DE102021109705A1 - Empfängereinheit für ein LIDAR-Entfernungsmess-System mit coherent heterodyne Lichtwellen-Detektion - Google Patents

Abstract

Bei einer 3D-TOF Kamera erfolgt die Entfernungsmessung auf dem Prinzip einer coherent heterodyne Lichtwellen-Detektion

Description

• Coherent heterodyne LIDAR Systeme zur Entfernungsmessung von Objekten sind als Stand der Technik bekannt.
• PMD-Kameras zur Entfernungsbestimmung von Objekten bzw. von einer Umgebung sind ebenfalls bekannt und werden von der Anmelderin bzw. der Fa. pmdtechnologies gmbh in Siegen vertrieben.
• Bei Objekten die weiter entfernt sind, ist die pro pmd-Pixel empfangenen Anzahl von Photonen, die mit der Anzahl Photoelektronen korreliert, bei pmd-Kameras relativ gering.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Empfindlichkeit einer pmd-Kamera dadurch zu erhöhen, dass die Lichtwellen-Detektion mittels dem coherenter heterodyne Verfahren verbessert wird.
• Hierzu kann in einfacher Weise ein LIDAR-Entfernungsmess-System verwendet werden, bei dem die Empfängereinheit als PMD-Pixel-Array, wie bei einer herkömmlichen PMD-Kamera, ausgebildet ist.
• Die Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen erläutert.
• 1 zeigt ganz schematisch den Aufbau eines LIDAR-Entfernungsmess-Systems mit einem Laser als kohärenter Lichtquelle mit der Frequenz ω1, einem Mischer mit der Differenzfrequenz Δω=ω1-ω2 für den ausgesandten Lichtstrahl, der nach dem Mischer die Frequenz ω2 aufweist, einem Target und einem Empfänger. Wobei das empfangene Licht mit der Frequenz ω2 mit einem gewissen Anteil des Laserlichts mit der Frequenz ω1 überlagert wird. Das Laserlicht mit der Frequenz ω1 wird über 2 transparente Umlenkspiegel zum Empfänger geführt.
• 1a zeigt ein LIDAR-Entfernungsmess-System in sehr schematischer Form mit einem pmd-Detektor.
• 2 zeigt ein LIDAR-Entfernungsmess-System in einer detaillierteren Form. Mit einem Strahlteiler, einem Frequenzschieber, einer Empfängeroptik, die durch eine Sammellinse angedeutet ist, einem Kollimator und einem Detektor als Empfängereinheit, wobei auf der Empfängereinheit eine Überlagerung von einer Referenzlichtwelle mit der Frequenz w1 mit den Streulichtwellen der Frequenz ω2 die von den Objekten zurückgestreut werden, erfolgt. Es handelt sich um eine coherent heterodyne Lichtwellendetektion.
• Die folgende Formel zeigt das Grundprinzip der coherent heterodynen Lichtwellendetektion.
• Die hier beschriebenen Photodetektoren sind alle E² Detektoren, die sensitiv auf die quadratische Elektrische Feldstärke E des elektromagnetischen Strahlungsfelds sind. $${\left|{\text{E}}_{\text{tot}}\right|}^2={\left|{\text{E}}_{\text{a}}+{\text{E}}_{\text{LO}}\right|}^2={\left|{\text{A}}_{\text{a}}\text{ cos}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{a}}\text{t}+{\mathrm{\Phi }}_{\text{a}}\right)+{\text{A}}_{\text{LO}}\text{cos}\left(2\mathrm{\pi }{\text{f}}_{\text{LO}}\text{t}+{\mathrm{\Phi }}_{\text{LO}}\right)\right|}^2$$

  

  $${\left|{\text{E}}_{\text{tot}}\right|}^2={\left|{\text{E}}_{\text{a}}\right|}^2+{\left|{\text{E}}_{\text{LO}}\right|}^2+{\text{A}}_{\text{a}}{\text{A}}_{\text{LO}}\text{cos}\left[2\mathrm{\pi }\left({\text{f}}_{\text{a}}-{\text{f}}_{\text{LO}}\right)\text{t}+\left({\mathrm{\Phi }}_{\text{a}}-{\mathrm{\Phi }}_{\text{LO}}\right)\right]$$

  

  $${\text{P}}_{\text{sig}}={\text{P}}_{\text{a}}+{\text{P}}_{\text{LO}}+2\sqrt{{\text{P}}_{\text{a}}{\text{P}}_{\text{LO}}}\text{cos}\left[2\mathrm{\pi }\left({\text{f}}_{\text{a}}-{\text{f}}_{\text{LO}}\right)\text{t}+\left({\mathrm{\Phi }}_{\text{a}}-{\mathrm{\Phi }}_{\text{LO}}\right)\right]$$

  

  $${\text{i}}_{\text{sig}}=\frac{\mathrm{\eta }{\text{eP}}_{\text{sig}}}{\text{hf}}={\text{i}}_{\text{a}}+{\text{i}}_{\text{LO}}+2\sqrt{{\text{i}}_{\text{a}}}{\text{i}}_{\text{LO}}\text{cos}\left[2\mathrm{\pi }\left({\text{f}}_{\text{a}}-{\text{f}}_{\text{LO}}\right)\text{t}+\left({\mathrm{\Phi }}_{\text{a}}-{\mathrm{\Phi }}_{\text{LO}}\right)\right]$$

  
• Das empfangene Licht ist mit der Frequenz Δf=f_a-f_LO moduliert. Der Photostrom I_sig weist zwei konstante Anteile i_a und i_LO und einem mit Δf oszillierenden Anteil auf.
• Bei einem herkömmlichen Photodetektor z. B. einer Photodiode PD wird dieser Anteil in einer anschließenden Signalverarbeitung durch ein entsprechendes Filter herausgefiltert.
• Der oszillierende Anteil lässt sich mit einem pmd-Pixel sehr einfach direkt erfassen. In vorteilhafter Weise liefert das pmd-Pixel die entsprechende Phaseninformation die für die Entfernungsbestimmung erforderlich ist und zusätzlich das Grauwertbild der Szene.
• Nachfolgend wird in der Regel die Kreisfrequenz ω und nicht die Frequenz f. Die Umrechnung ist entsprechend auszuführen.
• Die „einfache“ coherent heterodyne Detektion zeigt 3 bzw. 3a mit einem entsprechenden pmd-Pixel als Repräsentant eines ganzen pmd-Pixel-Arrays eines pmd-Detektors.
• Erfindungsgemäß besteht die Empfängereinheit für ein LIDAR-Entfernungsmess-System mit coherent heterodyne Lichtwellen-Detektion, das zur Entfernungsbestimmung von Objekten dient, aus einem pmd-Detektor.mit einem PMD-Pixel-Array und einer entsprechenden Ansteuer- und Auswerteeinheit,
  wobei die Differenzfrequenz ω1-ω2 als PMD-Mischfrequenz dient.
• In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird eine balanced heterodyne Lichtwellendektektion verwendet. Das Prinzip der balanced coherent heterodyne Detektion zeigt 4 für eine herkömmliche Empfängereinheit bzw. 4a mit einem entsprechenden pmd-Pixel als Repräsentant eines ganzen pmd-Pixel-Arrays eines pmd-Detektors.
• 6 zeigt eine balanced coherent heterodyne Detektion mit zwei pmd-Detektoren im Detail nach einem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 2. Die Empfängereinheit eines LIDAR-Entfernungsmess-System mit einer coherent heterodyne Lichtwellen-Detektion, das zur Entfernungsbestimmung von Objekten dient, weist einen 50:50 Strahlteiler BS (beam splitter) für zwei Lichtwellenarme L1, L2 zur balanced Detektion und jeweils zwei PMD-Detektoren D1, D2 mit entsprechenden PMD-Pixel-Arrays für jeden Lichtwellenarm L1, L2 und einer entsprechenden Ansteuer- und Auswerteeinheit auf. Die Differenzfrequenz Δω=ω1-ω2 der beiden Lichtwellen dient als PMD-Mischfrequenz. Wenn man den Lichtwellenarm L2 weglässt, erhält man im Prinzip ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 1. Der Strahlteiler BS kann hierbei durch eine entsprechende Abbildungsoptik ersetzt werden.
• 5 zeigt Blockschaltbild einer PMD-Kamera, die zur Entfernungsbestimmung von Objekten dient. Derartige Kameras werden von der Fa. PMDTechnologies GmbH (Siegen) angeboten. Bei diesen Kameras wird die Abstandsinformation über die Phasenverschiebung eines modulierten Sendelichtstrahls mittels eines Autokorrelationsverfahrens gewonnen. Bei dieser Kamera liegt für einzelne Pixel eines Pixelarrays von bis zu 100k und mehr Pixel direkt die Abstandsinformation vor.
• Die Funktion einer solchen Kamera ist in zahlreichen Veröffentlichungen der Fa. PMDTechnologies GmbH (Siegen) näher beschrieben. Die Signale der einzelnen Pixel des Pixelarrays PA, hier als „IQ PMD Array“ bezeichnet, werden in einem A/D-Wandler gewandelt und in einem Mikrocontroller µ-Controller als Auswerteeinheit verarbeitet.
• Das Differenzsignal einzelner Pixel dient zur Entfernungsbestimmung, das Summensignal liefert die Helligkeitsinformation und kann zur Grauwertdarstellung des Kamerabildes dienen.
• 7 zeigt ein pmd-Pixel. Die durch das einfallende Licht generierten Potoelektronen wandern je nach Phasenlage der PMD-Mischfrequenz nach links oder rechts zu den entsprechenden Photogates A bzw. B.
• Es wurde versucht in den Figuren, die Nomenklatur weitgehend konsistent zu halten.
• Im Unterschied zu herkömmlichen pmd-Kameras wird erfindungsgemäß das ausgesandte Licht nicht mehr intensitätsmoduliert, sondern die Phaseninformation, die zur Entfernungsbestimmung erforderlich ist, über die Schwebung Δω der beiden Laserlichtfrequenzen ω1, ω2 ermittelt. Die Erfindung betrifft nicht nur die Verwendung, sondern auch eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur 3D-Erfassung einer Szene.
• Die Modulations- bzw. Mischfrequenzen bei pmd-Kameras liegen typischerweise zwischen 1- 100 MHz. Für die vorliegende Erfindung können auch Mehrfrequenzverfahren eingesetzt werden.

Claims (5)

1. 3D-TOF-Kamera mit einer Sendeeinheit für kohärentes Licht der Frequenz ω, mit einem optischen Element, das zwei Lichtstrahlen mit den Frequenzen ω und ω-Δω erzeugt, mit einer Sendeoptik, die einen Lichtstrahl mit der Frequenz ω in Richtung eines Objekts oder eine Szene lenkt, einer Empfangsoptik, die das von dem Objekt oder der Szene zurückgestreute Licht in Richtung eines Detektors lenkt, mit einer Umlenkoptik, die den Lichtstrahl mit der Frequenz ω-Δω ebenfalls in Richtung des Detektors lenkt, wobei der Detektor aus einem pmd-Detektor mit einem pmd-Pixel-Array besteht, sowie einer Ansteuer- und Auswerteeinheit, die aus dem auf dem Detektor auftreffenden Licht, durch coherent heterodyne Lichtwellen-Detektion pixelweise eine Entfernungsinformation generiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element, das die beiden Lichtstrahlen erzeugt, ein akustooptischer Modulator ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element, das die beiden Lichtstrahlen erzeugt, mit der pmd-Mischfrequenz Δω angesteuert wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit für kohärentes Licht als Laser, als Laserdiode oder als VCSEL ausgebildet ist
5. Verfahren zum Betreiben einer TOF-3D-Kamera, wobei die Entfernungsmessung mittels coherent heterodyne Lichtwellen-Detektion erfolgt.

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