DE102021130611A1

DE102021130611A1 - Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt

Info

Publication number: DE102021130611A1
Application number: DE102021130611.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Horn
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: KR20240033054A; WO2023094085A1; CN117859071A; EP4352537A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12) erzeugt eine Lichtquelle (16) ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz. Das optische Signal wird von einer Verteilmatrix (M) gleichzeitig mehrere optische Ausgangswellenleiter (38) verteilt und von Freiraumkopplern (40) als Lichtstrahlen (L11 bis L14; R1 bis R4) in den Freiraum ausgekoppelt. Eine Ablenkoptik (44) lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern (38) austretenden optischen Signale so ab, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden. Ein Detektor (32) erfasst eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde. Aus der Überlagerung errechnet eine Auswerteeinrichtung (34) den Abstand zu dem Objekt (12). Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Strahlverschiebeeinheit mit einem Aktor (54; 62) zur Erzeugung einer Bewegung auf. Der Aktor versetzt die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen (R1 bis R4) zeitweise gemeinsam, bevor sie auf die Ablenkoptik (44) auftreffen. Dadurch wird die Auflösung der Messung erhöht.

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. Solche Vorrichtungen können beispielsweise bei autonom fahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden und photonisch integrierte Schaltkreise (PIC, Photonic Integrated Circuit) enthalten, 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 einer Messvorrichtung 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 die Signale zurück zur Messvorrichtung und werden mit einem Signal überlagert, das nicht abgestrahlt wurde und deswegen als lokaler Oszillator bezeichnet wird. Aufgrund des zurückgelegten Lichtwegs hat das reflektierte Signal eine etwas andere Frequenz als das nicht abgestrahlte Signal. Bei Überlagerung der beiden Signale entsteht eine vergleichsweise niedrigfrequente Schwebungsfrequenz, die von einem Detektor der Messvorrichtung erfasst und zur Berechnung des Abstands zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt verwendet wird. Wenn zusätzlich die Doppler-Verschiebung berücksichtigt wird, lässt sich auch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Scanner und dem Objekt berechnen.
Auf diesem Messprinzip beruhende Messvorrichtungen 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 davon abhängt, wie zuverlässig ein dreidimensionales Abbild der Umgebung mit ausreichend hoher Auflösung erzeugt werden kann.
Deswegen werden zumindest für das Scannen in horizontalen Ebenen Messvorrichtungen präferiert, die ohne rotierende Scanspiegel oder andere bewegliche Bauteile auskommen. Bei solchen Lösungen, wie sie beispielsweise in der US 2017/0371227 A1 und der US 2019/0377135 A1 beschrieben sind, verteilt eine Verteilmatrix mit mehreren baumartig angeordneten aktiven oder passiven Verzweigern die FMCW-Signale auf unterschiedliche Freiraumkoppler. Eine Ablenkoptik, in deren Brennebene die Freiraumkoppler angeordnet sind, kollimiert die aus den Freiraumkopplern austretenden optischen Signale und strahlt sie in unterschiedliche Richtungen ab.
Um die benötigte hohe räumliche Auflösung in der Horizontalen zu erreichen, müssen bei diesen bekannten Lösungen sehr viele Freiraumkoppler auf engstem Raum angeordnet sein. Dies stößt jedoch rasch an technologische Grenzen. Selbst wenn die Auflösung erzielbar ist, führt die extrem hohe Integrationsdichte zu hohem Ausschuss bei der lithographischen Herstellung, was sich ungünstig auf die Stückkosten auswirkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt anzugeben, mit dem sich kostengünstig eine hohe räumliche Auflösung erzielen lässt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt gelöst, die eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz zu erzeugen. Die Vorrichtung weist außerdem eine Verteilmatrix auf, die dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig auf mehrere optische Ausgangswellenleiter zu verteilen. Die Vorrichtung enthält ferner mehrere Freiraumkoppler, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und dazu eingerichtet sind, die in den Ausgangswellenleitern geführten optischen Signale als Lichtstrahlen in den Freiraum auszukoppeln. Eine Ablenkoptik der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung abgestrahlt werden. Ein Detektor erfasst eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert wurde. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, aus der von dem mindestens einen Detektor erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ferner eine Strahlverschiebeeinheit auf, die einen Aktor zur Erzeugung einer Bewegung aufweist und dazu eingerichtet ist, die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen zeitweise gemeinsam - und zwar vorzugsweise parallel - zu versetzen, bevor sie auf die Ablenkoptik auftreffen.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass in Messvorrichtungen, die auf dem FMCW-LiDAR-Prinzip beruhen, ein dreidimensionales Abbild der Umgebung nicht instantan erhalten wird, sondern das Ergebnis eines Scanprozesses ist. Das dreidimensionale Abbild wird somit sukzessive aufgebaut, auch wenn zu einem gegebenen Zeitpunkt gleichzeitig mehrere Lichtstrahlen auf das Objekt gerichtet werden. Dieser sukzessive Bildaufbau ermöglicht es, dem Scanvorgang eine mechanische Bewegung zu überlagern, die zu einem vorzugsweise parallelen Versatz der aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen führt. Ein Versatz der Lichtstrahlen um ein durch die Bewegung vorgegebenes Maß führt zu anderen Abstrahlwinkeln hinter der Ablenkoptik. Die Lichtstrahlen treffen folglich vor und nach dem Versatz an unterschiedlichen Punkten auf dem Objekt auf. Die Strahlverschiebeeinheit kann dadurch so angesteuert werden, dass auf dem Objekt Punkte mit einer Rasterdichte abgetastet werden, die doppelt so hoch ist wie bei einer Messvorrichtung ohne Strahlverschiebeeinheit. Eine solche Verdoppelung der Auflösung ließe sich ansonsten nur mit einer entsprechenden Erhöhung der Integretationsdichte auf dem photonisch integrierten Schaltkreis oder unter Inkaufnahme sehr hoher Kosten erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Aktor ein Translationsaktor, der dazu eingerichtet ist, das Substrat mit den darauf angeordneten Freiraumkopplern zu bewegen. Durch eine Bewegung des Substrats wird die Relativposition des Substrats zur Ablenkoptik verändert, was zu anderen Abstrahlwinkeln führt. Alternativ dazu kann die Ablenkoptik bewegt werden. Dies ist aber mechanisch aufwendiger, da die Ablenkoptik normalerweise ein höheres Gewicht als der photonisch integrierte Schaltkreis mit den Freiraumkopplern hat.
Vorzugsweise wird das Substrat translatorisch entlang einer Translationsrichtung hin- und her bewegt, die senkrecht zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen verläuft. Die Freiraumkoppler werden dadurch in der Brennebene der Ablenkoptik lateral versetzt, wodurch sich das Winkelspektrum der abgestrahlten Lichtstrahlen entsprechend verändert. Die translatorische Bewegung kann aber auch eine Komponente entlang der Austrittsrichtung der Lichtstrahlen enthalten, wie dies in der DE 10 2021 111 949 A1 offenbart ist. Für die Bewegung des Substrats kommen somit nicht nur lineare, sondern auch kreis- oder ellipsenförmige Trajektorien in Betracht.
Im Prinzip denkbar ist ferner, das Substrat zu drehen. Gegenüber einer Translationsbewegung entstehen dabei aber komplizierte und unter Umständen unerwünschte Winkelveränderungen hinter der Ablenkoptik.
Die Bewegung des Substrats kann intermittierend oder kontinuierlich sein. Unter einer intermittierenden Bewegung wird dabei eine Bewegung verstanden, bei der zwei oder mehr Zielpositionen ruckartig angefahren werden und das Substrat an den jeweiligen Zielpositionen kurzzeitig zum Stillstand kommt.
Um die dabei auftretenden hohen Beschleunigungen zu vermeiden, ist es häufig günstiger, mit dem Translationsaktor kontinuierliche Bewegungen zu erzeugen. Besonders günstig sind in diesem Zusammenhang harmonische Schwingungen, die auf die Eigenfrequenz des Substrats abgestimmt sein können. Insbesondere kann der Translationsaktor dazu eingerichtet sein, das Substrat in eine oszillierende Bewegung entlang der Translationsrichtung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz zu versetzen. Die Oszillationsfrequenz sollte dabei auf die Scanfrequenz abgestimmt sein, mit der die Lichtstrahlen das Objekt abtasten.
Der Translationsaktor kann beispielsweise einen Tauchspulenantrieb aufweisen, der an dem Substrat angreift. Alternativ ist auch die Verwendung von piezoelektrischen Aktoren möglich.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Strahlverschiebungseinheit eine für die Lichtstrahlen transparente Planplatte auf. Der Aktor ist ein Drehaktor, der dazu eingerichtet ist, die Planplatte zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse zu bewegen, die in einem Winkel - vorzugsweise von 90° - zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen verläuft. Eine Planplatte, die im Strahlengang der Lichtstrahlen verkippt angeordnet ist, bewirkt einen parallelen Versatz der Lichtstrahlen, der mit zunehmendem Kippwinkel größer wird. Da die Lichtstrahlen nur um einen kleinen Betrag lateral versetzt werden müssen, um die Auflösung zu erhöhen, kann die Planplatte dünn sein. Dadurch kann bei diesem Ausführungsbeispiel die zu bewegende Masse kleiner sein als bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel, bei dem der gesamte photonisch integrierte Schaltkreis bewegt wird.
Vorzugsweise ist die Verteilmatrix eine Schaltmatrix mit mehreren optischen Schaltern und dazu eingerichtet, das optische Signal wahlweise auf die mehreren optischen Ausgangswellenleiter zu verteilen. Auf diese Weise kann die von der Lichtquelle erzeugte optische Leistung auf wenige gleichzeitig aktive optische Kanäle konzentriert werden. Vorzugsweise ist dann eine Steuereinrichtung vorzusehen, die dazu eingerichtet ist, die optischen Schalter der Schaltmatrix mit einem von der Strahlverschiebeeinheit bewirkten Versatz der Lichtstrahlen zu synchronisieren. Die Steuereinrichtung übernimmt somit die Koordination der beiden zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade, nämlich die Wahl der über die Schaltmatrix aktivierten Freiraumkoppler einerseits und die Wahl des Kippwinkels der Planplatte andererseits.
Die Verteilmatrix kann aber auch ausschließlich passive Strahlteiler enthalten, so dass das optische Signal gleichzeitig auf alle optischen Ausgangswellenleiter verteilt wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn jedem Ausgangswellenleiter ein individuell ansteuerbarer Lichtverstärker zugeordnet ist. Dadurch können auch mit passiven Strahlteilern einzelne Kanäle gezielt angesteuert werden.
Vorzugsweise ist jeder Freiraumkoppler dazu eingerichtet, ein von der Lichtquelle erzeugtes optisches Signal, das dem Freiraumkoppler von einem mit dem Freiraumkoppler verbundenen Ausgangswellenleiter zugeführt wurde und aus dem Freiraumkoppler ausgetreten ist, nach Reflexion an dem Objekt wieder als optisches Messsignal in den gleichen Ausgangswellenleiter einzukoppeln. Alternativ kommt jedoch auch in Betracht, für den Empfang der reflektierten optischen Signale eigene Freiraumkoppler vorzusehen, die über separate Eingangswellenleiter die empfangenen optischen Signale dem Detektor zuführen.
Vorzugsweise sind die Freiraumkoppler alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Wird nur entlang einer Richtung gescannt, liegen die Freiraumkoppler auf einer Geraden.
Die Lichtquelle ist üblicherweise als Laserlichtquelle ausgebildet, die kohärentes Licht erzeugt. Dadurch kann es auf Objekten mit rauer Oberfläche zur Ausbildung von Specklemustern kommen mit der Folge, dass von einigen Abtastpunkten auf der Oberfläche aufgrund destruktiver Interferenz kein Licht empfangen werden kann.
Um solche Specklemuster zu vermeiden, kann die Strahlverschiebeeinheit dazu eingerichtet sein, der Bewegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden zu überlagern. Diese überlagerte Bewegung führt dazu, dass die Lichtstrahlen sich beim Auftreffen auf das Objekt geringfügig und kontinuierlich lateral bewegen. Während zur Erhöhung der Auflösung die Lichtstrahlen auf andere Punkte auf das Objekt gerichtet werden, haben die überlagerten Bewegungen eine so kleine Amplitude, dass die Lichtstrahlen zwar im Wesentlichen auf den gleichen Objektpunkt gerichtet bleiben, diesen aber so überstreichen, dass kein benachbarter Objektpunkt im Scanraster erreicht wird. Durch diese kleinen Bewegungen, die vorgegebenen Funktionen folgen oder (quasi-)zufällig sein können, lässt sich erreichen, dass das reflektierte Laserlicht zumindest zeitweise konstruktiv interferiert, wenn es von der Vorrichtung empfangen wird.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Erzeugen eines optisches Signals mit einer variierenden Frequenz;
b) Verteilen des optischen Signals auf mehrere optische Ausgangswellenleiter;
c) Auskoppeln der in den Ausgangswellenleitern geführten optischen Signale als Lichtstrahlen in den Freiraum mit Hilfe von Freiraumkopplern, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind;
d) Ablenken der aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden;
e) Erfassen einer Überlagerung des in Schritt a) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das in Schritt d) abgestrahlt und von dem Objekt reflektiert wurde;
f) Bestimmen des Abstands zu dem Objekt aus der in Schritt e) erfassten Überlagerung;

Die oben bezüglich der Vorrichtung erläuterten Vorteile und bevorzugten Ausführungsbeispiele gelten für das Verfahren entsprechend.
So kann bei einem Ausführungsbeispiel das Substrat mit den darauf angeordneten Freiraumkopplern bewegt werden. Insbesondere kann das Substrat translatorisch entlang einer Translationsrichtung hin- und her bewegt werden, die senkrecht zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen verläuft. In diesem Fall kann das Substrat in eine oszillierende Bewegung entlang der Translationsrichtung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz versetzt werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel durchtreten die Lichtstrahlen eine transparente Planplatte, die sich zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse bewegt.
In Schritt b) können die optischen Signale von einer Schaltmatrix mit mehreren optischen Schaltern wahlweise auf die mehreren optischen Ausgangswellenleiter verteilt werden, wobei die optischen Schalter der Schaltmatrix mit einem Versatz der Lichtstrahlen synchronisiert werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Bewegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden zur Vermeidung von Specklemustern überlagert.
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 über der Zeit aufgetragen ist;
5 eine Schaltmatrix und die Ablenkoptik der in der 3 gezeigten Messvorrichtung;
6a bis 6c einen Ausschnitt aus der in der 3 gezeigten Messvorrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Substrat mit Freiraumkopplern translatorisch bewegt wird;
7a bis 7c einen Ausschnitt aus der in der 3 gezeigten Messvorrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Planplatte verkippt wird;
8 eine schematische und an die 5 angelehnte Darstellung von Teilen der der Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
9 eine Draufsicht auf die in der 1 gezeigte Messvorrichtung, bei der die Lichtstrahlen kleine Bewegungen zur Vermeidung von Specklemustern ausführen; und
9 einen Graphen, in dem die x-Koordinate des Substrats über der Zeit aufgetragen ist.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Anwendungsbeispiel
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, um Abstandswerte zu erhalten. Aus den Abstandswerten wird ein dreidimensionales Bild der Umgebung rekonstruiert. 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 und 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 Messvorrichtung 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 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.
2. Messvorrichtung
3 zeigt schematisch den Aufbau der Messvorrichtung 14 gemäß einem 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 ƒ_chirp erzeugt. Wie die 4 illustriert, variiert („chirps“) die Frequenz ƒ_chirp periodisch über der Zeit t zwischen einer niedrigeren Frequenz ƒ_l und einer höheren Frequenz ƒ_h.
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_chrip 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.
Wie aus der 3 hervorgeht, ist die Lichtquelle 16 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. 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 Messvorrichtung 14, wo es wieder in die Ablenkeinheit 28 einkoppelt.
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 Schaltmatrix M, in der mehrere optische Schalter S11, S21 und S22 baumartig angeordnet sind. Mithilfe der optischen Schaltmatrix M können optische Signale, die an einem Eingang 36 der Schaltmatrix M eingehen, sukzessive auf mehrere Ausgangswellenleiter 38 verteilt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit weist die optische Schaltmatrix M im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich drei optische Schalter auf, sodass insgesamt vier Ausgangswellenleiter 38 angesteuert werden können. In realen Messvorrichtungen 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 Schaltmatrix M noch vor dem Verstärker 24 oder zwischen dem Verstärker 24 und dem Zirkulator 26. Alternative Ausgestaltungen für die Einbindung von Schaltmatrizen 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 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.
3. Substratbewegung
Die 6a zeigt einen Ausschnitt aus der Ablenkeinheit 28 in einer ebenfalls schematischen Darstellung. Erkennbar ist ein Substrat 46, das acht Ausgangswellenleiter 38 trägt, die jeweils in einen Freiraumkoppler 40 münden. Die Freiraumkoppler sind dabei entlang einer Linie angeordnet. Die Ablenkoptik 44 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei asphärische Linsen L1 und L2.
An dem Substrat 46 greift seitlich ein Translationsaktor 54 an, der beispielsweise als Tauchspulenantrieb ausgebildet sein kann. Der Translationsaktor 54 wirkt mit einer oder mehreren Führungen 56 zusammen, die auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 46 angeordnet sind. Die Führungen 56 stellen sicher, dass das Substrat 46 ausschließlich laterale, d.h. senkrecht zur optischen Achse 42, gerichtete Translationsbewegungen ausführen kann. Die vom Translationsaktor 54 bewirkten Hin- und Her-Bewegungen sind in der 6a durch einen Doppelpfeil 58 angedeutet.
Bei dem in der 6a gezeigten Schaltzustand der Schaltmatrix M tritt aus zwei Freiraumkopplern 40 Licht aus, was durch zwei zunächst divergierende Lichtstrahlen R1, R2 angedeutet ist. Wie oben bereits erwähnt wurde, kollimiert die Ablenkoptik 44 die Lichtstrahlen R1, R2, so dass diese parallel, aber bezüglich der optischen Achse 42 geneigt die Ablenkoptik 44 verlassen.
Die 6b zeigt die in der 6a wiedergegebene Anordnung im gleichen Schaltzustand, aber nach einem lateralen Versatz des Substrats 46 um einen Betrag Δx, der von dem Translationsaktor 54 bewirkt wurde. Der Versatz Δx entspricht dabei dem halben Abstand (engl. pitch) zwischen den Freiraumkopplern 40. Infolge dieser Bewegung werden die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen R1', R2' parallel versetzt. In der 6a sind die vor dem lateralen Versatz aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen R1, R2 mit gepunkteten Linien angedeutet.
Die versetzten Lichtstrahlen treten aus der Ablenkoptik 44 unter einem anderen Winkel aus, wie dies in der 6b rechts erkennbar ist. Für den Lichtstrahl R1' bedeutet der Versatz, dass er näher an der optischen Achse 42 austritt, so dass der Austrittswinkel aus der Ablenkoptik 44 kleiner wird. Für den Lichtstrahl R2' liegen die Verhältnisse umgekehrt (nicht dargestellt), d.h. der Austrittswinkel wird größer. Durch den lateralen Versatz des Substrats 46 werden also zwei zusätzliche Austrittswinkel erzeugt, die man allein mit Hilfe der Schaltmatrix M nicht erhalten kann.
Die 6c zeigt die in der 6b wiedergegebene Anordnung, nachdem mit Hilfe des Translationsaktor 54 das Substrat wieder in seine in der 6a gezeigte Ausgangsposition überführt wurde. Dies entspricht einer Bewegung um die Strecke -Δx. Die Schaltmatrix M befindet sich nun aber im nächsten Schaltzustand. Wie sich aus einem Vergleich der 6a und 6c ergibt, wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die Schaltmatrix M so angesteuert, dass die Ausgangswellenleiter 38 sukzessive von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite durchgeschaltet werden, wobei immer jeder vierte Ausgangswellenleiter 38 Licht führt. Die nun austretenden Lichtstrahlen R1" und R2" haben wieder andere Austrittswinkel als die Lichtstrahlen R1, R2, R1' und R2'.
Durch die in der 6b gezeigte Zwischenstellung, die allein durch Bewegen des Substrats 46 bewirkt wird, entsteht somit ein virtueller zusätzlicher Schaltzustand, bei dem die Strahlen R1', R2' scheinbar von Freiraumkopplern 40' abgestrahlt werden, die zwischen den in den 6a und 6c gezeigten Freiraumkopplern 40 angeordnet sind. Mit anderen Worten führt die Bewegung des Substrats 46 senkrecht zur optischen Achse 42 dazu, dass scheinbar doppelt so viele Freiraumkoppler (Freiraumkoppler 40 und Freiraumkoppler 40') zur Verfügung stehen, wie sie eigentlich vorhanden sind. Auf diese Weise wird die Auflösung der Messvorrichtung 14 verdoppelt, ohne dass die Zahl der Ausgangswellenleiter 38 und der Freiraumkoppler 40 erhöht werden muss. Die Verdoppelung der Auflösung wird allein durch den geringfügigen Versatz um die Strecke Δx erzielt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Substrat 46 intermittierend hin- und herbewegt, wobei bei jeder zweiten Bewegung der Schaltzustand der Schaltmatrix M verändert wird. Es sind aber auch andere Schemata denkbar, da es im Allgemeinen nicht darauf ankommt, in welcher Reihenfolge die Lichtstrahlen auf das Objekt 12 gerichtet werden. Entscheidend ist allein, ob innerhalb eines Scanzyklus alle im Abtastraster liegenden Punkte auf dem Objekt 12 abgetastet werden.
Möglich ist es daher beispielsweise auch, zuerst der Reihe nach die Freiraumkoppler 40 mithilfe der Schaltmatrix M durchzuschalten und erst dann das Substrat 46 mithilfe des Translationsaktors 54 zu versetzen. Nach diesem Versatz werden alle Freiraumkoppler 40 erneut durchgeschaltet, wobei nun jedoch die in der 6b gezeigten Zwischenstellungen angefahren werden. Ein solches Schaltschema benötigt weniger Bewegungen des Substrats 46 und ist deswegen in vielen Fällen vorteilhaft.
Der Translationsaktor 54 kann das Substrat 46 auch in eine harmonische Schwingung versetzen, die in der gewünschten Weise (d.h. abhängig vom gewählten Schaltschema) mit den optischen Schaltern der Schaltmatrix M synchronisiert ist. Der Translationsaktor 54 und die Schaltmatrix M sind zu diesem Zweck vorzugsweise mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung 59 verbunden.
4. Verkippte Planplatte
Die 7a, 7b und 7c zeigen in an die 6a bis 6c angelehnten Darstellungen ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein paralleler Versatz der aus den Freiraumkopplern 40 austretenden Lichtstrahlern R1, R2 nicht durch eine Bewegung des Substrats 46, sondern durch Verkippen einer für die Lichtstrahlen R1, R2 transparenten Planplatte 60 bewirkt wird, die zwischen dem Substrat 46 und der Ablenkoptik 44 angeordnet ist. Falls die Ablenkoptik 44 über eine Zwischenbildebene verfügt, kann die Planplatte 60 auch dort angeordnet sein.
Die Planplatte 60 ist mithilfe eines lediglich schematisch angedeuteten Drehaktors 62 um eine Drehachse 63 verkippbar, die in einem Winkel von 90° zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen R1, R2 und damit parallel zur optischen Achse 42 verläuft.
Die 7b illustriert, wie durch eine Verkippung der Planplatte 60 um einen kleinen Winkel die Strahlen R1', R2' parallel versetzt werden und dadurch unter einem anderen Winkel aus der Ablenkoptik 44 austreten. Mit gepunkteten Linien ist der Strahlengang der Strahlen R1, R2 für den unverkippten Zustand gemäß der 7a zum Vergleich gezeigt. Aus dem strichpunktierten Strahlengang wird deutlich, dass die aus der verkippten Planplatte 60 austretenden Strahlen R1', R2' von einem virtuellen Freiraumkoppler 40' zu kommen scheinen, der sich zwischen zwei benachbarten Freiraumkopplern 40 befindet.
Durch die Verkippung der Planplatte 60 wird somit im Wesentlichen der gleiche Effekt erzielt wie durch den lateralen Versatz des Substrats 46 beim ersten Ausführungsbeispiel. Dementsprechend sind auch hier unterschiedliche Schaltschemata möglich. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 7a bis 7c wurde das gleiche Schaltschema zugrunde gelegt wie bei den 6a bis 6c. Der Schaltzustand der Schaltmatrix M wechselt somit nach jeder zweiten Kippbewegung der Planplatte 60.
Das Zusammenwirken der Schaltmatrix M und der Planplatte 60 ist nochmals in der der schematischen 8 illustriert. Die möglichen Lichtwege der austretenden Lichtstrahlen R1 bis R4 sind bei unverkippter Planplatte 60 mit durchgezogenen Linien angedeutet. Wird die Planplatte 60 verkippt, werden die austretenden Lichtstrahlen lateral versetzt. Der Kippwinkel der Planplatte 60 ist bei dem in der 8 gezeigten Ausführungsbeispiel so gewählt, dass der Versatz der Hälfte des lateralen Abstands der Lichtstrahlen R1 bis R4 beträgt. Auf diese Weise wird die Winkelauflösung hinter der Ablenkoptik 44 so verdoppelt, dass ein gleichmäßiges Winkelspektrum erzielt wird.
5. Vermeidung von Specklemustern
Aufgrund der Kohärenz der FMCW-Lichtquelle 16 kann es auf Objekten mit rauer Oberfläche zur Ausbildung von Specklemustern kommen. Von einigen Abtastpunkten auf der Oberfläche kann dann aufgrund destruktiver Interferenz kein Licht empfangen werden.
Derartige Specklemuster lassen sich vermeiden, wenn die ausgesandten Lichtstrahlen während der Messung nicht statisch auf den gewünschten Abtastpunkte gerichtet werden, sondern kleine Bewegungen vollführen, so dass die ausgeleuchteten Lichtflecken über den jeweiligen Abtastpunkt auf der Oberfläche wandern. Die 9 zeigt dies in einer an die 2 angelehnten Darstellung. Die Lichtstrahlen L11 bis L14 sind nicht stationär, sondern wandern über die Messpunkte des gewünschten Messpunktrasters, wie dies durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
Solche sich geringfügig bewegenden Lichtstrahlen L11 bis L14 können erzeugt werden, wenn der oben geschilderten Bewegung des Substrats 46 oder der Planplatte 60 eine weitere Bewegung mit kleinerer Amplitude überlagert wird. Diese überlagerte Bewegung führt dazu, dass die Lichtstrahlen L11 bis L14 sich beim Auftreffen auf das Objekt 12 geringfügig und kontinuierlich lateral bewegen, wie dies die 9 illustriert.
In dem Graphen der 10 ist beispielhaft die x-Koordinate des Substrats 46, die von dem Translationsaktor 54 bei dem in den 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel verändert wird, als Funktion der t Zeit aufgetragen. Man erkennt, dass die x-Koordinate zwischen den Werten x₁ und x₂ intermittierend wechselt, wobei der Versatz Δx gegeben ist durch x₂ - x₁. Dieser Bewegung ist eine weitere Bewegung mit deutlich kleinerer maximaler Amplitude Δx' überlagert, die der Vermeidung von Specklemustern dient. Diese Bewegung kann einer vorgegebenen Funktion folgen oder - wie in der 10 angedeutet - (pseudo-)zufällig sein. Vorzugsweise gilt für die Amplitude Δx' dieser überlagerten Bewegung die Beziehung |Δx'| ≤ 1/100 |Δx|, vorzugsweise |Δx| ≤ 1/1000 |Δx|.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0371227 A1 [0004]
US 2019/0377135 A1 [0004]
DE 102021111949 A1 [0010]
EP 20176355 [0039]
DE 102020110142 A1 [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 einer variierenden Frequenz zu erzeugen, einer Verteilmatrix (M), die dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (38) zu verteilen, mehreren Freiraumkopplern (40), die auf einem gemeinsamen Substrat (46) angeordnet und dazu eingerichtet sind, die in den Ausgangswellenleitern (38) geführten optischen Signale als Lichtstrahlen (L11 bis L14; R1 bis R4) in den Freiraum auszukoppeln, einer Ablenkoptik (44), die dazu eingerichtet ist, die aus den optischen Ausgangswellenleitern (38) austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden, mindestens einem Detektor (32), der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal zu erfassen, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde, 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 Strahlverschiebeeinheit aufweist, die einen Aktor (54; 62) zur Erzeugung einer Bewegung aufweist und dazu eingerichtet ist, die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen (R1 bis R4) zeitweise gemeinsam zu versetzen, bevor sie auf die Ablenkoptik (44) auftreffen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Translationsaktor (54) ist, der dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) mit den darauf angeordneten Freiraumkopplern (40) zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Translationsaktor (54) dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) translatorisch entlang einer Translationsrichtung (x) hin- und her zu bewegen, die senkrecht zu einer Austrittsrichtung (z) der Lichtstrahlen verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Translationsaktor (54) dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) in eine oszillierende Bewegung entlang der Translationsrichtung (x) mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz zu versetzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Translationsaktor (48) einen Tauchspulenantrieb (520, 54) aufweist, der an dem Substrat (46) angreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlverschiebeeinheit eine für die Lichtstrahlen transparente Planplatte (60) aufweist und dass der Aktor ein Drehaktor (62) ist, der dazu eingerichtet ist, die Planplatte (60) zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse (63) zu bewegen, die in einem Winkel zu einer Austrittsrichtung (z) der Lichtstrahlen (R1, R2) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilmatrix eine Schaltmatrix (M) mit mehreren optischen Schaltern (S111, S21, S22) und dazu eingerichtet ist, das optische Signal wahlweise auf die mehreren optischen Ausgangswellenleiter (38) zu verteilen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (59), die dazu eingerichtet ist, die optischen Schalter (S11, S21, S22) der Schaltmatrix (M) mit einem von der Strahlverschiebeeinheit bewirkten Versatz der Lichtstrahlen (R1, R2) zu synchronisieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumkoppler (40) in einer Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlverschiebeeinheit dazu eingerichtet ist, der Bewegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden (Δx') zur Vermeidung von Specklemustern zu überlagern.
Verfahren (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), wobei das Verfahren die folgenden Schritt aufweist: a) Erzeugen eines optisches Signals mit einer variierenden Frequenz; b) Verteilen des optischen Signals auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (38); c) Auskoppeln der in den Ausgangswellenleitern (38) geführten optischen Signale als Lichtstrahlen in den Freiraum mit Hilfe von Freiraumkopplern (40), die auf einem gemeinsamen Substrat (46) angeordnet sind; d) Ablenken der aus den optischen Ausgangswellenleitern (38) austretenden optischen Signale so, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden; e) Erfassen einer Überlagerung des in Schritt a) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das in Schritt d) abgestrahlt und von dem Objekt (12) reflektiert wurde; f) Bestimmen des Abstands zu dem Objekt (12) aus der in Schritt e) erfassten Überlagerung; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen zweitweise gemeinsam versetzt werden, bevor sie in Schritt d) abgelenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (46) mit den darauf angeordneten Freiraumkopplern (40) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen eine transparente Planplatte (60) durchtreten, die sich zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse (59) )bewegt, die in einem Winkel zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen (R1, R2) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden (Δx') zur Vermeidung von Specklemustern überlagert wird.