DE102021130609A1

DE102021130609A1 - Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt

Info

Publication number: DE102021130609A1
Application number: DE102021130609.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Horn; Frank Höller
Original assignee: Scantinel Photonics GmbH
Current assignee: Scantinel Photonics GmbH
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023094156A1

Abstract

Eine Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12) hat eine Lichtquelle (16), die ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz erzeugt. Eine Scaneinrichtung (28) lenkt Messlicht (29) in unterschiedliche Richtungen. Eine Detektor (32) erfasst eine Überlagerung von Referenzlicht und von reflektiertem Licht. Eine Auswerteeinrichtung (34) bestimmt aus der von dem Detektor (32) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12). Ein Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36'), der im Lichtweg des ausgesendeten Messlichts (29) hinter der Scaneinrichtung (28) angeordnet ist, erfasst eine Scanbewegung des ausgesendeten Messlichts (29). Eine Abschalteinrichtung schaltet die Lichtquelle (16) ab oder verhindert auf andere Weise ein Aussenden von Messlicht (29), wenn der Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36') keine Scanbewegung des Messlichts (29) erfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem bewegten oder unbewegten Objekt auf Grundlage der FMCW-LiDAR-Technologie. Vorrichtungen und Verfahren dieser Art können beispielsweise bei autonom fahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zur optischen Abstandsmessung ist ein als FMCW-LiDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei dem von einer Scaneinrichtung 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 zur Scaneinrichtung 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 radiale Relativgeschwindigkeit zwischen dem Scanner und dem Objekt berechnen.
FMCW-LiDAR-Vorrichtungen enthalten meist eine Laserlichtquelle, die Messlicht mit einer Wellenlänge von 1550 nm erzeugt. Da diese Frequenz im infraroten Spektralbereich und damit außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, kann das Messlicht von Menschen nicht wahrgenommen werden. Infrarotlicht wirkt zudem erst bei sehr hohen Leistungen augenschädigend. Dadurch können FMCW-LiDAR-Vorrichtungen mit Messlicht hoher Intensität Entfernungen bis zu 300 m messen, ohne dass eine Gefahr für die Augensicherheit besteht.
Noch größere Reichweiten erfordern entsprechend höhere Laserleistungen. Eine hohe Intensität des Messlichts ist auch mit Blick auf ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und damit auf die Zuverlässigkeit der Abstandsermittlung wünschenswert.
Infrarotes Messlicht mit sehr hohen Intensitäten ist jedoch nur dann unschädlich für die Augen, wenn es kurzzeitig auf die Netzhaut des Auges trifft, wie dies beim Scannen normalerweise der Fall ist. Bei einem Defekt der Scaneinrichtung kann es jedoch dazu kommen, dass der Messstrahl sich nicht mehr bewegt. Gelangt ein solcher stillstehender und hochintensiver Messstrahl in ein menschliches Auge, können Schädigungen nicht ausgeschlossen werden.
Aus der DE 10 2019 210 999 A1 (entspricht US 2021/0026014 A1 ) ist eine FMCW-LiDAR-Messvorrichtung bekannt, bei der ein optischer Positionssensor im Signalweg eines dispersiven optischen Elements angeordnet ist. Dadurch lässt sich die momentane Strahlrichtung des Messlichts kontinuierlich überwachen, was für eine verbesserte Bildrekonstruktion genutzt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden FMCW-LiDAR-Messung des Abstands zu einem Objekt anzugeben, bei der bzw. bei dem Messlicht mit hoher Intensität abgestrahlt werden kann, ohne dass die Augen von Personen in der Umgebung Schaden nehmen können.
Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe gelöst 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 umfasst außerdem eine Scaneinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Messlicht in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Das Messlicht wird dabei durch einen ersten Teil des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals gebildet. Die Vorrichtung weist ferner einen Detektor auf, der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung von Referenzlicht und von reflektiertem Licht zu erfassen. Das Referenzlicht wird durch einen zweiten Teil des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals gebildet, der nicht der Scaneinrichtung zugeführt wird. Das reflektierte Licht wird von dem Messlicht gebildet, nachdem dieses an dem Objekt zumindest teilweise reflektiert wurde. Eine Auswerteeinrichtung der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, aus der von dem Detektor erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Überwachungseinrichtung mit einem Lichtsensor auf, bei dem es sich zum Beispiel um eine Photodiode handeln kann. Der Lichtsensor ist im Lichtweg des ausgesendeten Messlichts hinter der Scaneinrichtung angeordnet und dazu eingerichtet, eine Scanbewegung des ausgesendeten Messlichts zu erfassen. Die Überwachungseinrichtung weist außerdem eine Abschalteinrichtung auf, die mit dem Lichtsensor und der Lichtquelle verbunden und dazu eingerichtet ist, die Lichtquelle abzuschalten oder auf andere Weise ein Aussenden von Messlicht zu verhindern, wenn der Lichtsensor keine Scanbewegung des Messlichts erfasst.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass (insbesondere infrarotes) Messlicht mit einer hohen Intensität ausgesendet werden darf, solange der oder die Messstrahlen sich bewegen und dadurch sichergestellt ist, dass Messlicht nicht über einen längeren Zeitraum hinweg in die Augen von Personen gelangen kann. Ob die Scaneinrichtung, welche die Bewegungen des Messlichts erzeugt, fehlerlos funktioniert und das Messlicht die gewünschten Scanbewegungen durchführt, lässt sich zuverlässig erst im Lichtweg hinter der Scaneinrichtung durch einen Lichtsensor erfassen. Vor allem dann, wenn die Scaneinrichtung keine beweglichen Bauteile enthält, ist eine Erfassung von Scanbewegungen des Messlichts innerhalb der Scaneinrichtung schwierig. Scaneinrichtungen ohne bewegliche Teile sind nämlich vorzugsweise als photonische integrierte Schaltkreise realisiert, in die schlecht eingegriffen werden kann.
Mit einem einfachen Lichtsensor im Lichtweg hinter der Scaneinrichtung lässt sich hingegen sehr einfach feststellen, ob das Messlicht noch die gewünschten Scanbewegungen ausführt oder nicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Lichtsensor so angeordnet, dass er pro Scanzyklus nur einmal dem Messlicht ausgesetzt ist. Dahinter steckt die Überlegung, dass das Messlicht nicht kontinuierlich überwacht werden muss, sondern es genügt, nur einmal pro Scanzyklus das Messlicht mit dem Lichtsensor zu erfassen. Da Scanbewegungen in der Regel periodisch sind, lässt sich durch einen Lichtsensor, der an einem Umkehrpunkt des Messlichtstrahls angeordnet ist, leicht feststellen, ob der Scanvorgang noch fehlerfrei durchgeführt wird. Bei einem fehlerfreien Scanvorgang erfasst der Lichtsensor am Umkehrpunkt in periodischen Abständen ein Signal. Bleibt dieses aus, ist davon auszugehen, dass die Scaneinrichtung nicht mehr fehlerfrei funktioniert und deswegen verhindert werden muss, dass sich der Messlichtstrahl weiter ausbreitet. Bei dieser Ausgestaltung ist der Lichtsensor somit im Bereich eines Umkehrpunkts und dadurch am Rande des Scanfeldes angeordnet. Dort stört der Lichtsensor die Ausbreitung des Messlichts nicht wesentlich.
Wenn in zwei orthogonalen Richtungen gescannt werden soll, sollte mindestens ein Lichtsensor für jede Scanrichtung vorgesehen werden, um beide Scanbewegungen unabhängig voneinander überwachen zu können. Überstreicht das Messlicht während des Scanvorgangs ein von einer Kontur umgebenes Feld, so können zwei oder mehrere Lichtsensoren um dieses Feld herum angeordnet sein. In Betracht kommt beispielsweise, mehrere Lichtsensoren am Rand eines Lichtaustrittsfensters der Vorrichtung anzuordnen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Überwachungseinrichtung einen Strahlteiler auf, der einen Teil des Messlichts auf den Lichtsensor richtet. Auf diese Weise versperrt der Lichtsensor nicht den Lichtweg des Messlichts an ausgewählten (Umkehr-)Punkten. Durch den Strahlteiler geht aber für alle Lichtrichtungen ein geringer Teil des Messlichts verloren.
Bei dieser Ausgestaltung kann der Lichtsensor einen ortsaufgelöst messenden Bildaufnehmer aufweisen. Damit lassen sich die Bewegungen des Messlichts kontinuierlich und vollständig erfassen. Abweichungen vom gewünschten Bewegungsbild, die auf eine mögliche Störung der Scaneinrichtung hinweisen, können auf diese Weise besonders frühzeitig erkannt werden.
Um zu verhindern, dass bei einer fehlerhaften Scaneinrichtung weiterhin Messlicht in eine einzige Richtung ausgesendet wird, können unterschiedliche Maßnahmen getroffen werden. In Betracht kommt beispielsweise, aktiv eine Blende zu schließen, die vom Messlicht bei normaler Funktion durchtreten werden muss. Eine solche verschließbare Blende kann beispielsweise eine Verschlussplatte enthalten, die bei Bedarf von einem Aktor entriegelt wird und unter Wirkung der Schwerkraft selbständig die Blendenöffnung verschließt.
Einfacher und sicherer ist es jedoch, die Lichtquelle abzuschalten, so dass Messlicht gar nicht erst erzeugt wird. Die Abschalteinrichtung kann zu diesem Zweck beispielsweise ein Schaltrelais oder einen sicheren Halbleiterschalter aufweisen, das bzw. der dazu eingerichtet ist, die Stromversorgung der Lichtquelle in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu unterbrechen.
Die Erfindung ist unabhängig davon vorteilhaft einsetzbar, wie die Scaneinrichtung aufgebaut ist. Besonders robust und kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbar ist eine Scaneinrichtung mit einer optischen Verteilmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger aufweist und dazu eingerichtet ist, das Messlicht gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter zu verteilen. Eine Ablenkoptik der Scaneinrichtung ist dazu eingerichtet, das aus den optischen Ausgangswellenleitern austretende Messlicht so abzulenken, dass es in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt wird. Eine derart aufgebaute und an sich bekannte Scaneinrichtung kann für eine oder auch beide Scanrichtungen verwendet werden. Wenn in zwei Scanrichtungen gescannt werden soll, müssen die Ausgangswellenleiter in zwei Dimensionen verteilt angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Scaneinrichtung ein dispersives optisches Element aufweisen, welches das Messlicht wellenlängenabhängig in unterschiedliche Richtungen lenkt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Scaneinrichtung ein drehbar gelagertes optisches Element aufweisen, das eine reflektierende Fläche hat. Ein solches drehbar gelagertes optisches Element kann durch einen Galvanometerantrieb in eine Drehschwingung versetzbar sein, als kontinuierlich rotierendes Scanprisma ausgebildet sein oder ein Mikrospiegel eines in MEMS-Technologie aufgebauten Mikrospiegelarrays sein, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt, dass die folgenden Schritte umfasst:

a) Erzeugen eines optischen Signals mit einer variierenden Frequenz;
b) Lenken von Messlicht in unterschiedliche Richtungen, wobei das Messlicht durch einen ersten Teil des optischen Signals gebildet wird;
c) Erfassen einer Überlagerung von Referenzlicht und von reflektiertem Licht, wobei das Referenzlicht durch einen zweiten Teil des optischen Signals gebildet wird, der nicht in unterschiedliche Richtungen gelenkt wird, und wobei das reflektierte Licht von dem Messlicht gebildet wird, nachdem dieses an dem Objekt zumindest teilweise reflektiert wurde;
d) Bestimmen eines Abstands zu dem Objekt (12) aus der in Schritt c) erfassten Überlagerung;
e) Erfassen einer Scanbewegung des ausgesendeten Messlichts mit einem Lichtsensor;
f) Verhindern, dass Messlicht ausgesendet wird, sobald der Lichtsensor in Schritt e) keine Scanbewegung des Messlichts mehr erfasst.

Die oben für die Vorrichtung genannten Anmerkungen und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten für das Verfahren entsprechend.
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 Messvorrichtung erfasst wird;
2 eine Draufsicht auf die in der 1 gezeigte Messvorrichtung;
3 den Aufbau der Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung;
4 einen Graphen, in dem die Frequenz der ausgesendeten optischen Signale in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen ist;
5 Teile der in der 3 gezeigten Messvorrichtung mit zusätzlichen Einzelheiten in einer schematischen Darstellung;
6 einen Graphen, in dem der Photostrom zweier als Lichtsensoren verwendeter Photodioden in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen ist;
7 eine schematische Darstellung von Teilen einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem die Überwachungseinrichtung einen Strahlteiler aufweist.

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 Messvorrichtung 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 Messvorrichtung 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, das sich ebenfalls bewegt.
Die von der Messvorrichtung 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 die Lichtstrahlen L11 bis L41 in einer vertikalen Ebene (in der 1 ist dies die Papierebene) 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 Messvorrichtung 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 Messvorrichtung 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. Je nach eingesetzter Technologie können die verschiedenen können die Lichtstrahlen Ln1 bis Ln4 sukzessiv oder auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgesendet werden.
2. Messvorrichtung
3 zeigt schematisch den Aufbau der Messvorrichtung 14 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messvorrichtung 14 ist als LiDAR-System ausgebildet und umfasst eine FMCW-Lichtquelle 16, die im Betrieb der Messvorrichtung 14 Messlicht mit einer variierenden Frequenz f_chirp erzeugt. Wie die 4 illustriert, variiert („chirps“) die Frequenz f_chirp periodisch über die Zeit t zwischen einer niedrigeren Frequenz f und einer höheren Frequenz f_h. Die Mittenfrequenz des Messlichts liegt bei 1550 nm und damit im infraroten Spektralbereichn.
Jedes Messintervall mit einer Chirp-Dauer T ist in zwei Hälften gleicher Länge T/2 geteilt. Während des ersten Intervalls steigt die Frequenz f_chirp linear mit einer konstanten und positiven Upchirp-Rate r_chirp, d.h. df_chirp/dt = r_chirp. Während des zweiten Intervalls nimmt die Frequenz f_chirp linear mit einer konstanten negativen Downchirp-Rate -r_chirp, d.h. df_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.
Wie man in der 3 erkennt, ist die Lichtquelle 16 mit einem Verzweiger 22 verbunden, der die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale in zwei Teile aufteilt. Ein kleinerer Teil der optischen Signale wird abgetrennt und wird als Referenzlicht oder lokaler Oszillator bezeichnet. Der übrige und nachfolgend als Messlicht bezeichnete Teil der optischen Signale wird zunächst in einem optischen Verstärker 24 verstärkt und gelangt dann zu einem optischen Zirkulator 26, der das verstärkte Messlicht einer Scaneinrichtung 28 zuleitet. Ein optischer Zirkulator hat mindestens drei Anschlüsse und die Eigenschaft, dass Licht, das an einem Anschluss eintritt, den nächsten Anschluss verlässt. Anstelle des Zirkulators kann z.B. auch ein 2x2 Koppler verwendet werden, was jedoch zu höheren Lichtverlusten führt.
Die Scaneinrichtung 28 richtet das Messlicht 29 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. Dabei können auch mehrere Messstrahlen gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden. Üblicherweise wird das von der Scaneinrichtung 28 abgestrahlte Messlicht zumindest teilweise diffus vom Objekt 12 reflektiert. Ein kleiner Teil des reflektierten Lichts gelangt zurück zur Messvorrichtung 14, wo es wieder in die Scaneinrichtung 28 einkoppelt werden kann.
Der optische Zirkulator 26 lenkt das eingekoppelte reflektierte Licht auf einen Kombinator 30, der das Referenzlicht, das zuvor durch den Verzweiger 22 von den optischen Signalen abgetrennt wurde, mit dem eingekoppelten reflektierten 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 der Schwebungsfrequenzen die Entfernung R zum Objekt und die Relativgeschwindigkeit v zwischen der Abtastvorrichtung 14 und dem Objekt 12 berechnet.
Vorzugsweise sind einige oder alle der vorstehend beschriebenen Komponenten als photonischer integrierter Schaltkreis (PIC, Photonic Integrated Circuit) realisiert. Dies erlaubt einen räumlich sehr kompakten Aufbau, eine große mechanische Robustheit und niedrige Stückkosten bei Massenfertigung.
Die Messvorrichtung 14 umfasst außerdem eine Überwachungseinrichtung, zu der ein schematisch mit 36 angedeuteter Lichtsensor 36 und eine Abschalteinrichtung 38 gehört. Der Lichtsensor 36 ist im Lichtweg des Messlichts hinter der Scaneinrichtung 28 und vor einem Austrittsfenster 42 der Messvorrichtung 14 angeordnet und hat die Aufgabe, die Scanbewegungen des ausgesendeten Messlichts 29 zu erfassen.
Der Lichtsensor 36 ist über eine gepunktet angedeutete Datenleitung 44 mit der Abschalteinrichtung 38 verbunden, die eine elektronische Steuereinrichtung 46 und ein Schaltrelais 48 umfasst. Das Schaltrelais 48 ist zwischen die Lichtquelle 16 und eine Stromquelle 50 geschaltet, welche die Lichtquelle mit Strom versorgt.
Stellt der Lichtsensor 36 keine Scanbewegungen des Messlichts 29 mehr fest, so erzeugt die Steuereinrichtung 46 ein Steuersignal für das Schaltrelais 48, welches daraufhin die Stromversorgung der Lichtquelle 16 sofort unterbricht. Dadurch ist sichergestellt, dass das Messlicht 29 nicht über längere Zeit in eine Richtung (oder bei einer mehrkanaligen Messvorrichtung 14 in mehrere feste Richtungen) abgestrahlt wird, was zu Augenschäden führen bei Personen in der Umgebung der Messvorrichtung 14 führen könnte.
Die 5 zeigt die Scaneinrichtung 28 in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Die Scaneinrichtung 28 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel eine Verteilmatrix M, in der mehrere optische Schalter S11, S21 und S22 baumartig angeordnet sind. Mithilfe der optischen Verteilmatrix M kann Messlicht von einem Eingang 56 der Verteilmatrix M sukzessive auf mehrere Ausgangswellenleiter 58 verteilt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit weist die optische Verteilmatrix M im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich drei optische Schalter S11, S21 und S22 auf, sodass insgesamt vier Ausgangswellenleiter 58 angesteuert werden können. In realen Messvorrichtungen 14 können acht oder mehr Schaltebenen hintereinander angeordnet sein, so dass beispielsweise 256 Ausgangswellenleiter 58 wahlweise mit dem Eingang 56 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 Messvorrichtung 14 sind der europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen EP 20176355.4 und der DE 10 2020 110 142 A1 entnehmbar.
Die Ausgangswellenleiter 58 münden in Freiraumkopplern 60, die das in den Ausgangswellenleitern 58 geführte Messlicht in den Freiraum auskoppeln. 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 60 um Kantenkoppler handeln, die eine höhere Koppeleffizienz als Gitterkoppler haben.
In der 5 ist erkennbar, dass die aus den Freiraumkopplern 60 divergent austretenden Messlichtbündel von einer Ablenkoptik 64 kollimiert und in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden. Je weiter ein Freiraumkoppler 60 von einer optischen Achse 62 der Ablenkoptik beabstandet ist, desto größer ist der Winkel, unter dem das kollimierte Messlicht von der Ablenkoptik 64 abgestrahlt wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist unterstellt, dass in einer (zumindest annähernd) horizontalen Ebene, die mit der Papierebene der 5 zusammenfällt, gescannt wird. Um auch in der dazu senkrechten Vertikalen, d.h. senkrecht zur Papierebene der 5, scannen zu können, kann z.B. ein sich drehendes reflektierendes optisches Element vorgesehen sein (nicht dargestellt), wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Scaneinrichtung 28 auch dazu, die am Objekt 12 reflektierten optischen Signale zu empfangen und über die Freiraumkoppler 60 wieder in die Ausgangswellenleiter 68 einzukoppeln. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die reflektierten Signale von eigenen Freiraumkopplern 60 empfangen und über eigene Wellenleiter dem Detektor 32 zugeführt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Überwachungseinrichtung insgesamt vier Lichtsensoren auf, von denen zwei in der 5 erkennbar und mit 36a, 36b bezeichnet sind. Die Lichtsensoren 36a, 36b können beispielsweise als Photodioden ausgebildet sein, die für das infrarote Messlicht 29 empfindlich sind. Die vier Lichtsensoren 36a, 36b sind an den Rändern eines rechteckigen Scanfeldes angeordnet, das während eines Scanvorgangs von dem Messlicht 29 überstrichen wird. Zu diesem Zweck können die Lichtsensoren 36a, 36b z.B. am Rand des ebenfalls rechteckigen Austrittsfensters 42 der Messvorichtung 14 befestigt sein.
Die einander gegenüber liegenden Lichtsensoren 36a, 36b erfassen den ordnungsgemäßen Scanvorgang in der Horizontalen. Während des Durchschaltens der Verteilmatrix M schwenken die Messlichtstrahlen periodisch hin und her, wie dies in der 5 angedeutet ist. Dieser schnellen Scanbewegung ist eine langsamere Scanbewegung in vertikaler Richtung überlagert.
Die Lichtsensoren 36a, 36b sind so positioniert, dass sie an den Umkehrpunkten der horizontalen Scanbewegung jeweils kurzzeitig einem Teil des Messlichts 29 ausgesetzt und dann jeweils ein kurzes elektrisches Messsignal erzeugen, das von der Steuereinrichtung 46 überwacht wird. Bei einem ordnungsgemäßen Scanvorgang kehren die von den Lichtsensoren 36a, 36b erzeugten Messsignale regelmäßig mit einer Periode P wieder, wie dies der Graph der 6 illustriert. Dort ist der von den Lichtsensoren 36a und 36b erzeugte Photostrom I_ph als durchgezogene bzw. gestrichelte Linie über der Zeit t aufgetragen. Stellt die Steuereinrichtung 46 fest, dass nach einer Periode P einer der Lichtsensoren 36a, 36b kein Messsignal mehr empfängt, geht die Steuereinrichtung 46 davon aus, dass der Scanvorgang gestört ist und das Messlicht nur noch in eine Richtung abgestrahlt wird. Die Steuereinrichtung 46 erzeugt dann wie oben geschildet das Steuersignal für das Schaltrelais 48, um die Stromversorgung der Lichtquelle 16 umgehend zu unterbrechen.
3. Zweites Ausführungsbeispiel
Die 7 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel. Die Überwachungseinrichtung weist hier einen Strahlteiler 70 auf, der einen Teil des Messlichts 29 auf einen Lichtsensor richtet. Dieser ist hier als ortsaufgelöst messender Bildaufnehmer 36' ausgebildet, kann aber selbstverständlich auch wie bei den anderen Ausführungsbeispielen mehrere Photodioden oder andere diskrete lichtempfindliche Bauelemente aufweisen.
Die Scaneinrichtung 28 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel einen Spiegel 72, der von einem Galvanoantrieb in eine Drehschwingung versetzt wird. Infolge der Drehung des Spiegels 72 überstreicht das von dem Zirkulator 26 kommende und im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer optischen Faser 74 austretende und durch eine Linse 76 kollimierte Messlicht periodisch einen vorgegebenen Winkelbereich in der Scanebene.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019210999 A1 [0006]
US 2021/0026014 A1 [0006]
EP 20176355 [0037]
DE 102020110142 A1 [0037]

Claims

Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit einer Lichtquelle (16), die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz zu erzeugen, einer Scaneinrichtung (28), die dazu eingerichtet ist, Messlicht (29) in unterschiedliche Richtungen zu lenken, wobei das Messlicht (29) durch einen ersten Teil des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals gebildet wird, einen Detektor (32), der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung von Referenzlicht und von reflektiertem Licht zu erfassen, wobei das Referenzlicht durch einen zweiten Teil des von der Lichtquelle (16) erzeugten optischen Signals gebildet wird, der nicht der Scaneinrichtung (28) zugeführt wird, und wobei das reflektierte Licht von dem Messlicht (29) gebildet wird, nachdem dieses an dem Objekt (12) zumindest teilweise reflektiert wurde, eine Auswerteeinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, aus der von dem Detektor (32) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12) zu bestimmen, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung mit einem Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36'), der im Lichtweg des ausgesendeten Messlichts (29) hinter der Scaneinrichtung (28) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Scanbewegung des ausgesendeten Messlichts (29) zu erfassen, und mit einer Abschalteinrichtung (38), die mit dem Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36') und der Lichtquelle (16) verbunden und dazu eingerichtet ist, die Lichtquelle (16) abzuschalten oder auf andere Weise ein Aussenden von Messlicht (29) zu verhindern, wenn der Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36') keine Scanbewegung des Messlichts (29) erfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (36a, 36b) so angeordnet ist, dass er pro Scanzyklus nur einmal dem Messlicht (29) ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtsensoren (36a, 36b) um ein Feld herum angeordnet sind, das von dem Messlicht (29) während eines Scanvorgangs überstrichen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung einen Strahlteiler (70) aufweist, der einen Teil des Messlichts (29) auf den Lichtsensor (36') richtet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor einen ortsaufgelöst messenden Bildaufnehmer (36') aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (38) ein Schaltrelais (48) oder einen sicheren Halbleiterschalter aufweist, das bzw. der dazu eingerichtet ist, die Stromversorgung der Lichtquelle (16) in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu unterbrechen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scaneinrichtung eine optische Verteilmatrix (M), die mehrere optische Schalter (S11, S21, S22) und/oder optische Verzweiger aufweist und dazu eingerichtet ist, das Messlicht (29) gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (58) zu verteilen, und eine Ablenkoptik (64) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das aus den optischen Ausgangswellenleitern (58) austretende Messlicht so abzulenken, dass es in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scaneinrichtung (28) ein drehbar gelagertes optisches Element (72) aufweist, das eine reflektierende Fläche hat.
Verfahren (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), umfassend die folgenden Schritte: a) Erzeugen eines optischen Signals mit einer variierenden Frequenz; b) Lenken von Messlicht (29) in unterschiedliche Richtungen, wobei das Messlicht durch einen ersten Teil des optischen Signals gebildet wird; c) Erfassen einer Überlagerung von Referenzlicht und von reflektiertem Licht, wobei das Referenzlicht durch einen zweiten Teil des optischen Signals gebildet wird, der nicht in unterschiedliche Richtungen gelenkt wird, und wobei das reflektierte Licht von dem Messlicht gebildet wird, nachdem dieses an dem Objekt zumindest teilweise reflektiert wurde; d) Bestimmen eines Abstands zu dem Objekt (12) aus der in Schritt c) erfassten Überlagerung; e) Erfassen einer Scanbewegung des ausgesendeten Messlichts (29) mit einem Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36'); f) Verhindern, dass Messlicht (29) ausgesendet wird, sobald der Lichtsensor (36; 36a, 36b; 36') in Schritt e) keine Scanbewegung des Messlichts mehr erfasst.