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Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandbestimmung.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene optische Messvorrichtungen dieser Art bekannt, die sich etwa als 3D-Kamera und/oder für LiDAR (light detection and ranging) eignen. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift Wang et al. (Micromachines 2020, vol. 11, issue 5, 456, doi: 10.3390/mi11050456) eine auf MEMS (micro-electro-mechanical systems) basierende LiDAR-Vorrichtung. Dabei trifft ein moduliertes Laserlicht auf einen MEMS-Spiegel, welcher das Laserlicht in Richtung eines Objekts scannt. Das zurückgeworfene Laserlicht wird mittels eines Photodetektors erfasst, und die Flugzeit kann zur Bestimmung der Distanz ausgewertet werden.
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Erwünschte Eigenschaften einer optischen Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandbestimmung sind etwa eine kompakte Bauform (etwa für den Einbau in Mobiltelefone, Notepads, Laptops, AR/VR/MR-Brillen und andere mobile Elektronik), eine hohe Lebensdauer und zuverlässige Funktion, insbesondere unter Bedingungen mit starkem Hintergrundlicht (etwa Sonnenlicht), eine hohe räumliche Auflösung, ein großer räumlicher Messbereich sowie eine hohe Messgeschwindigkeit. Die bekannten Messvorrichtungen sind hinsichtlich dieser Eigenschaften - insbesondere deren Kombination - häufig verbesserungsbedürftig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandbestimmung vorzuschlagen, die sich - bei hoher Auflösung, großem Messbereich und hoher Messgeschwindigkeit - durch eine kompakte Bauform, hohe Lebensdauer und zuverlässige Funktion auch bei starkem Hintergrundlicht auszeichnet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Messvorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich zusammen mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die vorgeschlagene optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung umfasst:
- eine Laserlichtquelle, eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts,
- eine MEMS-basierte Scaneinheit, umfassend einen um mindestens eine Achse verschwenkbaren Mikrospiegel zum Ablenken des von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts in einen Objektraum und einen Antrieb zum Verschwenken des Mikrospiegels um die mindestens eine Achse,
- einen Photodetektor, eingerichtet zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels abgelenkten Abtastlicht einfallenden und an dem Mikrospiegel reflektierten Anteils eines Detektionslichts, und
- eine Prismeneinheit, eingerichtet zum Beaufschlagen des Mikrospiegels mit dem von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlicht, so dass das Abtastlicht an dem Mikrospiegel in den Objektraum reflektiert wird, und zum Beaufschlagen des Photodetektors mit dem an dem Mikrospiegel reflektierten Anteil des Detektionslichts, so dass das Abtastlicht und das Detektionslicht entlang eines innerhalb der Prismeneinheit verlaufenden ersten Abschnitts einer optischen Achse und entlang eines zwischen der Prismeneinheit und dem Mikrospiegel verlaufenden zweiten Abschnitts der optischen Achse koaxial propagieren,
- wobei die Laserlichtquelle, der Photodetektor und die Scaneinheit auf einem gemeinsamen planaren Substrat angeordnet sind,
- wobei die Scaneinheit ein von dem zweiten Abschnitt der optischen Achse durchtretenes und für das Abtastlicht und das Detektionslicht durchlässiges kuppelförmiges Fenster umfasst,
- wobei der Mikrospiegel zwischen dem kuppelförmigen Fenster und dem Substrat, insbesondere zwischen dem kuppelförmigen Fenster und einer zwischen dem Mikrospiegel und dem Substrat angeordneten Bodenstruktur der Scaneinheit, luftdicht verkapselt ist und
- wobei die Prismeneinheit umfasst:
- eine über der Laserlichtquelle angeordnete und bezüglich des Substrats abgewinkelte erste Fläche, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts zum Einkoppeln in einen entlang des ersten Abschnitts der optischen Achse verlaufenden ersten Strahlengangsabschnitt,
- eine über dem Photodetektor angeordnete und bezüglich des Substrats abgewinkelte zweite Fläche, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts aus dem ersten Strahlengangsabschnitt zum Photodetektor und zum Transmittieren eines Anteils des an der ersten Fläche reflektierten Abtastlichts, und
- eine dritte Fläche, eingerichtet zum Transmittieren und/oder Ablenken des Abtastlichts aus dem ersten Strahlengangsabschnitt in einen entlang des zweiten Abschnitts der optischen Achse verlaufenden zweiten Strahlengangsabschnitt und zum Transmittieren und/oder Ablenken des an dem Mikrospiegel reflektierten Anteils des Detektionslichts aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt in den ersten Strahlengangsabschnitt,
- wobei der zweite Abschnitt der optischen Achse mit einer Oberfläche des Substrats und/oder mit einer Oberfläche des Mikrospiegels in einer Neutralstellung einen Eintrittswinkel einschließt, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
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Als Neutralstellung wird dabei eine Stellung des Mikrospiegels bezeichnet, aus der dieser mittels des Antriebs ausgelenkt werden kann. Insbesondere kann die Neutralstellung eine Stellung sein, die der Mikrospiegel in Abwesenheit einer an dem Antrieb anliegenden Spannung oder bei Anliegen einer konstanten Offset-Spannung an dem Antrieb einnimmt. Die Neutralstellung kann so gewählt sein, dass eine gleich große Auslenkung des Mikrospiegels aus der Neutralstellung in mehrere Richtungen möglich ist. Die Neutralstellung kann so gewählt sein, dass eine mögliche Auslenkung des Mikrospiegels aus der Neutralstellung in einer Richtung maximiert wird.
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Die vorgeschlagene Messvorrichtung eignet sich insbesondere in vorteilhafter Weise zur Verwendung in einem Verfahren zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung, welches die Schritte umfasst:
- Emittieren des Abtastlichts mittels der Laserlichtquelle,
- Beaufschlagen des Mikrospiegels mit dem von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlicht mittels der Prismeneinheit, so dass das von der Laserlichtquelle emittierte Abtastlicht in den Objektraum abgelenkt wird,
- Verschwenken des Mikrospiegels mittels des Antriebs, so dass das an dem Mikrospiegel reflektierte Abtastlicht sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum erreicht,
- Erfassen des koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels abgelenkten Abtastlicht einfallenden und an dem Mikrospiegel reflektierten Anteils des Detektionslichts,
- Bestimmen des jeweiligen Abstand zwischen jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten und einem Referenzpunkt auf Grundlage einer relativen Zeitlage des Abtastlichts und des mittels des Photodetektors erfassten Anteils des Detektionslichts.
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Unter der Annahme, dass der koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels abgelenkten Abtastlicht einfallende und an dem Mikrospiegel reflektierte Anteil des Detektionslicht ein an Objektpunkten der Vielzahl von Objektpunkten gestreuter und/oder reflektierter Anteil des Abtastlichts ist, erlaubt das genannte Verfahren unter Verwendung der vorgeschlagenen Messvorrichtung eine schnelle und räumlich hochaufgelöste Abstandsbestimmung an statischen und insbesondere an dynamisch bewegten Objekten über einen großen räumlichen Messbereich.
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Die Messvorrichtung zeichnet sich durch die Möglichkeit einer kompakten und leichten Bauform aus, wozu insbesondere die leicht miniaturisierbare Anordnung der Laserlichtquelle, des Photodetektors und der Scaneinheit auf dem gemeinsamen Substrat, die Prismeneinheit in der oben beschriebenen Ausgestaltung und der schräg zur Oberfläche des Substrats durch das kuppelförmige Fenster in die Scaneinheit eintretende zweite Abschnitt der optischen Achse beitragen. Besonders die Bauhöhe der Messvorrichtung (senkrecht zur Oberfläche des Substrats) kann aufgrund dieser Merkmale gering gehalten werden.
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Zugleich ist durch das kuppelförmige Fenster ein großer räumlicher Messbereich bei vergleichsweise geringen lateralen Abmessungen (d. h. parallel zur Oberfläche des Substrats) der Messvorrichtung erzielbar, da das Abtastlicht über einen großen Winkelbereich scanbar ist.
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Ferner ist eine zuverlässige Funktion der Messvorrichtung auch bei starkem Hintergrundlicht aufgrund des guten erzielbaren Signal-Rausch-Abstands gewährleistbar. Ein verbesserter Signal-Rauschabstand ergibt sich etwa durch die Kuppelform des Fensters, durch die ein Auftreffen fokussierter Reflexe des Abtastlichts am Photodetektor vermieden bzw. verringert wird. Dass solche Reflexe dementsprechend auch nicht mittels einer Strahlenfalle, Blende o. ä. unterdrückt werden müssen, kommt wiederum einer kompakten Bauform der Messvorrichtung zugute.
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Mit dem guten erzielbaren Signal-Rauschabstand geht auch die Möglichkeit eines augensicheren Betriebs, also der Verwendung einer hinreichend geringen Laserleistung des Abtastlichts zur Vermeidung von Augenschäden, einher.
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Dadurch, dass der Mikrospiegel zwischen dem kuppelförmigen Fenster und dem Substrat luftdicht verkapselt ist, ist der Mikrospiegel gegenüber Umwelteinflüssen geschützt, was die Lebensdauer der optischen Messvorrichtung verbessern kann.
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Ferner kann ein den Mikrospiegel enthaltender Raum unter dem kuppelförmigen Fenster einen gegenüber einem Umgebungsdruck verringerten Innendruck aufweisen. Damit wird eine beim Verschwenken des Mikrospiegels auftretende Dämpfung verringert und eine entsprechende Spiegelauslenkung erhöht, womit ein besonders großer Messbereich, ein verringerter Energieverbrauch und eine besonders gute Lebensdauer der optischen Messvorrichtung ermöglicht werden kann.
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Die Laserlichtquelle kann eine zeitlich modulierbare, insbesondere gepulst betreibbare, Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode, sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle kann eine zeitlich modulierbare Dauerstrichlaserlichtquelle sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle kann eine VCSEL-Diode und/oder eine kantenemittierende Laserdiode sein oder umfassen. Mit einer VCSEL-Diode ist eine besonders kompakte Bauform bei hoher Energieeffizienz, hoher Strahlqualität und/oder hoher Modulationsfrequenz bzw. Pulsfrequenz umsetzbar.
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Eine Wellenlänge des mittels der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts ist vorzugsweise größer als oder gleich 850 nm, insbesondere im Bereich von 850 nm bis 2000 nm. Wird die Laserlichtquelle gepulst betrieben, so beträgt eine Pulsdauer des Abtastlichts vorzugsweise 100 ps bis 5 ns.
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Der Photodetektor kann eine Avalanche-Photodiode (APD) und/oder eine PIN-Diode und/oder ein Silizium-Photomultiplier (SiPM) und/oder eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD) und/oder eine Detektionseinheit mit mehreren SPAD-Diodenzellen auf einem Chip sein oder umfassen, womit eine besonders kompakte Bauform bei hoher Detektionsempfindlichkeit erzielbar ist.
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Die optische Messvorrichtung kann umfassen:
- eine Steuereinheit, eingerichtet zum Ansteuern des Mikrospiegels derart, dass das an dem Mikrospiegel reflektierte Abtastlicht während eines Verschwenkens des Mikrospiegels um die mindestens eine Achse sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum erreicht, und
- eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten einen Abstand zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und einem Referenzpunkt auf Grundlage einer relativen Zeitlage des Abtastlichts und des mittels des Photodetektors erfassten Anteils des Detektionslichts zu bestimmen.
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In Verbindung mit einer zeitlich modulierbaren Laserlichtquelle kann die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, die relative Zeitlage als Laufzeit- bzw. Phasendifferenz zwischen dem Abtastlicht und dem mittels des Photodetektors erfassten Anteils des Detektionslichts zu bestimmen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, die relative Zeitlage als Laufzeit zwischen einem von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichtpuls und einem mittels des Photodetektors erfassten Detektionslichtpuls, welcher ein im Objektraum reflektierter und/oder gestreuter Anteil des Abtastlichtpulses ist, zu bestimmen.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, nach dem Emittieren eines ersten Abtastlichtpulses das Emittieren eines zweiten Abtastlichtpulses erst dann zu erlauben, wenn ein dem ersten Abtastlichtpuls entsprechender Detektionslichtpuls erfasst wurde oder ein vorgegebenes Timeout-Intervall verstrichen ist.
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Die Verarbeitungseinheit kann dazu eingerichtet sein, auf Grundlage der Abstände zwischen jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten und dem Referenzpunkt ein Tiefenbild und/oder eine Oberflächenrekonstruktion zu erzeugen. Ein Tiefenbild ist dabei eine räumlich aufgelöste Darstellung von Abständen, beispielsweise in Bezug auf eine Referenzebene oder einen Referenzpunkt.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Laserleistung des Abtastlichts zeitweise anzuheben, wenn ein Bereich im Objektraum erkannt wird, aus dem nur ein geringes (unterhalb eines Schwellwerts) liegendes Detektionslichtsignal erfasst wird.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Laserleistung des Abtastlichts so zu regeln bzw. zu steuern, dass sie stets unterhalb eines augensicheren Schwellwerts bleibt.
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Die optische Messvorrichtung kann einen Zeitfilter umfassen, der dazu eingerichtet ist, den mittels des Photodetektors erfassten Anteil des Detektionslicht durch zeitliches Gating von Anteilen des Abtastlichts zu trennen. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass mittels des Photodetektors interne Reflexe des Abtastlichts, die innerhalb der optischen Messvorrichtung auftreten, erfasst werden.
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Der Eintrittswinkel kann größer als oder gleich 30 Grad und/oder kleiner als oder gleich 50 Grad sein. Vorzugsweise liegt der Eintrittswinkel zwischen 30 Grad und 50 Grad. Damit kann insbesondere erreicht werden, dass ein Eintrittspunkt, an dem das von der Laserlichtquelle emittierte Abtastlicht das kuppelförmige Fenster nach Durchgang durch die Prismeneinheit durchtritt, nicht an einem dem Mikrospiegel senkrecht zur Oberfläche des Substrats bzw. zur Oberfläche des Mikrospiegels in der Neutralstellung gegenüberliegenden Apex des kuppelförmigen Fensters liegt. Dadurch wird ein Anordnen von optischen Elemente im Bereich des Apex und somit ein teilweises Blockieren des am Mikrospiegel in den Objektraum reflektierten Abtastlichts sowie des koaxial dazu einfallenden Anteils des Detektionslichts vermieden.
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Das kuppelförmige Fenster weist vorzugsweise eine sphärische Wölbung auf. Das kuppelförmige Fenster kann alternativ jede andere Wölbungsform aufweisen, beispielsweise eine elliptische Wölbung. Eine dem Substrat zugewandte innere Oberfläche des kuppelförmigen Fensters und eine von dem Substrat angewandte äußere Oberfläche des kuppelförmigen Fensters können identische oder unterschiedliche Wölbungsformen aufweisen.
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Der zweite Abschnitt der optischen Achse kann das kuppelförmige Fenster senkrecht zu einer Oberfläche des kuppelförmigen Fensters durchtreten. Durch dieses Merkmal können Aberrationen im optischen Strahlengang minimiert werden. Alternativ kann der zweite Abschnitt der optischen Achse das kuppelförmige Fenster schräg zu der Oberfläche des kuppelförmigen Fensters durchtreten.
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Der erste Abschnitt der optischen Achse kann parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufen. Somit kann eine besonders geringe Bauhöhe der optischen Messvorrichtung erzielt werden. Alternativ kann der erste Abschnitt der optischen Achse schräg zu der Oberfläche des Substrats verlaufen.
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Die Prismeneinheit kann mehrere optische Einzelkomponenten umfassen, wobei eine oder mehrere der Einzelkomponenten Prismen sein können.
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Die Prismeneinheit ist oder umfasst vorzugsweise ein Kompositprisma, umfassend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das erste Prisma die erste Fläche umfasst, die zweite Fläche an einer im Inneren des Kompositprismas liegenden Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma ausgebildet ist und das zweite Prisma die dritte Fläche umfasst. Die zweite Fläche kann eine Strahlteilerbeschichtung, beispielsweise mit einem Reflexions-Transmissions-Verhältnis von 80:20, 70:30, 50:50 oder einem anderen Reflexions-Transmissions-Verhältnis umfassen.
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Das erste Prisma weist vorzugsweise eine parallelogrammförmige Grundfläche auf. Das zweite Prisma weist vorzugsweise eine trapezförmige Grundfläche auf. Das Kompositprisma weist vorzugsweise eine trapezförmige Grundfläche auf, wobei die erste und die zweite Fläche zueinander parallel und die erste und die dritte Fläche zueinander abgewinkelt sind. Die Prismen können auch alternative Formen aufweisen.
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Gemäß einem anderen Beispiel kann die Prismeneinheit einen die erste Fläche umfassenden Spiegel und/oder einen die zweite Fläche umfassenden Strahlteiler und/oder ein die dritte Fläche umfassendes Keilprisma umfassen.
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Die Prismeneinheit kann eine Absorberschicht zum Absorbieren von Streulicht und/oder Lichtreflexen innerhalb der optischen Messvorrichtung umfassen, wodurch eine Messung mit verbesserter Zuverlässigkeit und/oder verbessertem Signal-Rauschabstand ermöglicht wird.
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Die Prismeneinheit kann bezüglich der Scaneinheit so angeordnet sein, dass eine senkrechte Projektion der Prismeneinheit auf das Substrat eine senkrechte Projektion des Mikrospiegels auf das Substrat nicht überlappt.
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Die optische Messvorrichtung kann einen ebenfalls auf dem Substrat angeordneten weiteren Photodetektor, eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel reflektierten direkten Anteils des Detektionslichts, umfassen.
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Der weitere Photodetektor kann von der Laserlichtquelle optisch entkoppelt sein. Optisch entkoppelt bedeutet, dass nur ein geringer Teil einer von der Laserlichtquelle als Abtastlicht emittierten Leistung den weiteren Photodetektor trifft, beispielsweise weniger als 0,1 Prozent, vorzugsweise weniger als 0,01 Prozent, besonders vorzugsweise weniger als 0,001 Prozent.
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Der weitere Photodetektor kann somit insbesondere vor internen Reflexen des Abtastlichts, die innerhalb der optischen Messvorrichtung auftreten, geschützt sein, so dass das Erfassen des Detektionslicht nicht durch solche Reflexe beeinträchtigt ist und eine etwaige, zur Unterdrückung eines Erfassens solcher Reflexe am erstgenannten Photodetektor notwendige Detektionstotzeit vermieden werden kann. Ferner kann eine Kondensatoroptik, die zum Beaufschlagen des weiteren Photodetektors mit dem direkten Anteil des Detektionslichts eingerichtet ist, eine größere Öffnungsfläche und/oder einen größeren Öffnungswinkel aufweisen als der Strahlengang, mittels dessen der erstgenannte Photodetektor mit dem koaxial zum Abtastlicht einfallenden Anteil des Detektionslichts beaufschlagt wird. Aufgrund der genannten Eigenschaften kann der weitere Photodetektor die Abstandsmessung an Objekten verbessern, die das Abtastlicht nur schwach reflektieren und/oder die in einem kurzen Abstand von der Messvorrichtung angeordnet sind. Die Kondensatoroptik kann eine Fresnel-Linse umfassen.
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Die Verarbeitungseinheit, soweit vorhanden, kann dazu eingerichtet sein, ein erstes Tiefenbild auf Grundlage des mittels des erstgenannten Photodetektors erfassten koaxialen Anteil des Detektionslichts und ein zweites Tiefenbild auf Grundlage des mittels des weiteren Photodetektors erfassten direkten Anteils des Detektionslichts zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit kann zum Kombinieren des ersten und des zweiten Tiefenbildes zu einem dritten Tiefenbild, beispielsweise auf Grundlage einer schwellwertbasierten Segmentierung und/oder mittels eines Maschinenlernalgorithmus, eingerichtet sein.
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Die optische Messvorrichtung kann eine ebenfalls auf dem Substrat angeordnete weitere Laserlichtquelle, eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts mit einer von einer Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts verschiedenen Wellenlänge, umfassen.
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Mittels einer solchen weiteren Laserlichtquelle können die Anwendungsmöglichkeiten der optischen Messvorrichtung ausgedehnt werden, etwa können Messungen an Objekten oder Teilen von Objekten ermöglicht werden, welche die Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts nur schwach reflektieren und/oder streuen.
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Umfasst die optische Messvorrichtung eine weitere Laserlichtquelle, so kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserlichtquellen das jeweilige Abtastlicht sequentiell emittieren und der Photodetektor das jeweilige Detektionslicht sequentiell detektiert. Alternativ kann die optische Messvorrichtung einen zusätzlichen Photodetektor umfassen und es kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserlichtquellen das jeweilige Abtastlicht simultan emittieren und das von jeder der beiden Laserlichtquellen emittierte Abtastlicht von jeweils einem der Photodetektoren detektiert wird.
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Der Mikrospiegel kann zum quasistatischen Verschwenken und/oder zum resonanten Verschwenken und/oder zum vektoriellen Verschwenken um die mindestens eine Achse eingerichtet sein. Resonantes Verschwenken bedeutet, dass der Mikrospiegel mittels des Antriebs periodisch mit einer Resonanzfrequenz des Verschwenkens angetrieben wird. Quasistatisches Verschwenken bedeutet, dass der Mikrospiegel nicht resonant angetrieben wird. Vektorielles Verschwenken bedeutet, dass der Mikrospiegel beim Verschwenken verschiedene diskrete Positionen annehmen kann.
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Der Mikrospiegel kann um zwei Achsen, vorzugsweise zwei zueinander senkrechte Achsen, verschwenkbar sein. Der Mikrospiegel kann zum gleichzeitigen Verschwenken um jede der beiden Achsen, insbesondere zum gleichzeitigen resonanten periodischen Verschwenken um jede der beiden Achsen (doppelt-resonant) mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz, eingerichtet sein.
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Mit einem zum resonanten Verschwenken, insbesondere zum gleichzeitigen resonanten Verschwenken um zwei Achsen, eingerichteten Mikrospiegel können eine besonders hohe Messgeschwindigkeit und ein energieeffizienter Betrieb der Scaneinheit erreicht werden. Eine hinreichende Abtastdichte im Objektraum kann durch geeignete Wahl eines Verhältnisses der beiden Resonanzfrequenzen zum Einstellen einer entsprechenden Lissajous-Figur erzielt werden.
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Die optische Messvorrichtung kann eine über der Laserlichtquelle angeordnete Kompensationsoptik, eingerichtet zum Ausgleichen einer durch das kuppelförmige Fenster verursachten Divergenz des Abtastlichts, umfassen.
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Die optische Messvorrichtung kann einen über dem Photodetektor angeordneten Sperrfilter umfassen, der eingerichtet ist zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches eine Wellenlänge des Detektionslicht umfasst, und zum Blockieren (durch Reflektieren und/oder Absorbieren) von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes. Das schmale Wellenlängenband kann eine Breite von beispielsweise 10 nm, 20 nm oder 30 nm haben. Die Prismeneinheit und/oder das kuppelförmige Fenster und/oder eine oder mehrere andere optische Komponenten der optischen Messvorrichtung können eine Antireflex-Beschichtung zum Unterdrücken von Reflexen eines Hintergrundlichts umfassen. Bei Verwendung eines Sperrfilters und/oder einer Antireflex-Beschichtung ist eine besonders gute Unterdrückung von Hintergrundlicht, beispielsweise Sonnenlicht, und somit ein besonders guter Signal-Rausch-Abstand erzielbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand 1 bis ... erläutert. Dabei zeigen, jeweils schematisch
- 1 einen Längsschnitt einer optischen Messvorrichtung nach einem ersten Beispiel,
- 2 eine Draufsicht der optischen Messvorrichtung nach 1,
- 3 einen Längsschnitt einer optischen Messvorrichtung nach einem zweiten Beispiel,
- 4 eine Draufsicht der optischen Messvorrichtung nach 3,
- 5 eine Draufsicht einer optischen Messvorrichtung nach einem dritten Beispiel,
- 6 und 7 Längsschnitte einer optischen Messvorrichtung nach einem vierten Beispiel.
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Wiederkehrende und ähnliche Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind in den Abbildungen mit identischen oder ähnlichen alphanumerischen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 und 2 gezeigte optische Messvorrichtung 1 zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung umfasst:
- eine Laserlichtquelle 2, eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts 3,
- eine MEMS-basierte Scaneinheit 4, umfassend einen um zwei zueinander senkrechte Schwenkachsen verschwenkbaren Mikrospiegel 5 zum Ablenken des von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts 3 in einen Objektraum 6 und eine Lagerung 7, die mit einem Antrieb zum Verschwenken des Mikrospiegels 5 um die beiden Schwenkachsen verbunden ist,
- einen Photodetektor 8, eingerichtet zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils eines Detektionslichts 9, und
- eine Prismeneinheit 10, eingerichtet zum Beaufschlagen des Mikrospiegels 5 mit dem von der Laserlichtquelle 2 emittierten Abtastlicht 3, so dass das Abtastlicht 3 an dem Mikrospiegel 5 in den Objektraum 6 reflektiert wird, und zum Beaufschlagen des Photodetektors 8 mit dem an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteil des Detektionslichts 9, so dass das Abtastlicht 3 und das Detektionslicht 9 entlang eines innerhalb der Prismeneinheit 10 verlaufenden ersten Abschnitts 11 einer optischen Achse und entlang eines zwischen der Prismeneinheit 10 und dem Mikrospiegel 5 verlaufenden zweiten Abschnitts 12 der optischen Achse koaxial propagieren. In den Zeichnungen sind koaxial propagierende Lichtanteile teilweise der Übersichtlichkeit halber gegeneinander verschoben gezeigt.
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Die Laserlichtquelle 2, der Photodetektor 8 und die Scaneinheit 4 sind auf einem gemeinsamen planaren Substrat 13 angeordnet.
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Die Scaneinheit 4 umfasst ein von dem zweiten Abschnitt 12 der optischen Achse durchtretenes und für das Abtastlicht 3 und das Detektionslicht 9 durchlässiges kuppelförmiges Fenster 14.
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Der Mikrospiegel 5 ist zwischen dem kuppelförmigen Fenster 14 und einer zwischen dem Mikrospiegel 5 und dem Substrat 13 angeordneten Bodenstruktur 38 der Scaneinheit 4 luftdicht verkapselt.
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Die Prismeneinheit 10 umfasst:
- eine über der Laserlichtquelle 2 angeordnete und bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte erste Fläche 15, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts 3 zum Einkoppeln in einen entlang des ersten Abschnitts 11 der optischen Achse verlaufenden ersten Strahlengangsabschnitt 16,
- eine über dem Photodetektor 8 angeordnete und bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte zweite Fläche 17, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts 9 aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 zum Photodetektor 8 und zum Transmittieren eines Anteils des an der ersten Fläche 15 reflektierten Abtastlichts 3, und
- eine dritte Fläche 18, eingerichtet zum Transmittieren und Ablenken des Abtastlichts 3 aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 in einen entlang des zweiten Abschnitts 12 der optischen Achse verlaufenden zweiten Strahlengangsabschnitt 19 und zum Transmittieren und Ablenken des an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9 aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt 19 in den ersten Strahlengangsabschnitt 16.
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Der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse schließt mit einer Oberfläche 20 des Substrats 13 einen Eintrittswinkel 21 (hier gezeigt bezüglich einer zu der Oberfläche 20 des Substrats 13 parallelen Oberfläche 22 der Lagerung 7) ein, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist. In anderen Worten durchtritt der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse das kuppelförmige Fenster 14 schräg zur Oberfläche 20 des Substrats 13.
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Im gezeigten Beispiel ist eine Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 in einer Neutralstellung parallel zu der Oberfläche 20 des Substrats 13 angeordnet. Daher schließt der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse mit der Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 den identischen Eintrittswinkel 21 ein. In der hier nicht gezeigten Neutralstellung des vorliegenden Beispiels ist die Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 zu der Oberfläche 22 der Lagerung 7 parallel.
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Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 in der Neutralstellung gegenüber der Oberfläche 20 des Substrats 13 verkippt ist, beispielsweise dadurch, dass die Scaneinheit 4 auf einem zwischen dem Substrat 13 und der Bodenstruktur 38 der Scaneinheit 4 angeordneten Keil angeordnet ist. In diesem Fall schließt der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse mit dem Mikrospiegel 5 einen Eintrittswinkel ein, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist. Ein Winkel zwischen der Oberfläche 20 des Substrats 13 und dem zweiten Abschnitt 11 der optischen Achse kann in diesem Fall einen Wert außerhalb des genannten Bereichs, etwa einen Wert von 0 Grad, haben.
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Ein den Mikrospiegel 5 enthaltender Raum 23 unter dem kuppelförmigen Fenster 14 weist einen gegenüber einem Umgebungsdruck verringerten Innendruck auf.
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Die Laserlichtquelle 2 ist eine gepulst betreibbare VCSEL-Diode, wobei eine Pulsdauer des Abtastlichts beispielsweise im Bereich von 100 ps bis 5 ns liegen kann. Eine Wellenlänge des mittels der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts ist beispielsweise 850 nm, kann aber auch eine andere Wellenlänge sein, beispielsweise 905 nm, 940 nm, 1350 nm oder eine andere Wellenlänge, die größer als 850 nm ist.
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Die Laserlichtquelle 2 kann alternativ eine andere Art von Laserlichtquelle sein. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 2 eine zeitlich modulierbare, insbesondere gepulst betreibbare, Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode, sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle 2 kann eine zeitlich modulierbare Dauerstrichlaserlichtquelle sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle kann eine kantenemittierende Laserdiode sein oder umfassen.
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Der Photodetektor 8 ist eine Avalanche-Photodiode (APD). Der Photodetektor 8 kann alternativ eine andere Art von Photodetektor sein. Beispielsweise kann der Photodetektor 8 eine PIN-Diode und/oder eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD) sein oder umfassen.
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Die optische Messvorrichtung 1 umfasst eine Verstärkerschaltung, beispielsweise eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung, eingerichtet zum Ausgeben einer Spannung, die einem dem mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteil des Detektionslichts 9 entsprechendem Detektorstrom proportional ist. Daneben umfasst die optische Messvorrichtung 1 einen Zeitfilter, der dazu eingerichtet ist, den mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteil des Detektionslichts 9 durch zeitliches Gating von Anteilen des Abtastlichts zu trennen. Das zeitliche Gating kann etwa durch zeitlich getaktetes An- und Ausschalten der Verstärkerschaltung zum Erzeugen einer Detektionstotzeit erfolgen.
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Die optische Messvorrichtung 1 umfasst ferner
- einen Time-to-Digital-Converter zum Bestimmen einer relativen Zeitlage des Abtastlichts 3 und des mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteils des Detektionslichts 9,
- eine Steuereinheit, eingerichtet zum Ansteuern des Mikrospiegels 5 derart, dass das an dem Mikrospiegel 5 reflektierte Abtastlicht 3 während eines Verschwenkens des Mikrospiegels 5 um die mindestens eine Achse sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum 6 erreicht, und
- eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten einen Abstand zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und einem Referenzpunkt auf Grundlage der relativen Zeitlage des Abtastlichts 3 und des mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteils des Detektionslichts 9 zu bestimmen.
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Die Objektpunkte der Vielzahl von Objektpunkten sind hierbei beispielsweise Punkte eines Objekts 24 im Objektraum 6. Der koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallende und an dem Mikrospiegel 5 reflektierte Anteil des Detektionslichts 9 ist ein an Objektpunkten der Vielzahl von Objektpunkten gestreuter und/oder reflektierter Anteil des Abtastlichts 9.
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Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet sein, die relative Zeitlage als Laufzeit zwischen einem von der Laserlichtquelle 2 emittierten Abtastlichtpuls und einem mittels des Photodetektors 8 erfassten Detektionslichtpuls, welcher ein im Objektraum 6 reflektierter und/oder gestreuter Anteil des Abtastlichtpulses ist, zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit ist ferner dazu eingerichtet, auf Grundlage der Abstände zwischen jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten und dem Referenzpunkt ein Tiefenbild und/oder eine Oberflächenrekonstruktion zu erzeugen.
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Die Steuereinheit und die Verarbeitungseinheit können als separate Einheiten ausgeführt oder gemeinsam in einer Schaltung oder Recheneinheit integriert sein. Die Steuereinheit und/oder die Verarbeitungseinheit kann auf dem Substrat 13 integriert sein. Die optische Messvorrichtung 1 kann auch ohne die Steuereinheit und/oder die Verarbeitungseinheit ausgeführt sein. In diesem Fall kann die optische Messvorrichtung 1 mit einer Steuereinheit und/oder einer Verarbeitungseinheit der beschriebenen Art verbindbar sein.
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Der Eintrittswinkel 22 im gezeigten Beispiel beträgt ca. 30 Grad. Andere Werte de Eintrittswinkels 22 sind möglich, beispielsweise kann der Eintrittswinkel 22 größer als oder gleich 30 Grad und/oder kleiner als oder gleich 50 Grad sein.
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Das kuppelförmige Fenster 14 weist eine sphärische Wölbung auf, wobei der Mikrospiegel 5 im Mittelpunkt der sphärischen Wölbung angeordnet ist, so dass der zweite Abschnitt 12 der optischen Achse das kuppelförmige Fenster 14 senkrecht zu dessen Oberfläche durchtritt. Das kuppelförmige Fenster 14 kann alternativ andere Wölbungsformen aufweisen und/oder der zweite Abschnitt 12 der optischen Achse kann das kuppelförmige Fenster 14 schräg zu dessen Oberfläche durchtreten.
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Der erste Abschnitt 11 der optischen Achse verläuft parallel zu der Oberfläche 20 des Substrats 13. Alternativ kann der erste Abschnitt 11 der optischen Achse schräg zu der Oberfläche 20 des Substrats 13 verlaufen.
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Die Prismeneinheit 10 ist ein Kompositprisma, umfassend ein erstes Prisma 25 und ein zweites Prisma 26. Dabei umfasst das erste Prisma 25 die erste Fläche 15, die zweite Fläche 17 ist an einer im Inneren des Kompositprismas liegenden Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma 25 und dem zweiten Prisma 26 ausgebildet und das zweite Prisma 26 umfasst die dritte Fläche 18. Die zweite Fläche umfasst eine Strahlteilerbeschichtung, beispielsweise mit einem Reflexions-Transmissions-Verhältnis von 70:30 (d. h. insbesondere werden 70 Prozent des koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts an der zweiten Fläche 17 in Richtung des Photodetektors 8 reflektiert, 30 Prozent in Richtung des ersten Prismas transmittiert), wobei alternativ auch andere Reflexions-Transmissions-Verhältnisse vorgesehen sein können.
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Das erste Prisma 25 weist eine parallelogrammförmige Grundfläche, das zweite Prisma 26 eine trapezförmige Grundfläche auf, so dass das Kompositprisma eine trapezförmige Grundfläche aufweist, wobei die erste Fläche 25 und die zweite Fläche 26 zueinander parallel und die erste Fläche 25 und die dritte Fläche 26 zueinander abgewinkelt sind. Die Prismeneinheit 10 kann auf andere Weise aufgebaut sein, beispielsweise kann die Prismeneinheit 10 kann einen die erste Fläche 15 umfassenden Spiegel und/oder einen die zweite Fläche 17 umfassenden Strahlteiler und/oder ein die dritte Fläche 18 umfassendes Keilprisma umfassen.
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Wie in 2 gut zu erkennen ist, ist die Prismeneinheit 10 bezüglich der Scaneinheit 4 so angeordnet, dass eine senkrechte Projektion der Prismeneinheit 10 auf das Substrat 13 eine senkrechte Projektion des Mikrospiegels 5 auf das Substrat 13 nicht überlappt. Je nach Wert des Eintrittswinkels 21 kann auch ein Überlapp der genannten Projektionen vorgesehen sein.
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Der Mikrospiegel 5 ist zum gleichzeitigen resonanten periodischen Verschwenken um jede der beiden Schwenkachsen mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz (doppelt-resonant) eingerichtet.
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Der Mikrospiegel 5 kann auch quasistatischen Verschwenken und/oder zum vektoriellen Verschwenken um eine oder mehrere Achsen eingerichtet sein. Die optische Messvorrichtung 1 kann in manchen Ausführungsformen einen weiteren um eine oder mehrere Schwenkachsen verschwenkbaren Mikrospiegel umfassen.
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Die Zeichnungen zeigen beispielhaft eine Lagerung 7, die den Mikrospiegel 5 um zwei zueinander senkrecht stehende Schwenkachsen verschwenkbar lagert und beispielsweise mit einem elektrostatischen Antrieb verbunden ist. Alternativ kann eine andere Lagerungsgeometrie, etwa mit nicht zueinander senkrechten Schwenkachsen, und/oder ein anderer Antrieb, etwa ein elektromagnetischer oder piezoelektrischer Antrieb, vorgesehen sein.
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Die optische Messvorrichtung 1 weist eine über der Laserlichtquelle 2 angeordnete Linse als Kollimations- und Kompensationsoptik 27 auf, welche dazu eingerichtet ist, das von der Laserlichtquelle 2 emittierte Abtastlicht 3 im Wesentlichen zu kollimieren, dabei aber zugleich eine durch das kuppelförmige Fenster 14 verursachte Divergenz des Abtastlichts 3 auszugleichen. Bei manchen Ausführungsformen, etwa bei einer hinreichend kollimierten Laserlichtquelle 2, kann die Kollimations- und Kompensationsoptik 27 auch weggelassen werden.
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Die optische Messvorrichtung 1 weist einen über dem Photodetektor angeordneten Sperrfilter 28 auf, der eingerichtet ist zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes (beispielsweise 20 nm), welches eine Wellenlänge des Detektionslicht umfasst, und zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes. Ferner weist die optische Messvorrichtung 1 eine über dem Photodetektor 8 angeordnete Kondensationslinse 29 auf, die zum Fokussieren des koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9 eingerichtet ist.
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Die Kollimations-und Kompensationsoptik 27, der Sperrfilter 28 und die Kondensationslinse 29 sind in einer auf dem Substrat 13 angeordneten Komponentenhalterung 30 angebracht. Die Komponentenhalterung 30 stützt auch die Prismeneinheit 10. Die optische Messvorrichtung 1 umfasst ferner eine Abdeckung 31 zum Schutz der optischen Komponenten und zum Unterdrücken von Streulicht (die Abdeckung 31 ist in 2 nicht gezeigt).
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Mit einer optischen Messvorrichtung der gezeigten Art kann beispielsweise ein scanbarer Winkelbereich von 175 Grad bei einem Abstandsmessbereich bis zu 10 m bei Sonnenlichteintrahlung erzielbar sein, wobei eine Abstandsmessgenauigkeit von etwa bis zu 3 mm erreicht werden kann. Mit dem doppelt-resonanten Mikrospiegel kann beispielsweise eine Objektpunkt-Messfrequenz von bis zu 20 MHz und/oder eine Bildwiederholrate von bis zu 240 fps realisierbar sein. Aufgrund der kompakten Ausgestaltung ist beispielsweise eine Gesamtbauhöhe 32 von weniger als 6 mm bei einem Gesamtvolumen der optischen Messvorrichtung 1 von ca. 0,4 cm3 erzielbar sein.
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Im Folgenden werden jeweils nur diejenigen Merkmale weiterer Ausführungsbeispiele beschrieben, die sich von dem vorbeschriebenen Beispiel wesentlich unterscheiden.
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Die in 3 und 4 gezeigte optische Messvorrichtung 1' weist neben dem Photodetektor 8, der zum Erfassen des koaxialen Anteils 9a des Detektionslichts eingerichtet ist, einen ebenfalls auf dem Substrat 13 angeordneten weiteren Photodetektor 8' auf. Der Photodetektor 8' ist eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel 5 reflektierten direkten Anteils 9b des Detektionslichts.
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Die optische Messvorrichtung 1' weist einen über dem Photodetektor 8' angeordneten Sperrfilter 28' auf, der eingerichtet ist zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes (beispielsweise 20 nm), welches eine Wellenlänge des Detektionslicht umfasst, und zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes. Ferner weist die optische Messvorrichtung 1 eine über dem Photodetektor 8' angeordnete Kondensationslinse 29' - hier als Fresnel-Linse ausgestaltet - auf, wobei der direkte Anteils 9b des Detektionslichts den Photodetektor 8', der im gezeigten Beispiel eine gegenüber dem Photodetektor 8 vergrößerte Detektorfläche aufweist, defokussiert erreicht.
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Gegenüber dem Photodetektor 8 zeichnet sich der Photodetektor 8' durch eine besonders große Eintrittsfläche 33 in dem Strahlengang, durch den der direkte Anteil 9b dem Photodetektor 8' zugeführt wird, aus. Im gezeigten Beispiel tritt der direkte Anteil 9b des Detektionslichts durch die Prismeneinheit 10 auf den Photodetektor 8'. Die Prismeneinheit 10 weist eine an einer von dem Substrat 13 abgewandten Seite des Prismas (neben der Eintrittsfläche 33) angeordnete Absorberschicht 40 auf.
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Die Verarbeitungseinheit kann in diesem Beispiel dazu eingerichtet sein, ein erstes Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8 erfassten koaxialen Anteils 9a des Detektionslichts und ein zweites Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8' erfassten direkten Anteils 9b des Detektionslichts auf Grundlage einer schwellwertbasierten Segmentierung und/oder mittels eines Maschinenlernalgorithmus zu bestimmen.
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Bei der in 5 gezeigten optischen Messvorrichtung 1" ist der weitere Photodetektor 8'von der Laserlichtquelle 2 optisch entkoppelt, indem er auf dem Substrat 13 neben der Prismeneinheit 10 angeordnet ist. Dadurch trifft nur ein äußerst geringer Teil einer von der Laserlichtquelle 2 als Abtastlicht emittierten Leistung den Photodetektor 8', etwa weniger als 0,01 Prozent. Augrund der optischen Entkopplung ist der Photodetektor 8'insbesondere vor internen Reflexen des Abtastlichts, die innerhalb der optischen Messvorrichtung auftreten, geschützt.
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Die in 6 und 7 gezeigte optische Messvorrichtung 1"' umfasst eine ebenfalls auf dem Substrat 13 angeordnete weitere Laserlichtquelle 2', eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts 3' mit einer von einer Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle 2 emittierten Abtastlichts 3 (erste Wellenlänge) verschiedenen Wellenlänge (zweite Wellenlänge). Der Mikrospiegel 5 ist ferner auch zum Ablenken des von der weiteren Laserlichtquelle 2' emittierten Abtastlichts 3' in den Objektraum 6 eingerichtet.
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Die optische Messvorrichtung 1''' weist neben dem Photodetektor 8 einen ebenfalls auf dem Substrat 13 angeordneten zusätzlichen Photodetektor 8" auf. Während der erstgenannte Photodetektor 8 zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3/3' einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9 der ersten Wellenlänge eingerichtet ist, ist der zusätzliche Photodetektor 8"zum Erfassen eines ebenfalls koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3/3' einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9' der zweiten Wellenlänge eingerichtet.
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Somit können etwa Messungen an Objekten oder Teilen von Objekten ermöglicht werden, welche die erste Wellenlänge nur schwach, die zweite Wellenlänge dagegen stärker reflektieren und/oder streuen. Beispielhafte Kombinationen der ersten/zweiten Wellenlänge sind etwa 850 nm/905 nm, 905 nm/940 nm, 940 nm/1350 nm oder andere Kombinationen der genannten oder anderer Wellenlängen, insbesondere im Bereich von 850 nm bis 2000 nm.
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Anstelle der Prismeneinheit 10 umfasst die optische Messvorrichtung 1'" die als vierteiliges Kompositprisma ausgestaltete Prismeneinheit 10', welche neben dem ersten Prisma 25 und dem zweiten Prisma 26 ein drittes Prisma 34 und ein viertes Prisma 35 umfasst.
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Dabei umfasst - wie bei der Prismeneinheit 10 - das erste Prisma 25 die über der Laserlichtquelle 2 angeordnete, bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte und zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts 3 zum Einkoppeln in den ersten Strahlengangsabschnitt 16 eingerichtete erste Fläche 15, das zweite Prisma 26 umfasst die zum Transmittieren und Ablenken des Abtastlichts 3/3' aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 in den zweiten Strahlengangsabschnitt 19 und zum Transmittieren und Ablenken des an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9/9' aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt 19 in den ersten Strahlengangsabschnitt 16 eingerichtete dritte Fläche 18.
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Die über dem Photodetektor 8 angeordnete, bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte und zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts 9/9' aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 zum Photodetektor 8 und zum Transmittieren eines Anteils des Abtastlichts 3/3' eingerichtete zweite Fläche 17 ist an einer im Inneren des Kompositprismas liegenden Grenzfläche zwischen dem dritten Prisma 34 und dem vierten Prisma 35 ausgebildet.
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Ferner umfasst die Prismeneinheit 10' eine an einer Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma 25 und dem drittem Prisma 34 ausgebildete vierte Fläche 36 sowie eine an einer Grenzfläche zwischen dem vierten Prisma 36 und dem zweiten Prisma 26 ausgebildete fünfte Fläche 37. Die vierte Fläche 36 ist eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts 3' zum Einkoppeln in den ersten Strahlengangsabschnitt 16. Die fünfte Fläche 37 ist eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts 9/9' aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 zum Photodetektor 8" und zum Transmittieren eines Anteils des Abtastlichts 3/3'.
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Wie die Prismeneinheit 10 weist auch die Prismeneinheit 10' eine an einer von dem Substrat 13 abgewandten Seite des Prismas angeordnete Absorberschicht 40 auf.
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Alternativ kann die Prismeneinheit 10 wiederum auf andere Weise bzw. aus anderen Einzelkomponenten aufgebaut sein.
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Die optische Messvorrichtung 1"' umfasst ferner einen über dem Photodetektor 8 angeordneten Sperrfilter 28, eingerichtet zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches die erste Wellenlänge umfasst, sowie einen über dem Photodetektor 8" angeordneten Sperrfilter 28", eingerichtet zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches die zweite Wellenlänge umfasst, wobei die Sperrfilter 28 und 28"zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des jeweiligen Wellenlängenbandes eingerichtet sind. Somit erfasst der Photodetektor 8 im Wesentlichen nur das Detektionslicht 9 der ersten Wellenlänge, der Photodetektor 8" im Wesentlichen nur das Detektionslicht 9' der zweiten Wellenlänge.
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Die Verarbeitungseinheit kann in diesem Beispiel dazu eingerichtet sein, ein erstes Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteils des Detektionslichts 9 der ersten Wellenlänge und ein zweites Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8" erfassten Anteils des Detektionslichts 9" der zweitem Wellenlänge auf Grundlage einer schwellwertbasierten Segmentierung und/oder mittels eines Maschinenlernalgorithmus zu bestimmen.
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Die optische Messvorrichtung 1"' kann neben den Photodetektoren 8, 8' einen weiteren, insbesondere von den Laserlichtquellen 2, 2' optisch entkoppelten, Photodetektor, eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel 5 reflektierten direkten Anteils des Detektionslichts, umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1'', 1'''
- Optische Messvorrichtung,
- 2, 2'
- Laserlichtquelle,
- 3, 3'
- Abtastlicht,
- 4
- Scaneinheit,
- 5
- Mikrospiegel,
- 6
- Objektraum,
- 7
- Lagerung,
- 8, 8', 8''
- Photodetektor,
- 9, 9'
- Detektionslicht,
- 9a
- Koaxialer Anteil des Detektionslichts,
- 9b
- Direkter Anteil des Detektionslichts,
- 10, 10'
- Prismeneinheit,
- 11
- Erster Abschnitt der optischen Achse,
- 12
- Zweiter Abschnitt der optischen Achse,
- 13
- Substrat,
- 14
- Kuppelförmiges Fenster,
- 15
- Erste Fläche,
- 16
- Erster Strahlengangsabschnitt,
- 17
- Zweite Fläche,
- 18
- Dritte Fläche,
- 19
- Zweiter Strahlengangsabschnitt,
- 20
- Oberfläche des Substrats,
- 21
- Eintrittswinkel,
- 22
- Oberfläche der Lagerung,
- 23
- Raum unter dem kuppelförmigen Fenster,
- 24
- Objekt,
- 25
- Erstes Prisma,
- 26
- Zweites Prisma,
- 27
- Kollimations- und Kompensationsoptik,
- 28, 28',
- 28" Sperrfilter,
- 29, 29'
- Kondensationslinse,
- 30
- Komponentenhalterung,
- 31
- Abdeckung,
- 32
- Gesamtbauhöhe,
- 33
- Eintrittsfläche
- 34
- Drittes Prisma,
- 35
- Viertes Prisma,
- 36
- Vierte Fläche,
- 37
- Fünfte Fläche,
- 38
- Bodenstruktur,
- 39
- Oberfläche des Mikrospiegels,
- 40
- Absorberschicht.
