Eingangswellenleiter zu gewährleisten. Ein solcher gemeinsamer optischer Zirkulator schwächt die vom Objekt reflektierten optischen Signale zwar ebenfalls, aber in einem geringeren Maße als optische Zirkulatoren, die jeweils nur einem Eingangswellenleiter zugeordnet sind.
Da somit auf optische Zirkulatoren oder zumindest auf individuelle optische Zirkulatoren für jeden einzelnen Eingangswellenleiter verzichtet werden kann, werden die reflektierten optischen Signale auf ihrem Weg zum Detektor kaum abgeschwächt, da sie keine Kaskade mehrerer optischer Schalter oder Verzweiger in einer Verteilmatrix durchtreten müssen, wie dies in der Regel bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art der Fall ist.
Vorzugsweise haben die Ausgangswellenleiter jeweils einen Ausgangskoppler, der dazu eingerichtet ist, ein in dem Ausgangswellenleiter geführtes optisches Signal in den freien Raum auszukoppeln. Bei dem Ausgangskoppler kann es sich z. B. um einen Gitterkoppler (engl. diffraction coupler) oder einen Kantenkoppler (engl. edge coupler) handeln.
Um eine hohe Richtungssensitivität zu erzielen, ist es günstig, wenn im Lichtweg hinter den Ausgangskopplern jeweils eine Kollimatorlinse zum Zwecke der Kollimation angeordnet ist. Die optischen Signale verlassen den Ausgangskoppler nämlich in der Regel mit einem großen Divergenzwinkel, wodurch die austretenden Lichtstrahlen in größerer Entfernung stark aufgeweitet würden. Eine Kollimatorlinse kann eine solche Aufweitung verhindern. Alternativ hierzu kann man einen Ausgangskoppler einsetzen, der über einen Spotgrößenkonverter (eng. spot size converter) verfügt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält die Ablenkoptik eine Sammellinse, die eine vordere Brennebene hat. Die Ausgangskoppler oder Bilder der Ausgangskoppler sind in der vorderen Brennebene der Sammellinse angeordnet. Dadurch verlassen die optischen Signale die Sammellinse als kollimierte Lichtstrahlen, deren Richtung vom Ort abhängt, an dem Licht aus einem Ausgangskoppler austritt. Bei einer solchen Anordnung kann auf das Vorsehen zusätzlicher Kollimatorlinsen verzichtet werden.
Die optische Verteilmatrix hat typischerweise eine Baumstruktur mit mehreren Knoten, die durch die optischen Schalter oder die optischen Verzweiger gebildet sind. Vor allem bei der Verwendung mehrerer Lichtquellen kommen aber auch n x m-Verteilmatrizen in Betracht, wenn das Licht von n Lasern auf insgesamt m Ausgangswellenleiter verteilt werden soll.
Bei den Detektoren handelt es sich bevorzugt um symmetrische Fotodetektoren (engl. balanced photodetectors), da derartige Detektoren nur eine geringe Empfindlichkeit gegenüber optischem Rauschen haben, das von der Lichtquelle erzeugt wird.
Vorzugsweise ist dann jedem Fotodetektor ein Richtkoppler zugeordnet, der ein erstes und ein zweites Paar von Eingängen umfasst, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist. Einem ersten Eingang des ersten Paars ist ein optisches Signal von der Lichtquelle und einem zweiten Eingang des ersten Paars ein optisches Signal zuführbar, das von dem Objekt reflektiert wurde. Die Eingänge des zweiten Paars sind mit dem Fotodetektor verbunden. Ein so verwendeter 3dB Richtkoppler stellt sicher, dass die Eingänge des symmetrischen Fotodetektors die gleich Intensität erhalten und der Fotodetektor das Schwebungssignal erfassen kann, das durch die Überlagerung des Lichts von der Lichtquelle mit dem vom Objekt reflektierten Licht erhalten wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle dazu eingerichtet, gleichzeitig mehrere optische Signale mit zeitlich variierender Frequenz in unterschiedlichen Frequenzbändern zu erzeugen. Durch Verwenden eines Gitters kann das Licht in den unterschiedlichen Frequenzbändern in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden, wodurch ein Scannen nicht nur in einer Ebene, sondern in allen drei Raumrichtungen möglich ist. Die Lichtquelle kann in diesem Fall z.B. mehrere Einzelquellen aufweisen, die über eine Sammelmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger aufweist, mit der Verteilmatrix verbunden ist.
Wenn die Ablenkoptik ein dispersives optisches Element aufweist, das die optischen Signale in einer ersten Ebene wellenlängenabhängig aufspaltet, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Ebene angeordnet ist, innerhalb derer die sich aus den Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale ausbreiten, so lässt sich ein Scannen in drei Raumrichtungen realisieren.
Wenn von dem Objekt reflektierte optische Signale über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (d.h. auch nicht indirekt über einen Zirkulator) verbundene Eingangswellenleiter den Detektoren zuführbar sind, so können die Eingangswellenleiter jeweils einen Eingangskoppler haben, der dazu eingerichtet ist, sich im freien Raum ausbreitende Lichtstrahlen in den Eingangswellenleiter einzukoppeln.
Um eine möglichst hohe Einkoppeleffizienz zu erhalten, kann es dabei günstig sein, wenn im Lichtweg vor den Eingangskopplern jeweils eine Kollimatorlinse zum Zwecke der Kollimation angeordnet ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Lichtweg zwischen den Ausgangswellenleitern und der Ablenkoptik ein gemeinsamer optischer Zirkulator angeordnet, der dazu eingerichtet ist, von dem Objekt reflektierte optische Signale ausschließlich auf die Eingangskoppler der Eingangswellenleiter zu richten. Die Eingangswellenleiter können dabei entweder mit den Ausgangswellenleitern verschränkt und/oder unmittelbar benachbart zu den Ausgangswellenleitern angeordnet sein. Da der gemeinsame optische Zirkulator die reflektierten optischen Signale alle in die gleiche Richtung ablenkt, muss die verschränkte Anordnung der Ausgangswellenleiter mit der Anordnung der Eingangswellenleiter entsprechend abgestimmt sein.
Ein solcher gemeinsamer optischer Zirkulator kann beispielsweise eine Platte aus einem doppelbrechenden Material, einen Faraday-Rotator und eine Halbwellenlängenplatte aufweisen. Anstelle des doppelbrechenden Materials kann aber auch ein polarisationsselektiver Strahlteiler eingesetzt werden.
Im Allgemeinen ist es am günstigsten, wenn die Ausgangswellenleiter und die Eingangswellenleiter in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Es kommt jedoch auch in Betracht, die Ausgangswellenleiter in einer Ausgangsebene und die Eingangswellenleiter in einer Eingangsebene anzuordnen, die parallel zu der Ausgangsebene verläuft. Die Eingangswellenleiter befinden sich dann beispielsweise nicht unmittelbar neben, sondern unmittelbar über den zugeordneten Ausgangswellenleitern.
Wenn die von dem Objekt reflektierten optischen Signale über die Ausgangswellenleiter den Detektoren zuführbar sind, ist es vorteilhaft, wenn im optischen Weg zwischen der Verteilmatrix und den Ausgangswellenleitern Verzweiger angeordnet sind, die in den Ausgangswellenleitern geführte und vom Objekt reflektierte optische Signale den Detektoren zuleiten.
Bei diesen Verzweigern kann es sich beispielsweise um 2x2-Richtkoppler mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen handeln, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar abgeordnet ist. Ein ersten Eingang des ersten Paars ist mit der Verteilmatrix, ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren, ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem ersten Ausgangswellenleiter und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem zweiten Ausgangswellenleiter verbunden.
Bevorzugt ist im Lichtweg zwischen dem Richtkoppler und dem ersten Ausgangswellenleiter ein Phasenschieber angeordnet. Der Phasenschieber sollte die Phase um einen größeren Betrag, beispielsweise um 2π*n = 3, 4, 5... verschieben. Auf diese Weise wird das Signal am Fotodetektor durch die Phasenoptimierung zwischen den Ausgangs- und Eingangsanschlüssen des Richtkopplers verbessert.
Bei anderen Ausführungsbeispielen sind im Lichtweg der Ausgangswellenleiter zwischen der Verteilmatrix und der Verzweigern optische Verstärker angeordnet.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung der optischen Signale von der Lichtquelle zu den Detektoren und zu den Ausgangswellenleitern über den gleichen Wellenleiter. Auf diese Weise lässt sich besonders effizient eine große Anzahl von Lichtstrahlen erzeugen und die Retroreflexe mit Detektoren erfassen.
Insbesondere können die Verzweiger 2x2 Richtkoppler mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen umfassen, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist. Ein erster Eingang des ersten Paars ist direkt oder über andere Richtkoppler mit der Verteilmatrix, ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren , ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem anderen Richtkoppler und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem Ausgangswellenleiter verbunden.
Vorzugsweise haben die Richtkoppler Kopplungskoeffizienten, die derart ausgelegt sind, dass an allen Ausgangswellenleitern ein von der Lichtquelle erzeugtes optisches Signal der gleichen Intensität anliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Messung des Abstands eines Objekts anzugeben, das keine beweglichen Bauteile benötigt und bei dem die schwachen Signale die von dem Objekt reflektiert werden, möglichst wenig durch optische Komponenten geschwächt werden, die im Lichtweg zu den Detektoren angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:

eine Lichtquelle erzeugt ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz;
eine optische Verteilmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger (splitter) aufweist, verteilt das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter;
eine Ablenkoptik lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden;
mehrere Detektoren erfassen eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert und
den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix zugeführt wurde;
eine Auswerteeinrichtung bestimmt aus der von den Detektoren erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt;
von dem Objekt reflektierte optische Signale werden entweder
1. a) über die Ausgangswellenleiter den Detektoren zugeführt oder
2. b) über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle verbundene Eingangswellenleiter den Detektoren zugeführt, wobei die Eingangswellenleiter
  - b1) entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern angeordnet sind oder
  - b2) so relativ zu den Ausgangswellenleitern angeordnet sind, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt in einen Eingangswellenleiter eintritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter angeordnet ist.

Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs, das sich einem Objekt nähert, das von einer erfindungsgemäßen Scanvorrichtung erfasst wird;
2 eine Draufsicht auf die Scanvorrichtung;
3 den Aufbau der Scanvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung;
4a und 4b eine Verteilmatrix und die Ablenkoptik der in der 3 gezeigten Scanvorrichtung in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen;
5 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem die Detektoren als symmetrische Photodetektoren ausgebildet sind;
6 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem Lichtsignale in mehreren Frequenzbändern erzeugt werden und den Photodetektoren Demultiplexer vorgeschaltet sind;
7 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem ein gemeinsamer optischer Zirkulator das retroreflektierte Licht auf Eingangswellenleiter richtet;
8 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem Mikrolinsen das sich im freien Raum ausbreitende Licht kollimieren oder bündeln;
9 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausgangs- und Eingangswellenleiter in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind;
10 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausgangs- und Eingangswellenleiter so verschränkt angeordnet sind, dass einander zugeordnete Ausgangs- und Eingangswellenleiter nicht unmittelbar zueinander benachbart sind;
11 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel, bei dem das vom Objekt retroreflektierte Licht in die gleichen Ausgangswellenleiter einkoppelt, aus denen das von der Lichtquelle erzeugte Licht austritt;
12 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel, das sich von dem achten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch unterscheidet, dass die weitere Verteilmatrix keine Schalter, sondern passive Verzweiger aufweist;
13 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel, bei dem zur Erzeugung eines Wellenlängen- und Zeitmultiplexing die optischen Signale von mehreren DBR-Laser über eine Sammelmatrix zusammengeschaltet werden;
14 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem elften Ausführungsbeispiel, bei dem die Zuführung der optischen Signale von der Lichtquelle zu den Detektoren und zu den Ausgangswellenleitern über den gleichen Wellenleiter erfolgt.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Erstes Ausführungsbeispiel
Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Fahrzeug 10, das sich einem Objekt 12 nähert, bei dem es sich in der 1 um einen Baum handelt. Das Fahrzeug 10 verfügt über mindestens eine Scanvorrichtung 14, die mit Hilfe von Lichtstrahlen L11, L21, L31 und L41 die vorausliegende Umgebung des Fahrzeugs 10 abtastet, woraus ein dreidimensionales Bild der Umgebung berechnet wird. Außerdem bestimmt die Scanvorrichtung 14 die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt 12. Diese Information ist vor allem dann wichtig, wenn das Objekt 12 ein anderes Fahrzeug ist und sich ebenfalls bewegt.
Die von der Scanvorrichtung 14 ermittelten Informationen über die vorausliegende Umgebung des Fahrzeugs 10 können beispielsweise dazu verwendet werden, den Fahrer des Fahrzeugs 10 Fahrer assistierend bei der Fahrzeugsteuerung zu unterstützen, indem Warnmeldungen erzeugt werden, wenn eine Kollision des Fahrzeugs 10 mit dem Objekt 12 droht. Falls das Fahrzeug 10 autonom fährt, werden die Informationen über die vorausliegende Umgebung von den Steueralgorithmen benötigt, die das Fahrzeug 10 steuern.
Wie in der 1 erkennbar ist, strahlt die Scaneinrichtung 14 in einer vertikalen Ebene (in der 1 ist dies die Papierebene) die Lichtstrahlen L11 bis L41 in unterschiedliche Richtungen ab, wodurch die Umgebung in vertikaler Richtung abgescannt wird. Gleichzeitig findet auch ein Abscannen in horizontaler Richtung statt, wie dies die 2 in einer Draufsicht auf die Scanvorrichtung 14 zeigt. Dort sind vier Lichtstrahlen L11, L12, L13 und L14 gezeigt, die in einer horizontalen Ebene in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in den 1 und 2 unterstellt, dass nur jeweils vier Lichtstrahlen Ln1 bis Ln4 in vier unterschiedlichen Ebenen, d.h. insgesamt 16 Lichtstrahlen von der Scaneinrichtung 14 erzeugt werden. Tatsächlich jedoch sendet die Scanvorrichtung 14 gleichzeitig oder nacheinander vorzugsweise mehrere Hundert oder Tausend Lichtstrahlen L aus.
Die 3 zeigt den Aufbau der Scanvorrichtung 14 in einer schematischen Darstellung. Die Scanvorrichtung 14, die vorzugsweise als photonischer integrierter Schaltkreis aufgebaut ist, kann in der Realität z.B. hinsichtlich der Dimensionen und dem Verlauf der optischen Wellenleiter anders aussehen.
Die Scanvorrichtung 14 umfasst eine Lichtquelle 16, die ein optisches FMCW-Signal erzeugt, wobei FMCW für Frequency-Modulated Continuous-Wave steht. Die Lichtquelle 16 erzeugt somit im Gegensatz zu herkömmlichen Scanvorrichtungen keine kurzen Lichtpulse mit hoher Pulsleistung, sondern ein kontinuierliches Signal, dessen Frequenz v zeitlich variiert. Die Abhängigkeit der Frequenz v von der Zeit t kann beispielsweise durch eine Sägezahnfunktion vorgegeben sein, wie dies der in der 3 enthaltene Graph illustriert. Die Frequenz v steigt somit während eines Zeitraums Δt linear an, springt dann zurück auf ihren ursprünglichen Wert, steigt erneut mit der gleichen Steigung linear an usw. Die Dauer Δt des Anstiegs ist länger als die Zeitdauer, die das von der Scanvorrichtung 14 emittierte Licht benötigt, um nach Reflexion am Objekt 12 wieder zurück in die Scanvorrichtung 14 zu verlangen.
Die Lichtquelle 16 kann beispielsweise einen DFB-Laser enthalten, der Licht mit einer Wellenlänge von 1308 nm emittiert. Die Frequenzmodulation (engl. chirp) wird dem Signal durch einen nachgeschalteten Modulator aufgeprägt, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale gelangen über einen Verzweiger 18 in eine Verteilmatrix 20, die mehrere optische Schalter 22a, 22b, 22c umfasst. Bei den optischen Schaltern 22a, 22b, 22c kann es sich beispielsweise Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) handeln, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Die optische Verteilmatrix 22 hat eine Baumstruktur mit mehreren Knoten, die durch die optischen Schalter 22a, 22b, 22c gebildet werden. Mit Hilfe der Verteilmatrix 22 können die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale wahlweise auf einen von vier Ausgangswellenleiter 241 bis 244 verteilt werden. Bei der in der 3 gezeigten Stellung der optischen Schalter 22a, 22b, 22c werden die optischen Signale beispielsweise auf den Ausgangswellenleiter 244 gelegt.
Jeder Ausgangswellenleiter 241 bis 244 endet in einem Ausgangskoppler 261 bis 264, aus denen die in den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 geführten optischen Signale in den freien Raum auskoppeln. Die Ausgangskoppler können beispielsweise als Gitterkoppler (diffraction coupler) der als Kantenkoppler (edge coupler) ausgebildet sein, wie dies ebenfalls an sich im Stand der Technik bekannt ist. Die aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 austretenden Lichtstrahlen werden von einer blenkoptik 28 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Der Ablenkwinkel hängt dabei von dem Ort ab, an dem die optischen Signale in die Ablenkoptik 28 eintreten.
Bei der Ablenkoptik 28 kann es sich beispielsweise um eine Sammellinse 30 handeln, wie dies die 4a und 4b illustrieren. Dargestellt sind dort links die Verteilmatrix 20 und die Ausgangskoppler 261 bis 264, die in der vorderen Brennebene 29 der Sammellinse 30 angeordnet sind. Infolge dieser Anordnung wird das aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 austretende divergente Licht von der Sammellinse 30 kollimiert und beim Austritt aus der Sammellinse 30 abgelenkt. Anschließend durchtritt das Licht die Pupillenebene 32, die sich in der hinteren Brennebene der Sammellinse 30 befindet.
Die 4a zeigt die Verteilmatrix 20 in einer Schaltstellung, bei der die optischen Signale aus dem oberen Ausgangskoppler 264 austreten. Wird das optische Signal in der Verteilmatrix 20 hingegen auf den darunter Ausgangskoppler 263 gelegt, wie dies die 4b illustriert, so tritt das Licht ebenfalls als kollimierter Strahl aus der Scanvorrichtung 14 aus, aber unter einem kleineren Winkel relativ zur optischen Achse OA. Auf diese Weise bestimmt die Verteilmatrix 20, in welche Richtungen die optischen Signale von der Scanvorrichtung 14 abgestrahlt werden.
Im Folgenden wird wieder auf die 3 Bezug genommen. Treffen die in einer horizontalen Ebene abgestrahlten Lichtstrahlen L11 bis L14 auf das Objekt 12, werden sie an dessen Oberfläche in der Regel diffus reflektiert und somit über einen größeren Raumwinkelbereich hinweg zurückgestrahlt. Ein kleiner Teil des auf das Objekt 12 auftreffenden Lichts wird retroreflektiert, d.h. in die gleiche Richtung zurückgestrahlt, entlang der sich das Licht auf dem Weg zum Objekt 12 hin ausgebreitet hat. In der 3 sind vier solcher Lichtstrahlen RL11 bis RL14 angedeutet, wobei der reflektierte Lichtstrahl RL11 dem Lichtstrahl L11, der reflektierte Lichtstrahl RL12 dem Lichtstrahl L12 usw. zugeordnet ist. Die Ablenkoptik 28 richtet die reflektierten Lichtstrahlen RL11 bis RL14 auf Eingangskoppler 341 bis 344, die das auftreffende reflektierte Licht in Eingangswellenleiter 361 bis 364 einkoppeln. Die Eingangskoppler 341 bis 344 können den gleichen Aufbau haben wie die Ausgangskoppler 261 bis 264.
Die Eingangswellenleiter 361 bis 364 leiten die empfangenen optischen Signale zu Detektoren 381 bis 384, in denen die empfangenen optischen Signale mit den von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signalen überlagert werden. Zu diesem Zweck wird ein Teil des von der Lichtquelle 16 erzeugten Lichts mit Hilfe des Verzweigers 18 abgezweigt und über weitere Verzweiger 40 den Detektoren 381 bis 384 zugeleitet.
Während des Zeitraums, den das Licht für den Weg zum Objekt 12 und zurück benötigt, hat sich die Frequenz der von der Lichtquelle 16 erzeugten Signale verändert. Die Überlagerung der beiden Signale mit ähnlicher Frequenz führt zu einer Schwebung, deren Frequenz durch Berechnung der FFT (Fast Fourier Transform) ermitteln kann. Aus der Dopplerverschiebung kann außerdem auf die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Objekt 12 zurückgeschlossen werden. Störsignale vom Umgebungslicht oder von Scaneinrichtungen anderer Fahrzeuge 10 können mangels Kohärenz mit den von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signalen die Messung nicht beeinträchtigen.
Diese Berechnungen werden von einer Auswerteeinrichtung 42 durchgeführt, die mit den Detektoren 381 bis 384 verbunden ist und außerdem die Lichtquelle 16 und die optischen Schalter 22a, 22b und 22c der Verteilmatrix 20 ansteuert.
Werden die optischen Schalter 22 der Verteilmatrix 20 durch passive Verzweiger, z.B. 3 dB Richtkoppler, ersetzt, treten die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale alle gleichzeitig aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 aus. Die am Objekt 12 reflektierten optischen Signale können dennoch eindeutig unterschiedlichen Richtungen zugeordnet werden, da die Ablenkoptik 28 sicherstellt, dass jeder Lichtrichtung genau ein Ort und damit ein Eingangskoppler 341 bis 344 zugeordnet ist. Anteile des Lichtstrahls L11 etwa, die am Objekt 12 in eine Richtung reflektiert werden, die dem Lichtstrahl L12 entspricht, gelangen gar nicht erst in die Ablenkoptik 28. Ein sukzessives Verteilen der optischen Signale mit Hilfe einer aktiven Verteilmatrix 20 hat jedoch den Vorteil, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt die verfügbare optische Leistung pro Richtung größer ist, als wenn die Abstände und Geschwindigkeiten für alle Richtungen gleichzeitig gemessen werden.
2. Zweites Ausführungsbeispiel
Die 5 zeigt eine Variante der vorstehend anhand der 3 beschriebene Scanvorrichtung 14, in der weitere Implementierungsdetails erkennbar sind.
Die Detektoren 381 bis 384 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als symmetrische Fotodetektoren (engl. balanced photodetectors) ausgebildet, die üblicherweise zwei in Reihe geschaltete Photodioden enthalten. Jedem Detektor 381 bis 384 ist ein 3 dB Richtkoppler 421 bis 424 zugeordnet, der eingehende Signale hälftig auf zwei Ausgänge aufteilt.
Die Funktion der Richtkoppler wird im Folgenden mit Bezug auf den Richtkoppler 424 erläutert, der dem Detektor 384 zugeordnet ist. Der Richtkoppler 424 hat ein erstes Paar von Eingängen 46a, 46b sowie ein zweites Paar von Eingängen 48a, 48b, zwischen denen eine Koppelstrecke 44 angeordnet ist. Einem ersten Eingang 46a des ersten Paars ist ein optisches Signal von der Lichtquelle 16 und einem zweiten Eingang 46b des ersten Paars ein optisches Signal über den Eingangswellenleiter 364 zuführbar, das von dem Objekt 12 reflektiert wurde. Die beiden Eingänge 48a, 48b des zweiten Paars sind mit dem Fotodetektor 424 verbunden. Ein so verwendeter 3dB Richtkoppler 424 stellt sicher, dass die an den Eingängen des symmetrischen Fotodetektors 384 anliegenden Signale die gleiche Intensität erhalten, aber phasenverschoben sind. Dadurch wird unerwünschtes Rauschen der optischen Signale voneinander subtrahiert, so dass es die Auswertung der überlagerten Signale nicht stört.
3. Drittes Ausführungsbeispiel
Das in der 6 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel u.a. dadurch, dass die Lichtquelle 16 gleichzeitig optische Signale in mehreren voneinander getrennten Frequenzbändern erzeugt. Dies kann durch Verwenden mehrerer Laser erreicht werden, deren Signale in einem Multiplexer überlagert werden.
Im Lichtweg zwischen den Richtkopplern 421 bis 424 und den Fotodetektoren 481 bis 484 sind bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils Demultiplexer 50 angeordnet. Diese wirken als Wellenlängenfilter, die nur für ein bestimmtes Frequenzband transparent sind. Alternativ hierzu können die Demultiplexer 50 auch schaltbar sein. Das Frequenzband, für welches der Demultiplexer 50 transparent ist, ist dann veränderbar.
Wenn die Ablenkoptik 28 ein dispersives optisches Element aufweist, kann ein Scannen in einer zusätzlichen Raumrichtung realisiert werden. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf die 6 näher erläutert.
4. Viertes Ausführungsbeispiel
Die 7 zeigt in einer an die 3 angelehnten schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Zwischen der Ablenkoptik 28 und den Kopplern 261 bis 264 sowie 341 bis 344 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein gemeinsamer optischer Zirkulator 52 angeordnet. Dieser hat die Aufgabe, von dem Objekt 12 reflektierte optische Signale ausschließlich auf die Eingangskoppler 341 bis 344 am Ende der Eingangswellenleiter 361 bis 364 zu richten. Wie in der 7 erkennbar ist, lenkt der gemeinsame optische Zirkulator 52 die reflektierten optischen Signale alle in die gleiche Richtung um den gleichen Betrag ab, weswegen die Anordnung der Ausgangswellenleiter 241 bis 244 auf die Anordnung der Eingangswellenleiter 361 bis 364 entsprechend abgestimmt sein muss.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der gemeinsame optischer Zirkulator 52 eine planparallele Platte 54 aus einem doppelbrechenden Material, einen Faraday-Rotator 56 und eine Halbwellenlängenplatte 58. Der Faraday-Rotator 56 dreht die Polarisationsrichtung des aus den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 austretenden Lichts um 45°, die Halbwellenlängenplatte 58 um weitere 90°. Die Polarisationsrichtung des vom Objekt 12 reflektierten Lichts erfährt beim Durchtritt durch die Halbwellenlängenplatte 58 eine erneute Drehung um 90°. Da der Faraday-Rotator 56 nicht reziprok ist, dreht er die Polarisationsrichtung beim zweiten Durchritt nicht wieder zurück, sondern um weitere 45°. Das reflektierte Licht tritt dadurch in die Platte 54 mit einer Polarisationsrichtung ein, die um 90° gegenüber der Polarisationsrichtung verdreht ist, die das Licht beim erstmaligen Durchtritt vor der Reflexion am Objekt 12 hatte. Infolge der Doppelbrechung der Platte 54 wird das reflektierte Licht in der Platte 54 anders als das einfallende Licht gebrochen und tritt parallel versetzt zum einfallenden Licht aus der Platte 54. Der Versatz ist so festgelegt, dass das reflektierte Licht genau auf die Eingangskoppler 341 bis 344 gerichtet wird.
Der Durchtritt des reflektierten Lichts durch den gemeinsamen Zirkulator 52 verursacht nur geringe Verluste, die durch eine geeignete Entspiegelung der optischen Grenzflächen minimiert werden können. Dafür wird am Objekt 12 retroreflektiertes Licht praktisch vollständig auf die Eingangskoppler 341 bis 344 gerichtet, was für die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele nur in guter Näherung gilt.
Zur Ablenkoptik 28 gehört bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur die Sammellinse 30, sondern auch ein Gitter 60 oder ein anderes dispersives optisches Element. Das Gitter 60 spaltet die optischen Signale in einer Ebene wellenlängenabhängig auf, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist, innerhalb derer die sich aus den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 austretenden optischen Signale ausbreiten. Diese wellenlängenabhängige Aufspaltung ist in der 7 durch ein Strahlenbündel 61 angedeutet. Die Aufspaltung der Strahlen erfolgt dabei senkrecht zur Papierebene. Innerhalb einer horizontalen Scanebene, wie sie in der 2 gezeigt ist, haben die optischen Lichtstrahlen L11 bis L14 beispielsweise Frequenzen innerhalb eines ersten Frequenzbandes. Die Lichtstrahlen L21 bis L24 der nächsten und dazu geneigten Scanebene haben Frequenzen in einem dazu verschiedenen zweiten Frequenzband, usw.
Sind den Detektoren 381 bis 384 Demultiplexer 50 zugeordnet, wie dies die 6 zeigt, können die reflektierten Signale wellenlängenabhängig ausgewertet werden. Wenn die Demultiplexer 50 nicht durchstimmbar sind, müssen mehrere Ebenen von Detektoren 381 bis 384 vorgesehen werden, damit jeder reflektierte Lichtstrahl RL11 bis RL44 separat erfasst werden kann. Sind die Demultiplexer 50 hingegen durchstimmbar, können die unterschiedlichen Wellenlängen zeitlich hintereinander erfasst und ausgewertet werden.
5. Fünftes Ausführungsbeispiel
Die 8 zeigt in einer an die 7 angelehnten Darstellung eine Variante, bei der in einer Ebene vor den Ausgangs- und Eingangskopplern 261 bis 264 bzw. 341 bis 344 ein erstes Mikrolinsenarray 62 angeordnet ist. Die Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays kollimieren das divergent aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 austretende Licht. Das in die Eingangskoppler 341 bis 344 eintretende Licht, das infolge der diffusen Reflexion am Objekt 12 aufgeweitet ist, wird so gebündelt, dass es mit möglichst hoher Effizienz über die Eingangskoppler 341 bis 344 in die Eingangswellenleiter 361 bis 364 einkoppelt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner ein zweites Mikrolinsenarray 64 vorgesehen, dass im Lichtweg zwischen dem optischen Zirkulator 52 und der Ablenkoptik 28 angeordnet ist. Die Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays 64 bündeln das kollimierte Licht vor dem Durchtritt durch die Ablenkoptik 28, um kleine Spotdurchmesser auf dem Objekt 12 und damit Bilder mit möglichst hoher lateraler Auflösung zu erhalten.
6. Sechstes Ausführungsbeispiel
Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 und die Eingangswellenleiter 361 bis 364 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Es kommt jedoch auch in Betracht, wie bei dem in der 9 gezeigten Ausführungsbeispiel die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 in einer Ausgangsebene 66 und die Eingangswellenle iter 361 bis 364 in einer Eingangsebene 68 anzuordnen, die parallel zu der Ausgangsebene verläuft. 66 Die Eingangswellenleiter 361 bis 364 befinden sich dann beispielsweise nicht seitlich, sondern in der Höhe unmittelbar neben den jeweils zugeordneten Ausgangswellenleitern 241 bis 244.
Um eine solche Aufteilung vornehmen zu können, weist der gemeinsame optische Zirkulator 52 anstelle der Platte 64 einen polarisationsselektiven Strahlteiler 70 auf. Dort wird das vom Objekt 12 reflektierte Licht um 90° umgelenkt, da seine Polarisationsrichtung um 90° gedreht ist. Das reflektierte Licht trifft nach einer weiteren Umlenkung 90° an einem Faltungsspiegel 72 auf den Eingangskoppler 341 des Eingangswellenleiters 361. Für die übrigen Eingangswellenleiter 362 bis 364, die senkrecht zur Papierebene hintereinander angeordnet sind, gilt dies entsprechend.
7. Siebtes Ausführungsbeispiel
Das in der 10 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die Platte 54 des gemeinsamen optischen Zirkulators 52 eine größere Dicke hat. Dadurch wird das reflektierte Licht im gemeinsamen Zirkulator 52 um einen größeren Betrag seitlich versetzt. Der Versatz ist in diesem Ausführungsbeispiel so groß, dass die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 und die Eingangswellenleiter 361 bis 364 zwar nach wie vor verschränkt angeordnet sind, aber einander entsprechende Ausgangs- und Eingangswellenleiter nicht mehr unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Der Eingangswellenleiter 364 etwa ist nicht benachbart zum zugehörigen Ausgangswellenleiter 244, sondern benachbart zum Ausgangswellenleiter 243 angeordnet.
8. Achtes Ausführungsbeispiel
Das in der 11 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen vor allem dadurch, dass das die von dem Objekt 12 reflektierten optischen Signale nicht über eigene Eingangswellenleiter den Detektoren zugeführt werden, sondern über die Ausgangswellenleiter, die sie vor dem Austritt aus der Scanvorrichtung 14 durchtreten haben. Es gibt bei diesem Ausführungsbeispiel somit Wellenleiter, die sowohl von den ausgesendeten als auch von dem empfangenen optischen Signalen durchtreten werden.
Die Lichtquelle enthält hier einen DBR-Laser, dessen Licht über den Verzweiger 18 auf die Verteilmatrix 20 und eine weitere Verteilmatrix 74 verteilt wird. Die Verteilmatrix 20 verteilt das Licht wie bei den anderen Ausführungsbeispielen auf die Ausgangswellenleiter 241 bis 244. Die weitere Verteilmatrix 74 enthält ebenfalls Schalter 22a bis 22c und ersetzt die passiven Verzweiger 40 der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche das von der Lichtquelle 16 erzeugte Licht den Detektoren 381 bis 384 zuleiten. Auf diese Weise kann das zur Verfügung stehende Licht noch effizienter genutzt werden, da nur diejenigen Detektoren 381 bis 384 Licht von der Lichtquelle 16 erhalten, die gerade reflektierte optische Signale empfangen, weil von der Verteilmatrix 20 der entsprechende Ausgangswellenleiter 241 bis 244 mit der Lichtquelle 16 verbunden wurde.
Die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 sind über Verstärker 76 mit 3 dB 2x2 Richtkopplern 781 bis 784 verbunden, welche die in den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 geführten optischen Signale auf jeweils zwei Ausgangswellenleiter 241a, 241b bis 244a, 244b hälftig aufteilen. Über Koppler 79 treten die optischen Signale aus und werden wie bei den anderen Ausführungsbeispielen über die Ablenkoptik 28 in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt.
Vom Objekt 12 retroreflektierte Lichtstrahlen werden über die Koppler 79 in die Ausgangswellenleiter 241a, 241b bis 244a, 244b eingekoppelt. 50% der Intensität der empfangenen optischen Signale werden über die Richtkoppler 78, die im optischen Weg zwischen der Verteilmatrix 22 und den Ausgangswellenleitern 241a, 241b bis 244a, 244b angeordnet sind, in Eingangswellenleiter 801 bis 804 geleitet, welche die reflektierten optischen Signale den Detektoren 381 bis 384 zuführen.
Die Richtkoppler 781 bis 784 haben jeweils ein erstes und ein zweites Paar von Eingängen und eine Koppelstrecke 44, die zwischen den Paaren von Eingängen angeordnet ist. Ein erster Eingang des ersten Paars ist über die Verstärker 76 mit der Verteilmatrix 22, ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren 381 bis 384, ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem ersten Ausgangswellenleiter 241a bis 244a und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem zweiten Ausgangswellenleiter 241b bis 244b verbunden.
Um die Signalqualität an den Detektoren 381 bis 384 zu verbessern, ist in den Ausgangswellenleitern 241a, 242a, 243a und 244a jeweils ein Phasenschieber 82 angeordnet ist. Der Phasenschieber sollte die Phase um einen größeren Betrag, beispielsweise um 2π*n mit n = 3, 4, 5... und vorzugweise mit 5 > n > 100 verschieben.
9. Neuntes Ausführungsbeispiel
Das in der 12 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 11 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die weitere Verteilmatrix 74 keine Schalter 22a, 22b, 22c, sondern passive Verzweiger 40 aufweist.
10. Zehntes Ausführungsbeispiel
Die 13 zeigt eine Variante des in der 12 gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem ein zusätzliches Wellenlängenmultiplexing vorgesehen ist, wie dies oben bereits im Zusammenhang mit den 6 bis 8 erläutert wurde. Die Lichtquelle 16' umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel vier DBR-Laser 171 bis 174, deren optische Signale in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen und über eine Sammelmatrix 84 mit Schaltern 86a, 86b, 86c sequentiell auf einen Wellenleiter 88 aufgeschaltet werden können. Auf diese Weise wird zusätzlich ein Zeitmultiplexen erzielt.
Demultiplexer 50, wie sie bei dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel im Lichtweg der empfangenen optischen Signale angeordnet sind, werden bei diesem Ausführungsbeispiel nicht benötigt, da zu einem gegebenen Zeitpunkt nur optische Signale eines der vier von den DBR-Lasern 171 bis 174 erzeugten Frequenzbänder von der Scanvorrichtung 14 verarbeitet werden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden die unterschiedlichen Frequenzbänder dazu genutzt, zusammen mit einem Gitter 60 oder einem anderen dispersiven optischen Element die Umgebung in vertikaler Richtung zu scannen, wie dies oben im Zusammenhang mit dem in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.
11. Elftes Ausführungsbeispiel
Bei dem in der in der 14 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale zunächst in einem Verstärker 176 verstärkt und dann in der Verteilmatrix 20 von mehreren optischen Schaltern 22a, 22b, 22c auf insgesamt vier Ausgangskanäle K1 bis K4 verteilt. Der Ausgangskanal K1 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel einen Wellenleiter 241', in den seriell vier erste 2x2 Richtkoppler 781 - 1 bis 781-4 integriert sind. Diese ersten Richtkoppler 781-1 bis 781-4 führen einen Teil der im Wellenleiter 241' geführten optischen Signale über Ausgangswellenleiter 241-1 bis 241-4 jeweils einem Koppler 791-1 bis 791-4 zu, aus dem die optischen Signale austreten und nach der Reflexion am Objekt 12 wieder eintreten können.
Die Richtkoppler 781-1 bis 781-4 haben zu diesem Zweck jeweils ein erstes und ein zweites Paar von Eingängen und eine Koppelstrecke 44, die zwischen den Paaren von Eingängen angeordnet ist. Beim Richtkoppler 781-1 ist ein erster Eingang des ersten Paars mit einem Abschnitt des Ausgangswellenleiters 241 und ein zweiter Eingang des ersten Paars mit dem Detektor 381-1 verbunden. Ein erster Eingang des zweiten Paars ist mit einem darauf folgenden Richtkoppler 781-2 und ein zweiter Eingang des zweiten Paars ist über einen Ausgangswellenleiter 241-1 mit dem Koppler 791-1 verbunden. Entsprechendes gilt für die übrigen Richtkoppler 781-2 bis 781-5 des Kanals K1.
Die Detektoren 381-1 bis 381-4 sind auch hier als symmetrische Photodetektoren ausgebildet und erhalten deswegen wie in den anderen Ausführungsbeispielen zusätzlich das optische Signal von der Lichtquelle 16. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass diese Zuführung über den gleichen Wellenleiter 241' erfolgt, der auch mit den Richtkopplern 781-1 bis 781-4 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist der Wellenleiter 241' mit zweiten 1x2 Richtkopplern 901-1 bis 901-4 verbunden, die einen Teil des in dem Wellenleiter 241' geführten Lichts den Detektoren 381-1 bis 381-4 zuleiten. Am Ende eines jeden Wellenleiters 241' bis 244' befindet sich ein Absorber 92, der das restliche Licht absorbiert.
Die übrigen Ausgangskanäle K2 bis K4 sind entsprechend aufgebaut.
Auch bei dem in der 14 gezeigten Ausführungsbeispiel werden somit die vom Objekt 12 reflektierten Signale über die Koppler 791-1 bis 791-4, 792-1 bis 792-4 usw. in den gleichen Ausgangswellenleiter 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4 usw. eingekoppelt, aus dem die Signale vorher ausgekoppelt wurden.
Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass jeder Ausgangswellenleiter 241 bis 244 eines Ausgangskanals K1 bis K4 über die darin integrierten Richtkoppler sowohl mit Kopplern zum Auskoppeln der optischen Signale in den freien Raum als auch mit mehreren Detektoren verbunden ist.
Vorzugsweise haben die in den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 integrierten Richtkoppler 781 -1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4 usw. jeweils Kopplungskoeffizienten, die derart aufeinander abgestimmt sind, dass an allen Kopplern 79i-1 bis 79i-4 eines Ausgangskanals Ki ein optisches Signal der gleichen Intensität ausgekoppelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018203315 A1 [0002]
US 2017/0371227 A1 [0004]
US 2019/0377135 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Martin et al., Journal Of Lightwave Technology, Vol. 36, No. 19, October 1, 2018 [0005]

Claims

Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit einer Lichtquelle (16; 16'), die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz zu erzeugen, einer optischen Verteilmatrix (20), die mehrere optische Schalter (22a, 22b, 22c) und/oder optische Verzweiger aufweist und dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (241 bis 244; 241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) verteilen, einer Ablenkoptik (28), die dazu eingerichtet ist, die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden, mehrere Detektoren (381 bis 384), die dazu eingerichtet sind, eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16; 16') erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde, zu erfassen, wobei von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale den Detektoren (381 bis 384) unter Umgehung der optischen Verteilmatrix (20) zuführbar sind, eine Auswerteeinrichtung (42), die dazu eingerichtet ist, aus der von den Detektoren (381 bis 384) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale (RL11 bis RL14) entweder a) über die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind oder b) über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleiter (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind, wobei die Eingangswellenleiter b1) entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) angeordnet sind und/oder b2) so relativ zu den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) angeordnet sind, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt (12) in einen Eingangswellenleiter (361 bis 364) eintritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter (241 bis 244) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) jeweils einen Ausgangskoppler (261 bis 264; 79; 791-1 bis 791-4, 792-1 bis 792-4, 793-1 bis 793-4, 794-1 bis 794-4) haben, der dazu eingerichtet ist, ein in dem Ausgangswellenleiter geführtes optisches Signal in den freien Raum auszukoppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg hinter den Ausgangskopplern (261 bis 264) jeweils eine Kollimatorlinse (62) zum Zwecke der Kollimation angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkoptik (28) eine Sammellinse (30) enthält, die eine vordere Brennebene (29) hat, und dass die Ausgangskoppler (261 bis 264) oder Bilder der Ausgangskoppler in der vorderen Brennebene (29) der Sammellinse (30) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16') dazu eingerichtet ist, gleichzeitig mehrere optische Signale mit zeitlich variierender Frequenz in unterschiedlichen Frequenzbändern zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkoptik (28) ein dispersives optisches Element (60) aufweist, das die optischen Signale in einer ersten Ebene wellenlängenabhängig aufspaltet, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Ebene angeordnet ist, innerhalb derer die sich aus den Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale ausbreiten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleiter (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswellenleiter (361 bis 364) jeweils einen Eingangskoppler (341 bis 344) haben, der dazu eingerichtet ist, sich im freien Raum ausbreitende Lichtstrahlen (RL11 bis RL14) in die Eingangswellenleiter (361 bis 364) einzukoppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg vor den Eingangskopplern (361 bis 344) jeweils eine Kollimatorlinse (62) zum Zwecke der Kollimation angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) und der Ablenkoptik (28) ein gemeinsamer optischer Zirkulator (52) angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale ausschließlich auf die Eingangskoppler (341 bis 344) der Eingangswellenleiter (361 bis 364) zu richten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale über die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind, und dass im optischen Weg zwischen der Verteilmatrix (20) und den Ausgangswellenleitern Verzweiger (781 bis 784; 781-bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4, 784-1 bis 784-4) angeordnet sind, die in den Ausgangswellenleitern geführte und vom Objekt (12) reflektierte optische Signale den Detektoren (381 bis 384) zuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweiger 2x2 Richtkoppler (781 bis 784) mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen umfassen, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke (44) hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist, und wobei ein erster Eingang des ersten Paars mit der Verteilmatrix (20), ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren (381 bis 384), ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem ersten Ausgangswellenleiter (241a bis 244a) und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem zweiten Ausgangswellenleiter (241b bis 244b) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen dem Richtkoppler (781 bis 784) und dem ersten Ausgangswellenleiter (241a bis 244a) ein Phasenschieber (82) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der optischen Signale von der Lichtquelle (16; 16') zu den Detektoren (381-1 bis 381-4, 382-1 bis 382-4, 383-1 bis 383-4, 384-1 bis 384-4) und zu den Ausgangswellenleitern (241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) über den gleichen Wellenleiter (241' bis 244') erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweiger 2x2 Richtkoppler (781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4) mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen umfassen, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke (44) hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist, und wobei ein erster Eingang des ersten Paars direkt oder über andere Richtkoppler (781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4) mit der Verteilmatrix (20), ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren (381-1 bis 381-4, 382-1 bis 382-4, 383-1 bis 383-4, 384-1 bis 384-4), ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem anderen Richtkoppler (781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4, 784-1 bis 784-4) und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem Ausgangswellenleiter (241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtkoppler Kopplungskoeffizienten haben, die derart ausgelegt sind, dass an allen Ausgangswellenleitern (241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) ein von der Lichtquelle erzeugtes optisches Signal der gleichen Intensität anliegt.
Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit folgenden Schritten: eine Lichtquelle (16; 16') erzeugt ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz; eine optische Verteilmatrix (20), die mehrere optische Schalter (22a, 22b, 22c) und/oder optische Verzweiger aufweist, verteilt das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (241 bis 244; 241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4); eine Ablenkoptik (28) lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden; mehrere Detektoren (381 bis 384) erfassen eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16; 16') erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert und den Detektoren (381 bis 384) unter Umgehung der optischen Verteilmatrix (22) zugeführt wurde; eine Auswerteeinrichtung (42) bestimmt aus der von den Detektoren (381 bis 384) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12); von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale (RL11 bis RL14) werden entweder a) über die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) den Detektoren (381 bis 384) zugeführt oder b) über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleiter (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zugeführt, wobei die Eingangswellenleiter b1) entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) angeordnet sind oder b2) so relativ zu den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) angeordnet sind, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt (12) in einen Eingangswellenleiter (361 bis 364) eintritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter (241 bis 244) angeordnet ist.