DE102021111949A1

DE102021111949A1 - Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt

Info

Publication number: DE102021111949A1
Application number: DE102021111949.9A
Authority: DE
Inventors: Vladan Blahnik; Martin PESCHKA
Original assignee: Scantinel Photonics GmbH
Current assignee: Scantinel Photonics GmbH
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Eine Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12) hat eine Lichtquelle (16), die optische Signale mit variierender Frequenz erzeugt. Eine Verteilmatrix (M) verteilt die optischen Signale auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (38), von wo aus sie über Freiraumkoppler (40), die auf einem gemeinsamen Substrat (46) angeordnet sind, in den Freiraum austreten. Eine Ablenkoptik (44), welche die austretenden optischen Signale ablenkt, hat ein gekrümmtes objektseitiges Objektfeld (47). Eine Antriebseinrichtung (48) bewegt das Substrat (46) so, dass die Freiraumkoppler (40) sukzessive das gekrümmte Objektfeld (47) durchsetzen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem bewegten oder unbewegten Objekt auf Grundlage der FMCW-LiDAR-Technologie. Solche Vorrichtungen können beispielsweise bei autonom fahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden und als photonische integrierte Schaltkreise (PIC, Photonic Integrated Circuit) realisiert sein, die keine beweglichen Teile enthalten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zur optischen Abstandsmessung ist ein als FMCW-LiDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei dem von einem Scanner optische Signale mit zeitlich variierender Frequenz (FMCW steht für frequency modulated continuous wave) in unterschiedliche Richtungen auf ein zu vermessendes Objekt gerichtet werden. Nach Reflexion an dem Objekt gelangen diese Signale mit geringer Intensität zurück zum Scanner und werden mit einem Signal überlagert, das nicht abgestrahlt wurde und deswegen als lokaler Oszillator bezeichnet wird. Die sich dabei einstellende Schwebungsfrequenz wird von einem Detektor erfasst und erlaubt eine Berechnung des Abstands zwischen Scanner und Objekt. Wenn zusätzlich die Doppler-Verschiebung berücksichtigt wird, lässt sich auch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Scanner und dem Objekt berechnen.
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.
Scanner, die als photonische integrierte Schaltkreise realisiert sind, benötigen keine rotierenden Scanspiegel oder andere 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 angeordneten optischen Schaltern eingesetzt, welche die FMCW-Signale auf unterschiedliche Freiraumkoppler verteilen. Eine Ablenkoptik, in deren Brennebene die Freiraumkoppler angeordnet sind, kollimiert die aus den Freiraumkopplern austretenden optischen Signale und strahlt sie in unterschiedliche Richtungen ab.
Die Intensität der optischen Signale, die nach Reflexion am Objekt zum Scanner zurückkehrt, ist sehr gering. Um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bei der Detektion dieser Signale zu erhalten, ist es wichtig, dass keine zusätzlichen Lichtverluste beim Einkoppeln der Signale in die optischen Wellenleiter auftreten, die zu dem oder den Detektoren führen.
Voraussetzung für eine hohe Einkoppeleffizienz ist, dass die Freiraumkoppler, die zum Aus- und Einkoppeln der optischen Signale aus bzw. in die Wellenleiter dienen, sich möglichst exakt in der Brennebene der Ablenkoptik befinden. Da photonisch integrierte Freiraumkoppler bislang aus technologischen Gründen entlang einer Geraden oder in einer Ebene angeordnet sind, müssen gut korrigierte Ablenkoptiken verwendet werden, die in der Lage sind, ein exakt ebenes Objektfeld ins Unendliche abzubilden. Die Brennebene dieser Optiken ist somit tatsächlich eben und nicht leicht gekrümmt, wie dies bei einfacher aufgebauten optischen Systemen üblicherweise der Fall ist. Nur mit einem ebenen Objektfeld ist es möglich, alle Freiraumkoppler optimal zu positionieren und dadurch gut kollimierte Lichtstrahlen sowie minimale Einkoppeleffizienzen zu erhalten.
Ablenkoptiken mit einem exakt ebenen Objektfeld haben jedoch den Nachteil, dass sie groß, schwer und teuer sind.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die WO 2021/029969 A1 vor, zwischen den Freiraumkopplern und der Ablenkoptik ein Array aus Mikrolinsen anzuordnen, welche die in einer Ebene angeordneten Freiraumkoppler in eine gekrümmte Fläche abbilden, die mit einem gekrümmten Objektfeld der Ablenkoptik zusammenfällt. Auf diese Weise kann trotz der entlang einer Geraden oder in einer Ebene angeordneten Freiraumkoppler eine einfach aufgebaute Ablenkoptik mit nur wenigen Linsen verwendet werden, die klein baut, ein geringes Gewicht hat und kostengünstig herstellbar ist.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass an die Präzision eines solchen Mikrolinsenarrays und dessen Positionierung relativ zum photonisch integrierten Schaltkreis hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Ein nicht unbeträchtlicher Teil der Kostenersparnis, welche die Ersetzung der aufwendigen Ablenkoptiken mit ebenem Objektfeld durch einfacher aufgebaute Ablenkoptiken mit gekrümmten Objektfeld ermöglicht, wird somit durch die Bereitstellung des Mikrolinsenarrays wieder aufgezehrt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt anzugeben, das die Verwendung einer einfach aufgebauten Ablenkoptik erlaubt, ohne dass neue komplizierte optische Baugruppen wie etwa ein unregelmäßig geformtes Mikrolinsenarray erforderlich wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt, die eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz zu erzeugen. Die Vorrichtung weist außerdem eine optische Verteilmatrix auf, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger umfasst und dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter zu verteilen. Mehrere Freiraumkoppler sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und dazu eingerichtet, ein in einem der Ausgangswellenleiter geführtes optisches Ausgangssignal in den Freiraum auszukoppeln. Eine Ablenkoptik ist dazu eingerichtet, die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung abgestrahlt werden. Die Ablenkoptik hat ein gekrümmtes objektseitiges Objektfeld, das ins Unendliche abgebildet wird. Mindestens ein Detektor ist vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert wurde, zu erfassen. Eine Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, aus der von dem mindestens einen Detektor erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Antriebseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, das Substrat so zu bewegen, dass die Freiraumkoppler sukzessive das gekrümmte Objektfeld durchsetzen.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass während des Scanvorgangs zu einem gegebenen Zeitpunkt optische Signale nur in eine Richtung oder in einige wenige Richtungen abgestrahlt werden. Zu einem gegebenen Zeitpunkt müssen sich deswegen nur diejenigen Freiraumkoppler in dem Objektfeld der Ablenkoptik befinden, die gerade Licht aussenden und/oder reflektiertes Licht empfangen. Dies erlaubt es, die Freiraumkoppler während eines Scanvorgangs nacheinander in einem gekrümmten Objektfeld einer einfach aufgebauten Ablenkoptik anzuordnen. Dazu wird erfindungsgemäß das Substrat, auf dem die Freiraumkoppler angeordnet sind, der Ablenkoptik so zugestellt, dass die jeweils aktiven Freiraumkoppler sich zu den gewünschten Zeitpunkten im gekrümmten Objektfeld der Ablenkoptik befinden.
Da die üblicherweise verwendeten Ablenkoptiken rotationssymmetrisch sind, ist auch das Objektfeld rotationssymmetrisch gekrümmt, wobei die Krümmung sphärisch oder asphärisch sein kann. Wenn die Freiraumkoppler in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse der Ablenkoptik ausgerichtet ist, so befinden sich zu einem gegebenen Zeitpunkt alle Freiraumkoppler, die auf einem zur optischen Achse konzentrischen Kreis angeordnet sind, im Objektfeld der Ablenkoptik. Verändert sich der Abstand zwischen dem Substrat, auf dem die Freiraumkoppler angeordnet sind, und der Ablenkoptik, so verändert sich der Radius des Kreises, auf dem sich die gerade im Objektfeld der Ablenkoptik angeordneten Freiraumkoppler befinden. Verläuft die Ebene der Freiraumkoppler nicht senkrecht zur optischen Achse, liegen die Freiraumkoppler im Objektfeld auf konzentrischen Ellipsen.
Bei anamorphotischen oder anderen nicht rotationssymmetrischen Ablenkoptiken ist das Objektfeld nicht rotationssymmetrisch. Wenn die Freiraumkoppler in einer Ebene angeordnet sind, dann liegen z.B. bei einem zylindrisch gekrümmten Objektfeld zu einem gegebenen Zeitpunkt nur solche Freiraumkoppler im Objektfeld, die entlang einer Geraden angeordnet sind. Verläuft die Zylinderachse parallel zu der Ebene und verändert sich der Abstand zwischen der Ablenkoptik und dem Substrat, auf dem die Freiraumkoppler angeordnet sind, so verändert sich der Abstand dieser Geraden.
Damit alle Freiraumkoppler wiederholt in das Objektfeld der Ablenkoptik gelangen, ist es zweckmäßig, wenn die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Substrat in eine oszillierende translatorische Bewegung entlang einer Translationsrichtung zu versetzen. Unter einer oszillierenden Bewegung wird hier eine periodische Hin- und Her-Bewegung verstanden. Bei einer solchen periodischen Bewegung muss es sich aber nicht notwendigerweise um eine harmonische Schwingung handeln.
Anstelle einer Translationsbewegung sind im Prinzip auch oszillierende Drehbewegungen möglich. Diese lassen sich jedoch nur mit größerem technischen Aufwand realisieren.
Am einfachsten ist es, wenn die Ablenkoptik eine optische Achse hat, die parallel zu der Translationsrichtung verläuft. Bei schräg abstrahlenden oder empfangenden Freiraumkopplern kann die Translationsrichtung auch in einem Winkel zur optischen Achse verlaufen.
Die typischen Scanfrequenzen bei LiDAR-Scannern liegen in der Größenordnung zwischen 20 Hz und 100 Hz. Daher ist es bevorzugt, wenn die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Substrat in einer oszillierenden Bewegung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz zu versetzen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Antriebseinrichtung einen Tauchspulenantrieb auf, der an dem Substrat angreift. Mit Tauchspulenantriebe lassen sich sehr zuverlässig und mit hoher Stellgenauigkeit Hubbewegungen bis zu mehreren Millimetern erzeugen. Wenn die Ablenkoptik ein nur schwach gekrümmtes Objektfeld hat, kommt auch die Verwendung von Piezoaktoren in der Antriebseinrichtung in Betracht.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die optischen Schalter der Verteilmatrix mit der Bewegung des Substrats zu synchronisieren. Eine solche Synchronisation ist zweckmäßig, damit sichergestellt ist, dass sich stets diejenigen Freiraumkoppler im Objektfeld der Ablenkoptik befinden, die optische Signale aussenden und/oder empfangen. Falls die Stellgenauigkeit der Antriebseinrichtung nicht ausreicht, kann die Bewegung des Substrats gemessen werden, um eine Regelung zu ermöglichen.
Alternativ hierzu kann über die von den Detektoren erfasste Signalstärke erfasst werden, welche Freiraumkoppler sich gerade im Objektfeld befinden, da nur dort eine maximale Intensität aufgrund der dann minimalen Einkoppelverluste auftritt.
Bei dieser Variante sollte unterscheidbar sein, ob kein Signal erfasst wird, weil sich der betreffende Freiraumkoppler gerade außerhalb des Objektfeldes befindet, oder weil das Signal auf kein Objekt innerhalb der Messreichweite getroffen ist und deshalb kein Reflex entsteht.
Zur Lösung dieses Problems kann das Substrat mit deutlich höherer Frequenz als die Wiederholrate - aber auch deutlich kleiner als die Chirp-Freuenz - oszillieren. Dadurch entsteht ein mit der Oszillationsfrequenz moduliertes Einkoppelsignal von reflektiertem Licht. Die Auswerteeinrichtung erzeugt ein mit der Oszillationsfrequenz moduliertes Messsignal, das mit dem Oszillatorsteuersignal gemischt wird. Auf diese Weise erhält man für jedes Pixel ein Gleichspannungssignal, welches mit der Rückreflektion vom Objekt anwächst. Wenn kein Licht von einem Objekt reflektiert wird, so ist dies daran erkennbar, dass das Gleichspannungssignal null ist.
Vorzugsweise ist jeder Freiraumkoppler dazu eingerichtet, ein von der Lichtquelle erzeugtes optisches Signal, das dem Freiraumkoppler von einem mit dem Freiraumkoppler verbundenen Wellenleiter zugeführt wurde und aus dem Freiraumkoppler ausgetreten ist, nach Reflexion an dem Objekt wieder als optisches Messsignal in den gleichen Wellenleiter einzukoppeln. Es ist jedoch auch möglich, für das Senden der optischen Signale und den Empfang der reflektierten Messsignale unterschiedliche Freiraumkoppler zu verwenden, wie dies beispielsweise aus der DE 10 2020 110 142 A1 bekannt ist.
Wie oben bereits erwähnt, sind die Freiraumkoppler idealerweise entlang einer Geraden oder - bei dreidimensionaler Anordnung - in einer Ebene angeordnet, da eine Anordnung in einer gekrümmten Fläche technologisch kaum machbar ist. Etwas leichter realisierbar sind gestufte Anordnungen der Freiraumkoppler. Eine solche gestufte Anordnung ist vorteilhaft, weil auf diese Weise eine Annäherung an die Krümmung des Objektfeldes erzielt und dadurch der erforderliche Hub der Substratbewegungen reduziert werden kann.
Das Objektfeld der Ablenkoptik wird vorzugsweise ins Unendliche abgebildet. Je nach dem gewünschten Grad der Kollimierung kann aber auch eine Abbildung in eine endliche Entfernung vorgesehen sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ein optisches Element auf, das im Lichtweg zwischen den Freiraumkopplern und der Ablenkoptik angeordnet und von dem Substrat getragen oder daran befestigt ist, so dass das optische Element gemeinsam mit dem Substrat von der Antriebseinrichtung bewegt wird. Bei diesem optischen Element kann es sich z.B. um eine Zylinderlinse handeln, die in das Substrat eingesetzt wird, oder um ein einfach aufgebautes Mikrolinsenarray, um bestimmte Eigenschaften der aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtbündel zu modifizieren.
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 in der 1 gezeigte Scanvorrichtung;
3 den Aufbau der Scanvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung;
4 einen Graphen, in dem die Frequenz der ausgesendeten optischen Signale über der Zeit aufgetragen ist;
5 eine Verteilmatrix und die Ablenkoptik der in der 3 gezeigten Scanvorrichtung;
6a einen Ausschnitt aus der in der 3 gezeigten Scanvorrichtung, in dem ein Substrat mit Freiraumkopplern, eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Substrats und die Ablenkoptik erkennbar ist, wobei sich das Substrat in einem maximalen Abstand zur Ablenkoptik befindet;
6b den in der 6a gezeigten Ausschnitt, jedoch mit einem kleineren Abstand zwischen dem Substrat und der Ablenkoptik;
6c den in der 6a gezeigten Ausschnitt, jedoch mit einem minimalen Abstand zwischen dem Substrat und der Ablenkoptik.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Beispiel für Anwendung
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 oder ein Tier 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 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. Bevorzugt sendet die Scanvorrichtung 14 sehr viel mehr Lichtstrahlen aus. Bevorzugt sind beispielsweise k·2ⁿ Lichtstrahlen, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 7 und 13 ist und angibt, wie viele Strahlen in einer von k Ebenen abgestrahlt werden, wobei k eine natürliche Zahl zwischen 1 und 16 ist.
2. Scanvorrichtung
3 zeigt schematisch den Aufbau der Scanvorrichtung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Scanvorrichtung 14 ist als LiDAR-System ausgebildet und umfasst eine FMCW-Lichtquelle 16, die im Betrieb der Scanvorrichtung 14 Messlicht mit einer variierenden Frequenz ƒ_chirp erzeugt. Wie die 4 illustriert, variiert („chirps“) die Frequenz ƒ_chirp periodisch über die Zeit t zwischen einer niedrigeren Frequenz ƒ_l und einer höheren Frequenz ƒ_h. variiert.
Jedes Messintervall mit einer Chirp-Dauer T ist in zwei Hälften gleicher Länge T/2 geteilt. Während des ersten Intervalls steigt die Frequenz ƒ_chirp linear mit einer konstanten und positiven Upchirp-Rate r_chirp, d.h. dƒ_chirp/dt = r_chirp. Während des zweiten Intervalls nimmt die Frequenz ƒ_chirp linear mit einer konstanten negativen Downchirp-Rate -r_chirp, d.h. dƒ_chirp/dt = -r_chirp, ab. Die Frequenz des Messlichts lässt sich somit durch eine periodische Dreieckfunktion beschreiben. Es kommen aber auch andere funktionale Zusammenhänge in Betracht, z.B. Sägezahnfunktionen.
Die Lichtquelle 16 ist mit einem Verzweiger 22 verbunden, der das Messlicht in Referenzlicht (lokaler Oszillator) und Ausgangslicht aufspaltet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangslicht in einem optischen Verstärker 24 verstärkt und gelangt dann zu einem optischen Zirkulator 26, der das verstärkte Messlicht zu einer Ablenkeinheit 28 leitet. Ein optischer Zirkulator hat drei Anschlüsse A, B und C und die Eigenschaft, dass Licht, das an einem Anschluss eintritt, den nächsten Anschluss verlässt. Daher verlässt Licht, das in den Anschluss A eintritt, den Anschluss B, Licht, das in den Anschluss B eintritt, verlässt den Anschluss C, und Licht, das in Anschluss C eintritt, verlässt den Anschluss A. Der optische Zirkulator 26 kann beispielsweise einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler umfassen, der mit weiteren polarisationsoptischen Elementen zusammenwirkt, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Anstelle des Zirkulators kann z.B. auch ein 2x2 Koppler verwendet werden, was jedoch zu höheren Lichtverlusten führt.
Die Ablenkeinheit 28 richtet das Ausgangslicht auf das Objekt 12 - in 3 durch ein fahrendes Auto repräsentiert - entlang verschiedener Richtungen, wie dies oben mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert wurde. Üblicherweise wird das von der Ablenkeinheit 28 abgestrahlte optische Signals zumindest teilweise diffus vom Objekt 12 reflektiert. Ein kleiner Teil des reflektierten Signals gelangt zurück zur Scanvorrichtung 14, wo es wieder in die Ablenkeinheit 28 einkoppelt und anschließend gemessen werden kann.
Der optische Zirkulator 26 lenkt das eingekoppelte Licht auf einen Kombinator 30, der das Referenzlicht, das durch den Verzweiger 22 vom Messlicht getrennt wurde, mit dem eingekoppelten Licht überlagert. Da sich die Frequenzen der überlagerten Lichtanteile geringfügig voneinander unterscheiden, entsteht ein Schwebungssignal, das von einem Detektor 32, der vorzugsweise als symmetrischer Photodetektor ausgeführt ist, erfasst wird. Die vom Detektor 32 erzeugten elektrischen Signale werden einer Recheneinheit 34 zugeführt, die aus der Analyse von Schwebungsfrequenzen die Entfernung R zum Objekt und die Relativgeschwindigkeit v zwischen der Abtastvorrichtung 14 und dem Objekt 12 berechnet.
Die 5 zeigt Teile der Ablenkeinheit 28 in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Die Ablenkeinheit 28 umfasst eine Verteilmatrix M, in der mehrere optische Schalter S11, S21 und S22 baumartig angeordnet sind. Mithilfe der optischen Verteilmatrix M können optische Signale, die an einem Eingang 36 der Verteilmatrix M eingehen, sukzessive auf mehrere Ausgangswellenleiter 38 verteilt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit weist die optische Verteilmatrix M im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich drei optische Schalter auf, sodass insgesamt vier Ausgangswellenleiter 38 angesteuert werden können. In realen Scanvorrichtungen 14 können acht oder mehr Schaltebenen hintereinander angeordnet sein, so dass beispielsweise 256 Ausgangswellenleiter 38 wahlweise mit dem Eingang 36 verbunden werden können.
Bei anderen Ausführungsbeispielen befindet sich die Verteilmatrix M noch vor dem Verstärker 24 oder zwischen dem Verstärker 24 und dem Zirkulator 26. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn mehrere optische Signale gleichzeitig abgestrahlt werden sollen, indem mehreren Verteilmatrizen optische Signale parallel zugeführt werden. Alternative Ausgestaltungen für die Einbindung von Verteilmatrizen in die Scanvorrichtung 14 sind der europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen EP 20176355.4 und der DE 10 2020 110 142 A1 entnehmbar.
Die Ausgangswellenleiter 38 münden in Freiraumkopplern 40, mit denen in den Ausgangswellenleitern 38 geführte optische Signale in den Freiraum ausgekoppelt werden können. Derartige Koppler sind an sich im Stand der Technik bekannt und können beispielsweise als Gitterkoppler ausgebildet sein, die einen sich aufweitenden Wellenleiterbereich haben, an den sich eine Gitterstruktur anschließt. Alternativ kann es sich bei den Freiraumkopplern 40 um Kantenkoppler handeln, die eine höhere Koppeleffizienz als Gitterkoppler haben.
In der 5 ist erkennbar, dass die aus den Freiraumkopplern 40 divergent austretenden Lichtbündel von einer Ablenkoptik 44 kollimiert und in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden. Je weiter ein Freiraumkoppler 40 von einer optischen Achse 42 der Ablenkoptik entfernt angeordnet ist, desto größer ist der Winkel, unter dem die kollimierten optischen Signale von der Ablenkoptik 44 abgestrahlt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Ablenkeinheit 28 auch dazu, die am Objekt 12 reflektierten optischen Signale zu empfangen und über die Freiraumkoppler 40 wieder in die Ausgangswellenleiter 38 einzukoppeln. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die reflektierten Signale von eigenen Freiraumkoppler 40 empfangen und über eigene Wellenleiter dem Detektor 32 zugeführt werden.
Die 6a zeigt einen Ausschnitt aus der Ablenkeinheit 28 in einer ebenfalls schematischen Darstellung. Erkennbar ist ein Substrat 46, auf dem sich elf Ausgangswellenleiter 38 erstrecken, die jeweils in einem Freiraumkoppler 40 münden. Die Ablenkoptik 44 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Linsen L1 und L2, wobei die erste Linse nur sphärische Flächen und die zweite Linse zwei asphärische Flächen hat. Diese einfach aufgebaute Ablenkoptik 44 hat im Gegensatz zu aufwendigeren Ablenkoptiken mit mehr als zwei Linsen kein ebenes, sondern ein asphärisch gekrümmtes Objektfeld 47, das in der 6a durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist und ins Unendliche abgebildet wird. Dies hat zur Folge, dass ein aus einem Freiraumkoppler 40 austretendes optisches Signal nur dann perfekt kollimiert wird, wenn sich der betreffende Freiraumkoppler 40 (oder genauer gesagt dessen Lichtaustrittsbereich) in dem Objektfeld 47 befindet.
Wenn wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Freiraumkoppler 40 entlang einer Geraden - oder bei einer dreidimensionalen Anordnung entlang einer Ebene - angeordnet sind, so muss der Abstand zwischen den Freiraumkopplern 40 und der Ablenkoptik 44 verändert werden, um die Freiraumkoppler 40 nach und nach in das Objektfeld 47 zu überführen. Da die Ablenkoptik 44 vergleichsweise schwer ist, wird das leichtere Substrat 46 mit den Freiraumkopplern 40 und ggf. weiteren vom Substrat 46 getragenen optischen Komponenten von einer Antriebseinrichtung 48 entlang der optischen Achse 42 bewegt, wie dies in der 6a durch einen Doppelpfeil 50 angedeutet ist. Die Antriebseinrichtung 48 weist zu diesem Zweck zwei Tauchspulenantriebe 52 und 54 auf, die an dem Substrat 46 angreifen und dieses in eine oszillierende translatorische Bewegung versetzen. Die dabei zu bewältigenden Weglängen hängen von der Krümmung des Objektfeldes 47 ab und liegen im Bereich weniger Millimeter. Damit alle Freiraumkoppler 40 nach und nach in das Objektfeld 47 gelangen können, muss das Substrat 46 mit einer Frequenz bewegt werden, die an die Messfrequenz der Scanvorrichtung 14 angepasst ist.
Bei der in der 6a gezeigten Konstellation ist der Abstand zwischen dem Substrat 46 und der Ablenkoptik 44 maximal. Bei diesem maximalen Abstand befindet sich nur der zentrale Freiraumkoppler 40, der durch eine schwarze Färbung hervorgehoben ist, im Objektfeld 47.
Soll Licht aus von Freiraumkopplern 40 abgestrahlt werden, die weiter entfernt von der optischen Achse 42 angeordnet sind, so muss der Abstand zwischen dem Substrat 46 und der Ablenkoptik 44 von der Antriebseinrichtung 48 verkürzt werden, wie dies die 6b beispielshaft illustriert.
Die 6c zeigt die Stellung bei minimalem Abstand, bei der nur die beiden außenliegenden Freiraumkoppler 40 im Objektfeld 47 angeordnet sind.
Beim Betrieb der Scanvorrichtung 14 werden die Schalter S11, S21, S22 der Verteilmatrix M, mit denen die optischen Signale auf die unterschiedlichen Freiraumkoppler 40 verteilt werden, mit den von der Antriebseinrichtung 48 bewirkten Bewegungen des Substrats 46 von einer Steuereinrichtung, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in die Auswerteeinrichtung 34 integriert ist, synchronisiert. Dadurch ist sichergestellt, dass nur aus solchen Freiraumkopplern 40 optische Signale austreten und gegebenenfalls wieder in diese eintreten können, die sich gerade im Objektfeld 47 befinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0371227 A1 [0004]
US 2019/0377135 A1 [0004]
WO 2021/029969 A1 [0008]
DE 102020110142 A1 [0024, 0039]
EP 20176355 [0039]

Claims

Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit einer Lichtquelle (16), die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit eine variierenden Frequenz zu erzeugen, einer optischen Verteilmatrix (M), die mehrere optische Schalter (S11, S21, S22) und/oder optische Verzweiger aufweist und dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (38) zu verteilen, mehreren Freiraumkopplern (40), die auf einem gemeinsamen Substrat (46) angeordnet und dazu eingerichtet sind, ein in einem der Ausgangswellenleiter (38) geführtes optisches Ausgangssignal in den Freiraum auszukoppeln, einer Ablenkoptik (44), die dazu eingerichtet ist, die aus den optischen Ausgangswellenleitern (38) austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden, wobei die Ablenkoptik (44) ein gekrümmtes objektseitiges Objektfeld (47) hat, mindestens einem Detektor (32), der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde, zu erfassen, eine Auswerteeinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, aus der von dem mindestens einen Detektor (32) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Antriebseinrichtung (48) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) so zu bewegen, dass die Freiraumkoppler (40) sukzessive das gekrümmte Objektfeld (47) durchsetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (48) dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) in eine oszillierende translatorische Bewegung entlang einer Translationsrichtung zu versetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkoptik (44) eine optische Achse (42) hat, die parallel zu der Translationsrichtung verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (48) dazu eingerichtet ist, das Substrat in einer oszillierende Bewegung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz zu versetzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (48) einen Tauchspulenantrieb (520, 54) aufweist, der an dem Substrat (46) angreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die optischen Schalter (S11, S21, S22) der Verteilmatrix (M) mit der Bewegung des Substrats (46) zu synchronisieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, jeder Freiraumkoppler (40) dazu eingerichtet ist, ein von der Lichtquelle (16) erzeugtes optisches Signal, das dem Freiraumkoppler (40) von einem mit dem Freiraumkoppler (40) verbundenen Wellenleiter (38) zugeführt wurde und aus dem Freiraumkoppler (40) ausgetreten ist, nach Reflexion an dem Objekt (12) wieder als optisches Messsignal in den gleichen Wellenleiter (38) einzukoppeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumkoppler (40) in einer Ebene eingeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisches Element, das im Lichtweg zwischen den Freiraumkopplern (40) und der Ablenkoptik (44) angeordnet und von dem Substrat (46) getragen oder daran befestigt ist, so dass das optische Element gemeinsam mit dem Substrat (46) von der Antriebseinrichtung (48) bewegt wird.