DE102022104626B4

DE102022104626B4 - Lissajous-abtastsysteme sowie verfahren zur erzeugung rechteckiger 2d-muster mit lissajous-abtastung

Info

Publication number: DE102022104626B4
Application number: DE102022104626.5A
Authority: DE
Inventors: Boris KIRILLOV
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2042-02-26
Also published as: CN115015961A; US20220283429A1; US11493752B2; DE102022104626A1

Abstract

Ein Lissajous-Abtastsystem (100A), umfassend:einen Sender (10), der so ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal sendet, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird;eine erste Oszillatorstruktur (12x), die so ausgebildet ist, dass sie um eine erste Rotationsachse (13x) oszilliert;eine zweite Oszillatorstruktur (12y), die so ausgebildet ist, dass sie um eine zweite Rotationsachse (13y) oszilliert;eine Antriebsschaltung (25x, 25y), die so ausgebildet ist, dass sie ein erstes Antriebssignal erzeugt, um die erste Oszillatorstruktur (12x) um die erste Rotationsachse (13x) mit einer ersten Treiberfrequenz (f1) zu treiben, und ein zweites Antriebssignal erzeugt, um die zweite Oszillatorstruktur (12y) um die zweite Rotationsachse (13y) mit einer zweiten Treiberfrequenz (f2) zu treiben; undeine Steuerung (23), die so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die erste und die zweite Oszillatorstruktur (12x, 12y) zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen,wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie die erste Antriebsfrequenz und die zweite Antriebsfrequenz so auswählt, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen:f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist,wobei die Steuerung (23) ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und das Auslösesignal auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten erzeugt,wobei die Steuerung (23) ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten (ti) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:ti=2i+18∗FR∗F1F2, wobei F1=ƒ1FR,F2=ƒ2FR,i=0,1,2…(4F1F2−1).

Description

HINTERGRUND
Die Lissajous-Abtastung ist eine Art der Abtastung, die u. a. in Display-Anwendungen, Lichtabtastungsanwendungen und Lichtlenkungsanwendungen eingesetzt wird. Die Lissajous-Abtastung kann zum Beispiel in Displays, LIDAR (Light Detection and Ranging) und Autoscheinwerfern verwendet werden, bei denen die Lichtstrahlen von einem Abtastsystem nach einem Lissajous-Muster gelenkt werden. Eine bespielhafte Projektionsvorrichtung zum scannenden Projizieren, welche Lissajous-Abtastung nutzt, wird in der Druckschrift DE 10 2007 011 425 A1 vorgeschlagen.
Die Lissajous-Abtastung erfolgt typischerweise durch zwei Resonanz-Abtastachsen, die jeweils bei einer konstanten Abtastfrequenz mit einem definierten Frequenzverhältnis/einer definierten Frequenzdifferenz dazwischen angesteuert werden, die ein bestimmtes Lissajous-Muster und eine bestimmte Rahmenrate (frame rate) bildet. Bislang führt das Lissajous-Scannen jedoch zur Erzeugung zufälliger unregelmäßiger Muster, nicht rechtwinkliger Muster und/oder nicht maximierter Musterdichte. Dementsprechend wurde die Lissajous-Abtastung nicht für empfindliche Anwendungen wie LIDAR optimiert, die regelmäßige, dichte Muster erfordern. Bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie z. B. LIDAR, könnte dies zu geringeren Auflösungen oder Datenlücken führen.
Daher wäre ein verbessertes System und Verfahren wünschenswert, das in der Lage ist, ein dichtes, rechteckiges, wiederholbares Muster mit Lissajous-Abtastung zu erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht möglicherweise Bedarf an einem verbesserten Konzept für ein Lissajous-Abtastsystem und ein Verfahren zur Lissajous-Abtastung.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein Lissajous-Abtastsystem bereit, umfassend: einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal (trigger signal) sendet, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; eine erste Oszillatorstruktur, die so ausgebildet ist, dass sie um eine erste Rotationsachse oszilliert; eine zweite Oszillatorstruktur, die so ausgebildet ist, dass sie um eine zweite Rotationsachse oszilliert; eine Antriebsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein erstes Antriebssignal erzeugt, um die erste Oszillatorstruktur um die erste Rotationsachse mit einer ersten Treiberfrequenz (f1) zu treiben, und ein zweites Antriebssignal erzeugt, um die zweite Oszillatorstruktur um die zweite Rotationsachse mit einer zweiten Treiberfrequenz (f2) zu treiben; und eine Steuerung, die so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die erste und die zweite Oszillatorstruktur zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen,
wobei die Steuerung so ausgebildet ist, dass sie die erste Antriebsfrequenz und die zweite Antriebsfrequenz so auswählt, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen:
f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist,
wobei die Steuerung ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und
das Auslösesignal auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten erzeugt,
wobei die Steuerung ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten (ti) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1)$
Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein Lissajous-Abtastsystem bereit, umfassend einen Sender, der so ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal sendet, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; eine Oszillatorstruktur, die so ausgebildet ist, dass sie um eine erste Rotationsachse oszilliert und um eine zweite Rotationsachse oszilliert; eine Antriebsschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie ein erstes Antriebssignal erzeugt, um die Oszillatorstruktur um die erste Rotationsachse mit einer ersten Treiberfrequenz (f1) zu treiben, und ein zweites Antriebssignal erzeugt, um die Oszillatorstruktur um die zweite Rotationsachse mit einer zweiten Treiberfrequenz (f2) zu treiben; und eine Steuerung, die so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die Oszillationen der Oszillationsstruktur um die erste und die zweite Rotationsachse zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen,
wobei die Steuerung so ausgebildet ist, dass sie die erste Antriebsfrequenz und die zweite Antriebsfrequenz so auswählt, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen:
f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist,
wobei die Steuerung ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und
das Auslösesignal auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten erzeugt,
wobei die Steuerung ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten (ti) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$
Eine oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zur Lissajous-Abtastung bereit, umfassend: Senden einer Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; Antreiben einer ersten Oszillatorstruktur um eine erste Rotationsachse mit einer ersten Antriebsfrequenz (f1) gemäß einem ersten Antriebssignal; Antreiben einer zweiten Oszillatorstruktur um eine zweite Rotationsachse mit einer zweiten Antriebsfrequenz (f2) gemäß einem zweiten Antriebssignal; Steuern des ersten Antriebssignals und des zweiten Antriebssignals, um die erste und die zweite Oszillatorstruktur zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen; Auswählen der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz so, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen: f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null; Bestimmen der Mehrzahl von Zeitpunkten; und Erzeugen des Auslösesignals auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten, wobei die Mehrzahl der Zeitpunkte (ti) bestimmt wird gemäß der folgenden Gleichung: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zur Lissajous-Abtastung bereit, umfassend: Senden einer Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; Antreiben einer Oszillatorstruktur um eine erste Rotationsachse mit einer ersten Antriebsfrequenz (f1) gemäß einem ersten Antriebssignal; Antreiben der Oszillatorstruktur um eine zweite Rotationsachse mit einer zweiten Antriebsfrequenz (f2) gemäß einem zweiten Antriebssignal; Steuern des ersten Antriebssignals und des zweiten Antriebssignals, um die Oszillationen der Oszillatorstruktur um die erste und die zweite Rotationsachse zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen; Auswählen der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz so, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen: f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null; Bestimmen der Mehrzahl von Zeitpunkten; und Erzeugen des Auslösesignals auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten, wobei die Mehrzahl der Zeitpunkte (ti) bestimmt wird gemäß der folgenden Gleichung: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

1A und 1B sind schematische Blockdiagramme von Lissajous-Abtastsystemen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
2 zeigt ein Beispiel für ein resultierendes Lissajous-Muster gemäß den eingestellten Parametern, die in den Lissajous-Abtastsystemen der 1A und 1B implementiert sind;
3A zeigt ein Lissajous-Abtastmuster, das sich aus dem Antrieb von einem oder zwei MEMS-Spiegeln ergibt, die mit einem Laserfeuerungsmuster überlagert sind, das das Lissajous-Abtastmuster entsprechend den berechneten Zeitpunkten gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verfolgt;
3B zeigt das Laserabfeuerungsmuster aus 3A, das ein dichtes, rechteckiges, wiederholbares Echtzeit-Lichtübertragungsmuster zeigt, das gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen hergestellt wurde; und
4 zeigt ein Steuerdiagramm, das von einem Lissajous-Abtastsystem implementiert wird, um ein rechteckiges 2D-Lichtübertragungsmuster mit Lissajous-Abtastung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zu erzeugen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsbeispiele nur darstellenden Zwecken dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollen. Zum Beispiel, während Ausführungsbeispiele möglicherweise derart beschrieben sind, dass sie eine Mehrzahl von Merkmalen oder Elementen aufweisen, soll dies nicht so ausgelegt werden, dass all diese Merkmale oder Elemente zum Implementieren von Ausführungsbeispielen notwendig sind. Stattdessen können bei anderen Ausführungsbeispielen einige der Merkmale oder Elemente weggelassen werden oder können durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich dazu können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu jenen, die ausdrücklich gezeigt und beschrieben sind, bereitgestellt werden, zum Beispiel herkömmliche Komponenten von Sensorbauelementen.
Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, außer dies ist speziell anderweitig angegeben. Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. In einigen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform und nicht im Detail gezeigt, um ein Verunklaren der Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
Ferner werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der nachfolgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Da den gleichen oder funktional äquivalenten Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben Bezugszeichen bereitgestellt sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, gegenseitig austauschbar.
Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können auf Draht basierende Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anderweitig angemerkt. Ferner können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischen liegenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen beibehalten wird.
In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordinalzahlen umfassen, wie beispielsweise „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und/oder ähnliches, verschiedene Elemente modifizieren. Solche Elemente sind jedoch nicht durch die vorangehenden Ausdrücke begrenzt. Die obigen Ausdrücke schränken z. B. die Abfolge und/oder die Wichtigkeit der Elemente nicht ein. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zum Zweck der Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Ein erstes Kästchen und ein zweites Kästchen zeigen z. B. unterschiedliche Kästchen an, obwohl beide Kästchen sind. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet und auf ähnliche Weise ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf optische Sender und optische Sendersysteme, die so ausgebildet sind, dass sie Lichtstrahlen oder -impulse gemäß einem Abtastmuster und insbesondere gemäß einem Lissajous-Abtastmuster übertragen. Lichtstrahlen umfassen sichtbares Licht, Infrarot (IR)-Licht oder andere Arten von Beleuchtungssignalen. Bei einigen Anwendungen kann das ausgesendete Licht von einem Objekt in Richtung des Systems zurückgestreut werden, wo das zurückgestreute Licht von einem Sensor erfasst wird. Der Sensor kann das empfangene rückgestreute Licht in ein elektrisches Signal, z. B. ein Stromsignal oder ein Spannungssignal, umwandeln, das von dem System weiterverarbeitet werden kann, um Objektdaten und/oder ein Bild zu erzeugen.
Bei Lichtdetektions- und Abstandsmessungs- (Light Detection and Ranging; LIDAR-) -Systemen sendet zum Beispiel eine Lichtquelle Lichtpulse in ein Sichtfeld und das Licht wird von einem oder mehreren Objekten durch Rückstreuung reflektiert. Insbesondere ist LIDAR ein direktes Laufzeit-(Time-of-Flight; TOF-) System, bei dem die Lichtpulse (z. B. Laserstrahlen von Infrarotlicht) in das Sichtfeld emittiert werden und ein Pixelarray die reflektierten Strahlen detektiert und misst. Zum Beispiel empfängt ein Array von Photodetektoren Reflexionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden. Unterschiede bei Rücklaufzeiten für jeden Lichtpuls über mehrere Pixel des Pixelarrays können dann verwendet werden, um digitale 3D-Repräsentationen einer Umgebung zu erstellen oder um andere Sensordaten zu erzeugen.
Eine Lissajous-Abtastung (z. B. nach einem Lissajous-Abtastmuster, das zwei Abtastachsen verwendet) kann eine Szene in einer kontinuierlichen Abtastung beleuchten. Durch ein Emittieren von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in unterschiedliche Abtastrichtungen kann ein als das Sichtfeld bezeichneter Bereich abgetastet werden und Objekte innerhalb des Bereichs können detektiert und abgebildet (imaged) werden. Somit repräsentiert das Sichtfeld eine Abtastebene, die eine Mitte einer Projektion aufweist.
Die Lissajous-Abtastung kann auch in anderen Anwendungen nützlich sein, z. B. bei elektronischen Anzeigen (Displays) zur Wiedergabe von Bildern und bei Autoscheinwerfern zur Lenkung des Lichts.
1A und 1B sind schematische Blockdiagramme der Lissajous-Abtastsysteme 100A bzw. 110B gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das Lissajous-Abtastsystem 100A umfasst insbesondere zwei eindimensionale (1D) MEMS-Spiegel 12x und 12y, die zum Lenken oder anderweitigen Ablenken von Lichtstrahlen (Impulsen) gemäß einem Lissajous-Abtastmuster verwendet werden. Im Gegensatz dazu enthält das Lissajous-Abtastsystem 100B einen einzigen zweidimensionalen (2D) MEMS-Spiegel 12xy, der zur Lenkung oder anderweitigen Ablenkung von Lichtstrahlen (Impulsen) gemäß einem Lissajous-Abtastmuster verwendet wird.
Die MEMS-Spiegel 12x und 12y sind mechanisch bewegliche Spiegel (d. h. MEMS-Mikrospiegel), die auf einem Halbleiterchip (nicht abgebildet) integriert sind. Ein MEMS-Spiegel gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ist so ausgebildet, dass er durch Rotation entweder um eine einzige resonante Abtastachse (d. h. einen 1D-MEMS-Spiegel) oder um zwei resonante Abtastachsen (d. h. einen 2D-MEMS-Spiegel), die typischerweise orthogonal zueinander sind, oszilliert. Eine Oszillation des MEMS-Spiegels auf einer Abtastachse kann zwischen zwei vorbestimmten extremen Ablenkungswinkeln (z. B. +/-15 Grad) erfolgen. Eine Lissajous-Abtastvorrichtung ist so ausgebildet, dass sie die Lenkung der Lichtstrahlen in zwei Dimensionen steuert (z. B. in horizontaler x-Richtung und vertikaler y-Richtung).
In dem in 1A dargestellten Beispiel werden zwei 1D-MEMS-Spiegel 12x und 12y verwendet, um Lichtstrahlen in zwei Dimensionen zu lenken. Der MEMS-Spiegel 12x umfasst eine erste resonante Abtastachse 13x, die es dem MEMS-Spiegel 12x ermöglicht, Licht in x-Richtung zu lenken, während der MEMS-Spiegel 12y eine zweite resonante Abtastachse 13y umfasst, die es dem MEMS-Spiegel 12yx ermöglicht, Licht in y-Richtung zu lenken. Die beiden MEMS-Spiegel 12x und 12y sind nacheinander entlang eines Übertragungsweges der Lichtstrahlen angeordnet, so dass einer der MEMS-Spiegel (z.B. MEMS-Spiegel 12x) zunächst einen Lichtstrahl empfängt und ihn in einer ersten Dimension lenkt und der zweite der MEMS-Spiegel (z.B. MEMS-Spiegel 12y) den Lichtstrahl vom ersten MEMS-Spiegel empfängt und ihn in einer zweiten Dimension lenkt. Die beiden MEMS-Spiegel 12x und 12y arbeiten also zusammen, um einen von einer Beleuchtungseinheit 10 erzeugten Lichtstrahl in zwei Dimensionen zu lenken. Auf diese Weise können die beiden MEMS-Spiegel 12x und 12y einen Lichtstrahl auf eine gewünschte 2D-Koordinate (z. B. eine x-y-Koordinate) im Sichtfeld richten. Mehrere Lichtstrahlen können von den beiden MEMS-Spiegeln 12x und 12y auf verschiedene 2D-Koordinaten eines Lissajous-Musters gelenkt werden.
In einem anderen, in 1B dargestellten Beispiel wird ein 2D-MEMS-Spiegel 12xy verwendet, um Lichtstrahlen in zwei Dimensionen zu lenken. Der MEMS-Spiegel 12xy umfasst die erste resonante Abtastachse 13x, die es dem MEMS-Spiegel 12xy ermöglicht, Licht in x-Richtung zu lenken, und die zweite resonante Abtastachse 13y, die es dem MEMS-Spiegel 12xy ermöglicht, Licht in y-Richtung zu lenken. Auf diese Weise kann ein einziger MEMS-Spiegel die von der Beleuchtungseinheit 10 empfangenen Lichtstrahlen sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung lenken. Infolgedessen kann der MEMS-Spiegel 12xy einen Lichtstrahl auf eine gewünschte 2D-Koordinate (z. B. eine x-y-Koordinate) im Sichtfeld richten. Mehrere Lichtstrahlen können durch den MEMS-Spiegel 12xy auf verschiedene 2D-Koordinaten eines Lissajous-Musters gelenkt werden.
Jeder MEMS-Spiegel 12x, 12y und 12xy ist ein Resonator (d.h. ein resonanter MEMS-Spiegel), der so ausgebildet ist, dass er „von Seite zu Seite“ um jede seiner Abtastachsen mit einer Resonanzfrequenz oszilliert, so dass das vom MEMS-Spiegel reflektierte Licht in einer Abtastrichtung einer jeweiligen Abtastachse hin und her oszilliert. Wie weiter unten näher beschrieben wird, können für jede Abtastachse 13x und 13y unterschiedliche Resonanzfrequenzen zur Definition des Lissajous-Musters verwendet werden.
Die Lissajous-Abtastsysteme 100A und 11 OB umfassen jeweils eine Beleuchtungseinheit 10 (d. h. einen Lichtsender), die mindestens eine Lichtquelle (z. B. mindestens eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode) umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie Lichtstrahlen (Impulse) entlang eines Übertragungswegs zu dem/den MEMS-Spiegel(n) sendet. Die Beleuchtungseinheit 10 kann nacheinander mehrere Lichtimpulse entsprechend einem von einer Systemsteuerung 23 empfangenen Auslösesignal aussenden.
Die Lissajous-Abtastsysteme 100A und 110B umfassen auch eine Systemsteuerung 23, die zur Steuerung der Komponenten der Abtastsysteme ausgebildet ist. Bei bestimmten Anwendungen, wie z. B. LIDAR, kann die Systemsteuerung 23 auch so ausgebildet sein, dass sie Rohdaten von einem Lichtsensor (nicht abgebildet) empfängt und diese verarbeitet (z. B. über digitale Signalverarbeitung), um Objektdaten (z. B. Punktwolkendaten) zu erzeugen. Somit umfasst die Systemsteuerung 23 zumindest einen Prozessor und/oder eine Prozessorschaltungsanordnung (z.B. Komparatoren, TDCs, ADCs und digitale Signalprozessoren (DSPs; digital signal processors)) einer Signalverarbeitungskette zur Datenverarbeitung, sowie eine Steuerschaltungsanordnung, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, die zum Erzeugen von Steuersignalen ausgebildet ist.
Die Systemsteuerung 23 ist so ausgebildet, dass sie ein Auslösesignal erzeugt, das die Beleuchtungseinheit 10 zur Erzeugung von Lichtimpulsen ansteuert (triggert). So steuert die Systemsteuerung 23 über das Auslösesignal den Zeitpunkt, zu dem die Lichtimpulse von der Beleuchtungseinheit 10 abgefeuert werden. Die Systemsteuerung 23 ist außerdem so ausgebildet, dass sie die Antriebsfrequenz eines MEMS-Spiegels für jede seiner Abtastachsen einstellt und in der Lage ist, die Oszillationen um die beiden Abtastachsen 13x und 13y zu synchronisieren.
Die Lissajous-Abtastsysteme 100A und 110B umfassen beide einen MEMS-Treiber 25x zum Treiben eines MEMS-Spiegels (d.h. MEMS-Spiegel 12x oder 12xy) um die erste Abtastachse 13x und einen MEMS-Treiber 25y zum Treiben eines MEMS-Spiegels (d.h. MEMS-Spiegel 12y oder 12xy) um die zweite Abtastachse 13y. Jeder MEMS-Treiber 25x, 25y betätigt und erfasst die Rotationsposition des Spiegels um seine jeweilige Abtastachse und liefert Positionsinformationen (z. B. den Neigungswinkel oder den Grad der Drehung um die Rotationsachse) des Spiegels an die Systemsteuerung 23. Basierend auf dieser Positionsinformation können die Laserquellen der Beleuchtungseinheit 10 von der Systemsteuerung 23 ausgelöst werden. Somit führt eine höhere Genauigkeit bei der Positionserfassung des MEMS-Spiegels zu einer genaueren und präziseren Steuerung anderer Komponenten des Abtastsystems.
Eine Ansteuerspannung (d. h. ein Betätigungs- oder Antriebssignal) wird von einem MEMS-Treiber an eine Aktuatorstruktur des MEMS-Spiegels angelegt, die der entsprechenden Abtastachse entspricht, um die Oszillation des MEMS-Spiegels um diese Abtastachse anzutreiben. Die Antriebsspannung kann als Hochspannung (HV; high-voltage) bezeichnet werden. Die Aktuatorstruktur kann verzahnte Fingerelektroden aus verzahnten Spiegelkämmen und Rahmenkämmen umfassen, an die durch den MEMS-Treiber eine Antriebsspannung (z. B. ein Betätigungs- oder Antriebssignal) angelegt wird. Die an die Aktuatorstruktur angelegte Antriebsspannung erzeugt eine Antriebskraft zwischen zum Beispiel verzahnten Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen, die ein Drehmoment auf dem Spiegelkörper um die Rotationsachse erzeugt. Die Antriebsspannung kann ein- und ausgeschaltet oder in einen Ein- und Auszustand umgeschaltet (HV an/aus) werden, was zu einer oszillierenden Antriebskraft führt. Die oszillierende Antriebskraft verursacht, dass der Spiegel auf seiner Rotationsachse zwischen zwei Extremen rückwärts und vorwärts oszilliert. Die Antriebsspannung kann eine konstante Antriebsspannung sein, was bedeutet, dass die Antriebsspannung bei Betätigung (d. h. in einen Ein-Zustand umgeschaltet wird) die gleiche Spannung ist. Es versteht sich jedoch, dass die Antriebsspannung in einen Ein- und Auszustand umgeschaltet wird, um die Spiegeloszillation zu erzeugen. Je nach Konfiguration kann diese Betätigung geregelt oder angepasst werden, indem die Antriebsspannungs-Aus-Zeit, ein Spannungspegel der Antriebsspannung oder ein Tastgrad angepasst wird.
In anderen Ausführungsbeispielen kann ein elektromagnetischer Aktuator verwendet werden, um einen MEMS-Spiegel um eine entsprechende Abtastachse zu bewegen. Bei einem elektromagnetischen Aktuator kann ein Antriebsstrom (z. B. ein Betätigungs- oder Antriebssignal) verwendet werden, um die oszillierende Antriebskraft zu erzeugen. Somit wird darauf hingewiesen, dass Antriebsspannung (drive/driving voltage) und Antriebsstrom (drive/driving current) hierin austauschbar verwendet werden können, um ein Betätigungssignal oder ein Antriebssignal anzuzeigen, und beide können allgemein als eine Antriebskraft bezeichnet werden.
Eine Übertragungstechnik umfasst daher die Übertragung der Lichtstrahlen in das Sichtfeld von einem oder zwei Übertragungsspiegeln, die zwei resonante Abtastachsen zur Übertragung gemäß einem Lissajous-Abtastmuster verwenden. Die Übertragungsspiegel oszillieren kontinuierlich in Resonanz um die jeweiligen Abtastachsen, so dass die Lichtstrahlen in das Sichtfeld projiziert werden, das sich über das Sichtfeld bewegt, wenn der oder die Übertragungsspiegel die Übertragungsrichtung ändern. Außerdem werden von der Systemsteuerung 23 zusätzliche Bedingungen festgelegt, um das Lissajous-Abtastmuster als dichtes, rechteckiges, wiederholbares Muster zu erzeugen. Die folgenden Bedingungen werden verwendet, um den Antrieb um die beiden Abtastachsen zu synchronisieren und gleichzeitig die Musterdichte der Laserauslösung gemäß dem Lissajous-Muster zu maximieren.
Damit sich das Lissajous-Muster periodisch mit einer Rahmenraten- FR-Frequenz [Hz] reproduziert, müssen zusätzliche Bedingungen für die Frequenzen f1, f2 erfüllt sein, wobei f1 die Antriebsfrequenz im Zeitbereich eines MEMS-Spiegels (z. B. MEMS-Spiegel 12x oder 12xy) um die Abtastachse 13x und f2 die Antriebsfrequenz im Zeitbereich eines MEMS-Spiegels (z. B. MEMS-Spiegel 12y oder 12xy) um die Abtastachse 13y ist. Die Oszillationen um die beiden Abtastachsen sind jedoch möglicherweise nicht synchronisiert und müssen von der Systemsteuerung 23 in Synchronisation gebracht werden.
Zum Beispiel werden die Koordinaten X, Y eines übertragenen Lichtstrahls parametrisch als sich oszillierend verhaltende Variablen im Zeitbereich gemäß den folgenden Gleichungen definiert: $X = sin (2 π∗ f1*t)$
$Y = sin (2 π∗ f2*t)$
X ist die x-Koordinate, die dem Drehwinkel X eines MEMS-Spiegels um die Abtastachse 13x entspricht, und Y ist die y-Koordinate, die dem Drehwinkel Y eines MEMS-Spiegels um die Abtastachse 13y entspricht. Die X- und Y-Koordinaten sind sinusförmige Funktionen, die von der Antriebsfrequenz f1, f2 und der Zeit (t) abhängen. Vor der Synchronisierung können die X- und Y-Winkel jedoch durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden: $Winkel X = sin (2 π * t * ƒ 1 r + φ)$
$Winkel Y = sin (2 π * t * ƒ 2 r)$
wobei eine zufällige Phase und Zufallsfrequenzen f 1 r, f2r darauf hinweisen, dass die Oszillationen um die beiden Abtastachsen möglicherweise nicht synchronisiert sind.
Um ein wiederholbares Muster (Frame; Rahmen) mit der Rahmenrate FR zu erzeugen, ist die Systemsteuerung 23 so konfiguriert, dass sie über Steuersignale an die MEMS-Treiber 25x und 25y eine Synchronisation und Frequenzabstimmung vornimmt. Da die Rahmenrate FR vordefiniert ist, verwendet die Systemsteuerung 23 die vordefinierte Rahmenrate FR als größten gemeinsamen Teiler für die Auswahl der Frequenzen f1 und f2. Mit anderen Worten, die Systemsteuerung 23 wählt die Frequenzen f1 und f2 so aus, dass die Rahmenrate FR ihr größter gemeinsamer Teiler ist: $Gr \ddot{o} ßter gemeinsamer Teiler (f1,f2) = FR (vordefiniert)$
Außerdem werden die Frequenzen f1 und f2 so festgelegt, dass sie die folgende Gleichung erfüllen: $f2 - f1 = (2 * N + 1) * FR, wobei N = 0,1,2,3 \dots$
N ist also eine ganze Zahl größer oder gleich Null. Für den Synchronisations- und Abstimmungsbetrieb schließlich synchronisiert die Systemsteuerung 23 die Oszillationen um die beiden Abtastachsen so, dass die Phasendifferenz zwischen ihnen Null ist: $φ = 0$
So werden die beiden resonanten Abtastachsen jeweils mit einer konstanten Abtastfrequenz f1, f2 mit einem definierten Frequenzverhältnis/einer definierten Frequenzdifferenz dazwischen gemäß den Gleichungen (5), (6) und (7) angetrieben, die ein wiederholbares Lissajous-Muster (Rahmen) mit einer Rahmenrate FR bilden. Bei einer Rahmenrate FR von 50 Hz und N = Null ergibt sich zum Beispiel f1 = 450 Hz und f2 = 500 Hz. 2 zeigt ein Beispiel für ein Lissajous-Muster, das sich aus den eingestellten Parametern ergibt. Durch die Synchronisation und Abstimmung hat die Systemsteuerung 23 die Frequenzen f1 und f2 entsprechend der gewünschten Rahmenrate FR bestimmt und eine eventuell vorhandene Phasendifferenz zwischen den Abtastachsen beseitigt.
Der nächste Schritt bei der Erzeugung eines Lissajous-Abtastmusters als dichtes, rechteckiges, wiederholbares Muster erfordert die Bestimmung der Zeitpunkte ti (d. h. der Zeitschritte) für die Laserauslösung. Ein Zeitpunkt ist ein Moment, in dem die Beleuchtungseinheit 10 ausgelöst wird, um einen Lichtimpuls abzufeuern, und entspricht außerdem der Ziel-X- und Y-Koordinate des Lissajous-Musters. Die Systemsteuerung 23 erzeugt das Auslösesignal (z. B. ein gepulstes Signal), um zu jedem festgelegten Zeitpunkt ti einen Lichtimpuls auszulösen. Die Beleuchtungseinheit 10 kann bei einem Signalimpuls des Auslösesignals einen Lichtimpuls erzeugen. Die Zeitpunkte ti werden so berechnet, dass die X-, Y-Koordinaten der in das Sichtfeld übertragenen Lichtimpulse ein dichtes, rechteckiges, wiederholbares Muster definieren, wobei die Musterdichte der X-, Y-Koordinaten für die vordefinierte Rahmenrate FR maximiert wird.
Um jeden der ti-Zeitpunkte für die Laserauslösung zu bestimmen, wandelt die Systemsteuerung 23 die Antriebsfrequenzen f1, f2 gemäß den folgenden Gleichungen in dimensionslose Frequenzen (d. h. in einen dimensionslosen Zeitbereich) um: $F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}$
$F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}$
wobei F1 die dimensionslose Frequenz der Antriebsfrequenz f1 und F2 die dimensionslose Frequenz der Antriebsfrequenz f2 ist. Wie zu erkennen ist, werden die dimensionslosen Frequenzen F1 und F2 durch Division von f1 und f2 durch die Rahmenrate FR berechnet. Die dimensionslosen Frequenzen F1 und F2 stehen für die Anzahl der Oszillationen, die ein MEMS-Spiegel um seine jeweilige Abtastachse innerhalb eines Rahmens (d. h. über ein einziges Lissajous-Muster) ausführt. Bei einem Beispiel von fl=450, f2=500 und FR=50 sind F1=9 und F2=10.
Anschließend berechnet die Systemsteuerung 23 aus den dimensionslosen Frequenzen F1 und F2 ein dimensionsloses Zeitintervall Δt zwischen den Zeitpunkten gemäß der folgenden Gleichung: $Δ t = \frac{1}{4 F_{1} F_{2}}$
Als nächstes verwendet die Systemsteuerung 23 das dimensionslose Zeitintervall Δt um dimensionslose ti-Zeitpunkte für jede Laserauslösung gemäß der folgenden Gleichung zu berechnen: $t_{i} = Δ t * (i + 0.5) = \frac{2 i + 1}{8 F_{1} F_{2}}, wobei i = 0,1,2,3, \dots (4 F_{1} F_{2} - 1)$
Die dimensionslosen ti-Zeitpunkte lassen sich direkt aus den Gleichungen (8) und (9) berechnen. Jeder ti-Zeitpunkt stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem ein Lichtimpuls an der Beleuchtungseinheit 10 ausgelöst wird, und es werden 4F1F2 Zeitpunkte (d. h. die Anzahl der Zeitpunkte in einer Periode des Lissajous-Musters) ermittelt und gespeichert. Mit anderen Worten: In einem einzigen Lissajous-Rahmen oder einer -Periode werden 4F1F2 Lichtimpulse ausgelöst, bevor sich das Muster wiederholt. Für jeden Lissajous-Rahmen oder jede -Periode wird eine Anzahl von 4F1F2-Lichtimpulsen ausgelöst.
Das Lissajous-Muster wird durch eine Reihe von Xi, Yi Koordinaten reproduziert, die rechteckig und periodisch in der Zeit mit einer Periode TFR gleich 1/FR ist. Die Koordinaten Xi und Yi werden durch die folgenden Gleichungen dargestellt: $X_{i} = s i n (2 π * t_{i} * F_{1})$
$Y_{i} = s i n (2 π * t_{i} * F_{2})$
So wird ein zum Zeitpunkt ti ausgelöster Laserpuls von den MEMS-Spiegeln 12x, 12y oder dem MEMS-Spiegel 12xy an einer 2D-Koordinate von Xi, Yi in das Sichtfeld übertragen. Eine Koordinate Xi, Yi entspricht einer Winkelposition um die Abtastachse 13x und einer Winkelposition um die Abtastachse 13y. Wenn der/die MEMS-Spiegel 12x, 12y, 12xy gemäß dem konfigurierten Lissajous-Abtastmuster um ihre jeweiligen Abtastachsen 13x und 13y bewegt werden, wird die Beleuchtungseinheit 10 so ausgelöst, dass sie jeden Lichtimpuls zu einem präzisen Zeitpunkt ti abfeuert, der einer Winkelposition um die Abtastachse 13x und einer Winkelposition um die Abtastachse 13y entspricht (d. h. gemäß einer Xi, Yi-Koordinate).
Der Koordinatensatz Xi, Yi kann auch in Echtzeit und Frequenzen gemäß den folgenden Gleichungen dargestellt werden: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}$
$X_{i} = s i n (2 π * t_{i} * ƒ_{1})$
$Y_{i} = s i n (2 π * t_{i} * ƒ_{2})$
$i = 0,1,2,3, \dots (4 F_{1} F_{2} - 1)$
3A zeigt ein Lissajous-Abtastmuster, das sich aus dem Antrieb von einem oder zwei MEMS-Spiegeln um die Abtastachsen 13x und 13y ergibt und mit einem Laserabfeuerungsmuster überlagert ist, das das Lissajous-Abtastmuster entsprechend den berechneten ti-Zeitpunkten verfolgt. Mit anderen Worten: Jeder Punkt steht für einen Lichtimpuls, der zu einem Zeitpunkt ti abgefeuert wird, der einer Koordinate Xi, Yi entspricht. Die Auflösung des Laserabfeuerungsmusters ist durch 2*F1 und 2*F2 oder 4F1F2 definiert.
3B zeigt das Laserabfeuerungsmuster aus 3A, um das dichte, rechteckige, wiederholbare Echtzeit-Lichtübertragungsmuster, das durch den oben beschriebenen Algorithmus erzeugt wird, deutlicher zu zeigen.
4 zeigt ein Steuerungsdiagramm, das von der Systemsteuerung 23 implementiert wird, um das rechteckige 2D-Lichtübertragungsmuster mit Lissajous-Abtastung gemäß der obigen Beschreibung zu erzeugen. Das Steuerdiagramm beginnt mit dem Betrieb der beiden MEMS-Spiegel 12x und 12y mit Lissajous-Abtastung, fährt dann fort mit der Erstellung eines wiederholbaren Lissajous-Abtastmusters mit einer Rahmenrate FR und einer Phasendifferenz von Null, fährt dann fort mit der Berechnung von ti-Zeitpunkten, die durch Gleichung (14) dargestellt werden, und fährt schließlich fort mit der Verwendung eines Auslösesignals zum Auslösen von Laserimpulsen zu jedem der bestimmten ti-Zeitpunkte, während die beiden MEMS-Spiegel 12x und 12y entsprechend dem gesteuerten und Lissajous-Abtastmuster synchron oszillieren.
Die sin Funktion kann durch irgendeine periodische kontinuierliche Funktion func(x) ersetzt werden, die folgende zusätzliche Merkmale aufweist: $func (x + 2 π) = func (x) und symmetrisch um π /2 3 π /2, und$
$func (k* π/ 2 + x) = func (k* π/ 2 - x),k = 1,3 .$
Die Funktion func(x + 2π) = func(x) ist eine kontinuierliche periodische Funktion und zusätzlich symmetrisch um π/2 und 3π/2, func (k*π/2 + x) = func (k*π/2 - x), k = 1, 3. x repräsentiert entweder 2π _* t _* f1 oder 2π _* t _* f₂. Anders geschrieben, die Funktion func(2π _* t _* f₁ + 2π) = func(2π _* t _* f₁) ist eine kontinuierliche periodische Funktion und zusätzlich symmetrisch um π/2 und 3π/2, func (k*π/2 + 2π _* t _* f₁) = func (k*π/2 - 2π _* t _* f₁), k = 1 oder 3, und wobei die Funktion func(2π _* t _* f₂ + 2 π) = func(2π _* t _* f₂) eine kontinuierliche periodische Funktion ist, und zusätzlich symmetrisch ist um π/2 und 3π/2, func(k*π/2 + 2π _* t _* f₂) = func (k*π/2 - 2π _* t _* f₂), k = 1 oder 3.
So können Sinuswellenfunktionen, Dreieckswellenfunktionen, Rechteckwellenfunktionen und dergleichen verwendet werden, um das Lissajous-Abtastmuster zu reproduzieren und die Zeitpunkte für die Laserauslösung zu bestimmen.
Obwohl sich die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele auf MEMS-Vorrichtungen mit mindestens einem MEMS-Spiegel beziehen, können andere Implementierungen auch andere optische Vorrichtungen als MEMS-Spiegelvorrichtungen umfassen, einschließlich anderer Nicht-MEMS-Resonanzoszillationsstrukturen, die zur Lenkung von Licht gemäß einem Lissajous-Abtastmuster verwendet werden. Zusätzlich, obwohl einige Aspekte in dem Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu repräsentieren Aspekte, die in dem Kontext eines Verfahrensschrittes beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige einzelne oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist. Ferner versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte umfassen oder kann in mehrere Teilschritte aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können umfasst sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware oder irgendeine Kombination davon implementiert sein. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren implementiert werden, umfassend einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren (DSPs; digital signal processors), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs; application specific integrated circuits), feldprogrammierbare Logik-Arrays (FPGAs), eine programmierbare Logik-Steuerung (PLC; programmable logic controller) oder irgendwelche andere äquivalente integrierte oder diskrete Logik-Schaltungsanordnung, sowie irgendeine Kombination solcher Komponenten. Der Begriff „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltungsanordnung“ kann sich im Allgemeinen auf irgendeine der vorstehenden logischen Schaltungsanordnung beziehen, allein oder in Kombination mit einer anderen logischen Schaltungsanordnung oder irgendeine andere äquivalente Schaltungsanordnung. Eine Steuereinheit, die Hardware umfasst, kann auch eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung ausführen. Eine Steuereinheit kann elektrische Signale und digitale Algorithmen verwenden, um seine Rezeptions-, Analyse- und Steuerfunktionen auszuführen, die auch Korrekturfunktionen umfassen können. Solche Hardware, Software oder Firmware kann innerhalb des gleichen Bauelements implementiert sein, oder innerhalb separater Bauelemente, um die verschiedenen Techniken zu unterstützen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind.
Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Offenbarung können als ein nichtflüchtiges computerlesbares Aufzeichnungsmedium implementiert sein, das darauf aufgezeichnet ein Programm aufweist, das Verfahren/Algorithmen verkörpert, um den Prozessor anzuweisen, die Verfahren/Algorithmen auszuführen. Somit können auf einem nicht-flüchtigen, computerlesbaren Aufzeichnungsmedium elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sein, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeiten (oder fähig zum Zusammenarbeiten sind), derart, dass die jeweiligen Verfahren/Algorithmen ausgeführt werden. Das nicht-flüchtige, computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann z. B. eine CD-ROM, DVD, Blu-ray-Disc, ein RAM, ein ROM, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein FLASH-Speicher oder eine elektronische Speichervorrichtung sein.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele offenbart wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbaren Konzepte erreichen werden, ohne von dem Wesen und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Für den Durchschnittsfachmann ist es offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, passend eingesetzt werden können. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die Bezug nehmend auf eine spezielle Figur beschrieben werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in diesen, die nicht explizit erwähnt werden. Solche Modifikationen des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts gelten als durch die beigefügten Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen abgedeckt.

Claims

Ein Lissajous-Abtastsystem (100A), umfassend: einen Sender (10), der so ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal sendet, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; eine erste Oszillatorstruktur (12x), die so ausgebildet ist, dass sie um eine erste Rotationsachse (13x) oszilliert; eine zweite Oszillatorstruktur (12y), die so ausgebildet ist, dass sie um eine zweite Rotationsachse (13y) oszilliert; eine Antriebsschaltung (25x, 25y), die so ausgebildet ist, dass sie ein erstes Antriebssignal erzeugt, um die erste Oszillatorstruktur (12x) um die erste Rotationsachse (13x) mit einer ersten Treiberfrequenz (f1) zu treiben, und ein zweites Antriebssignal erzeugt, um die zweite Oszillatorstruktur (12y) um die zweite Rotationsachse (13y) mit einer zweiten Treiberfrequenz (f2) zu treiben; und eine Steuerung (23), die so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die erste und die zweite Oszillatorstruktur (12x, 12y) zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen, wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie die erste Antriebsfrequenz und die zweite Antriebsfrequenz so auswählt, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen: f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist, wobei die Steuerung (23) ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und das Auslösesignal auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten erzeugt, wobei die Steuerung (23) ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten (ti) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die erste und die zweite Oszillatorstruktur (12x, 12y) so zu synchronisieren, dass eine Phasendifferenz zwischen einer Oszillation der ersten Oszillatorstruktur (12x) und einer Oszillation der zweiten Oszillatorstruktur (12y) Null ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: eine erste Winkelposition der ersten Oszillatorstruktur (12x) um die erste Rotationsachse (13x) einen ersten Teil einer Lichtübertragungskoordinate definiert und eine zweite Winkelposition der zweiten Oszillatorstruktur (12y) um die zweite Rotationsachse (13y) einen zweiten Teil der Lichtübertragungskoordinate definiert, und jeder der Mehrzahl von Lichtimpulsen mit einer anderen Lichtübertragungskoordinate übertragen wird.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß Anspruch 3, wobei ein Übertragungsmuster der Mehrzahl von Lichtimpulsen rechteckig ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß Anspruch 4, wobei eine Musterdichte des Übertragungsmusters für die vordefinierte Rahmenrate maximiert ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Lichtübertragungskoordinate jeden der mehreren Lichtimpulse definiert ist durch: $X_{i} = s i n (2 π * t_{i} * ƒ_{1}),$
$Y_{i} = s i n (2 π * t_{i} * F_{2}), und$
$i = 0,1,2,3, \dots (4 F_{1} F_{2} - 1),$
wobei Xi der erste Teil einer Lichtübertragungskoordinate und Yi der zweite Teil einer Lichtübertragungskoordinate ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Lichtübertragungskoordinate jedes der mehreren Lichtimpulse definiert ist durch: $X_{i} = func (2 π * t_{i} * ƒ_{1}),$
$Y_{i} = func (2 π * t_{i} * ƒ_{2}), und$
$i = 0,1,2,3, \dots (4 F_{1} F_{2} - 1),$
wobei Xi der erste Teil einer Lichtübertragungskoordinate und Yi der zweite Teil einer Lichtübertragungskoordinate ist, und func eine kontinuierliche periodische Funktion ist, die symmetrisch um π/2 und 3π/2 ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lissajous-Abtastmuster über einen Lissajous-Rahmen reproduziert wird, die Mehrzahl von Lichtimpulsen während des Lissajous-Rahmens übertragen werden und die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie das Lissajous-Abtastmuster für jeden Lissajous-Rahmen einer Mehrzahl von Lissajous-Rahmen wiederholt.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß Anspruch 8, wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie das Auslösesignal entsprechend der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten für jeden der Mehrzahl von Lissajous-Rahmen wiederholt.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lissajous-Abtastmuster definiert ist durch: $Winkel X = s i n (2 π * t * ƒ_{1}), und$
$Winkel Y = s i n (2 π * t * ƒ_{2}),$
wobei Winkel X ein Rotationswinkel der ersten Oszillatorstruktur (12x) um die erste Rotationsachse (13x) über die Zeit (t) ist und Winkel Y ein Rotationswinkel der zweiten Oszillatorstruktur (12y) um die zweite Rotationsachse (13y) über die Zeit (t) ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100A) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lissajous-Abtastmuster definiert ist durch: $Winkel X = f u n c (2 π * t * ƒ_{1}), und$
$Winkel Y = f u n c (2 π * t * ƒ_{2}),$
wobei Winkel X ein Rotationswinkel der ersten Oszillatorstruktur um die erste Rotationsachse über die Zeit (t) ist und Winkel Y ein Rotationswinkel der zweiten Oszillatorstruktur um die zweite Rotationsachse über die Zeit (t) ist, und wobei die Funktion func(2π _* t _* f1 + 2 π) = func(2π _* t _* f₁) eine kontinuierliche periodische Funktion ist, die symmetrisch ist um π/2 und 3π/2, func (k*π/2 + 2π _* t _* f₁) = func (k*π/2 - 2π _* t _* f₁), k = 1 oder 3, und wobei die Funktion func(2π _* t _* f₂ + 2 π) = func(2π _* t _* f₂) eine kontinuierliche periodische Funktion ist, die symmetrisch ist um π/2 und 3π/2, func(k*π/2 + 2π _* t _* f₂) = func (k*π/2 - 2π _* t _* f₂), k = 1 oder 3.
Ein Lissajous-Abtastsystem (100B), umfassend: einen Sender (10), der so ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal sendet, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; eine Oszillatorstruktur (12xy), die so ausgebildet ist, dass sie um eine erste Rotationsachse (13x) oszilliert und um eine zweite Rotationsachse (13y) oszilliert; eine Antriebsschaltung (25x, 25y), die so ausgebildet ist, dass sie ein erstes Antriebssignal erzeugt, um die Oszillatorstruktur (12xy) um die erste Rotationsachse (13x) mit einer ersten Treiberfrequenz (f1) zu treiben, und ein zweites Antriebssignal erzeugt, um die Oszillatorstruktur (12xy) um die zweite Rotationsachse (13y) mit einer zweiten Treiberfrequenz (f2) zu treiben; und eine Steuerung (23), die so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die Oszillationen der Oszillationsstruktur (12xy) um die erste und die zweite Rotationsachse (13x, 13y) zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen, wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie die erste Antriebsfrequenz und die zweite Antriebsfrequenz so auswählt, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen: f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist, wobei die Steuerung (23) ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und das Auslösesignal auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten erzeugt, wobei die Steuerung (23) ferner so ausgebildet ist, dass sie die Mehrzahl von Zeitpunkten (ti) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{ƒ_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{ƒ_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß Anspruch 12, wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie das erste Antriebssignal und das zweite Antriebssignal steuert, um die Oszillationen der Oszillatorstruktur (12xy) um die erste und die zweite Rotationsachse (13x, 13y) so zu synchronisieren, dass eine Phasendifferenz zwischen den Oszillationen Null ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei: eine erste Winkelposition der Oszillatorstruktur (12xy) um die erste Rotationsachse (13x) einen ersten Teil einer Lichtübertragungskoordinate definiert und eine zweite Winkelposition der Oszillatorstruktur (12xy) um die zweite Rotationsachse (13y) einen zweiten Teil der Lichtübertragungskoordinate definiert, und jeder der Mehrzahl von Lichtimpulsen mit einer anderen Lichtübertragungskoordinate übertragen wird.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß Anspruch 14, wobei ein Übertragungsmuster der Mehrzahl von Lichtimpulsen rechteckig ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß Anspruch 15, wobei eine Musterdichte des Übertragungsmusters für die vordefinierte Rahmenrate maximiert ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Lichtübertragungskoordinate jeden der mehreren Lichtimpulse definiert ist durch: $X_{i} = s i n (2 π * t_{i} * ƒ_{1}),$
$Y_{i} = s i n (2 π * t_{i} * F_{2}), und$
$i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1),$
wobei Xi der erste Teil einer Lichtübertragungskoordinate und Yi der zweite Teil einer Lichtübertragungskoordinate ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Lichtübertragungskoordinate von jedem der mehreren Lichtimpulse definiert ist durch: $X_{i} = func (2 π * t_{i} * ƒ_{1}),$
$Y_{i} = func (2 π * t_{i} * f_{2}), und$
$i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1),$
wobei Xi der erste Teil einer Lichtübertragungskoordinate und Yi der zweite Teil einer Lichtübertragungskoordinate ist, und func eine kontinuierliche periodische Funktion ist, die symmetrisch um π/2 und 3π/2 ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Lissajous-Abtastmuster über einen Lissajous-Rahmen reproduziert wird, die Mehrzahl von Lichtimpulsen während des Lissajous-Rahmens übertragen werden und die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie das Lissajous-Abtastmuster für jeden Lissajous-Rahmen einer Mehrzahl von Lissajous-Rahmen wiederholt.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß Anspruch 19, wobei die Steuerung (23) so ausgebildet ist, dass sie das Auslösesignal entsprechend der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten für jeden der Mehrzahl von Lissajous-Rahmen wiederholt.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei das Lissajous-Abtastmuster definiert ist durch: $Winkel X = s i n (2 π * t * f_{1}), und$
$Winkel Y = s i n (2 π * t * f_{2}),$
wobei Winkel X ein Rotationswinkel der Oszillatorstruktur (12xy) um die erste Rotationsachse (13x) über die Zeit (t) ist und Winkel Y ein Rotationswinkel der Oszillatorstruktur (12xy) um die zweite Rotationsachse (13y) über die Zeit (t) ist.
Das Lissajous-Abtastsystem (100B) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei das Lissajous-Abtastmuster definiert ist durch: $Winkel X = f u n c (2 π * t * f_{1}), und$
$Winkel Y = f u n c (2 π * t * f_{2}),$
wobei Winkel X ein Rotationswinkel der Oszillatorstruktur (12xy) um die erste Rotationsachse (13x) über die Zeit (t) ist und Winkel Y ein Rotationswinkel der Oszillatorstruktur (12xy) um die zweite Rotationsachse (13y) über die Zeit (t), und wobei die Funktion func(2π _* t _* f1 + 2π) = func(2π _* t _* f₁) eine kontinuierliche periodische Funktion ist, die symmetrisch ist um π/2 und 3π/2, func (k*π/2 + 2π _* t _* f₁) = func (k*π/2 - 2π _* t _* f₁), k = 1 oder 3, und wobei die Funktion func(2π _* t _* f₂ + 2 π) = func(2π _* t _* f₂) eine kontinuierliche periodische Funktion ist, die symmetrisch ist um π/2 und 3π/2, func(k*π/2 + 2π _* t _* f₂) = func (k*π/2 - 2π _* t _* f₂), k = 1 oder 3.
Ein Verfahren zur Lissajous-Abtastung, umfassend: Senden einer Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; Antreiben einer ersten Oszillatorstruktur (12x) um eine erste Rotationsachse (13x) mit einer ersten Antriebsfrequenz (f1) gemäß einem ersten Antriebssignal; Antreiben einer zweiten Oszillatorstruktur (12y) um eine zweite Rotationsachse (13y) mit einer zweiten Antriebsfrequenz (f2) gemäß einem zweiten Antriebssignal; Steuern des ersten Antriebssignals und des zweiten Antriebssignals, um die erste und die zweite Oszillatorstruktur (12x, 12y) zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen; Auswählen der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz so, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen: f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist; Bestimmen der Mehrzahl von Zeitpunkten; und Erzeugen des Auslösesignals auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten, wobei die Mehrzahl der Zeitpunkte (ti) bestimmt wird gemäß der folgenden Gleichung: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei F_{1} = \frac{f_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{f_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$
Ein Verfahren zur Lissajous-Abtastung, umfassend: Senden einer Mehrzahl von Lichtimpulsen zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten basierend auf einem Auslösesignal, wobei jeder Lichtimpuls zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausgelöst wird; Antreiben einer Oszillatorstruktur (12xy) um eine erste Rotationsachse (13x) mit einer ersten Antriebsfrequenz (f1) gemäß einem ersten Antriebssignal; Antreiben der Oszillatorstruktur (12xy) um eine zweite Rotationsachse (13y) mit einer zweiten Antriebsfrequenz (f2) gemäß einem zweiten Antriebssignal; Steuern des ersten Antriebssignals und des zweiten Antriebssignals, um die Oszillationen der Oszillationsstruktur (12xy) um die erste und die zweite Rotationsachse (13x, 13y) zu synchronisieren und ein Lissajous-Abtastmuster gemäß einer vordefinierten Rahmenrate (FR) zu erzeugen, Auswählen der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz so, dass die Rahmenrate ein größter gemeinsamer Teiler der ersten Antriebsfrequenz und der zweiten Antriebsfrequenz ist und dass sie die folgende Gleichung erfüllen: f2 - f1 = (2*N+1)*FR, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als Null; Bestimmen der Mehrzahl von Zeitpunkten; und Erzeugen des Auslösesignals auf der Grundlage der bestimmten Mehrzahl von Zeitpunkten, wobei die Mehrzahl der Zeitpunkte (ti) bestimmt wird gemäß der folgenden Gleichung: $t_{i} = \frac{2 i + 1}{8 * F R * F_{1} F_{2}}, wobei: F_{1} = \frac{f_{1}}{F R}, F_{2} = \frac{f_{2}}{F R}, i = 0,1,2 \dots (4 F_{1} F_{2} - 1) .$