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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung eines Objekts in einem Sichtbereich des Sensors. Der optoelektronische Sensor umfasst mehrere Lichtquellen zum Erzeugen von Sendelicht. Zudem umfasst der optoelektronische Sensor eine Sendeoptik zum Projizieren von Sendelicht in den Sichtbereich und zumindest einen Detektor zur Erfassung von von dem Objekt zurückgestrahltem Sendelicht. Die Lichtquellen geben Sendelicht an ein photonisches Netzwerk ab. Das photonische Netzwerk weist mehrere Abstrahlpunkte auf, aus welchen jeweils Sendelicht austritt bzw. welchen das Sendelicht zuführbar ist. Mehrere direkt nebeneinander liegende oder benachbarte Abstrahlpunkte sind dabei ausgebildet, Sendelicht in direkt nebeneinander liegende oder benachbarte Teil-Sichtbereiche abzustrahlen. Das photonische Netzwerk ist ausgebildet, Sendelicht derselben Lichtquelle, insbesondere wahlweise, zumindest zwei verschiedenen Abstrahlpunkten zuzuführen.
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Derartige optoelektronischen Sensoren sind grundsätzlich bekannt, wobei diese Sensoren beispielsweise nach dem Tastprinzip arbeiten, bei dem ein Lichtstrahl in den Sichtbereich des Sensors ausgesandt und der von dem Objekt zurückgeworfene Lichtstrahl wieder empfangen wird, um den zurückgeworfenen Lichtstrahl auszuwerten. Dabei wird beispielsweise die Lichtlaufzeit mit einem Phasen- oder Pulsverfahren gemessen, um den Abstand des Objekts zu bestimmen. Dieses Verfahren wird auch LIDAR (Light Detection And Ranging) genannt.
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Solche optoelektronischen Sensoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2020 110 142 A1 oder der
EP3 916 424 A1 bekannt. Bei den bekannten Sensoren können verschiedene Lichtquellen, die beispielsweise jeweils Teil eines FMCW-Systems sind, jeweils eine Lichtquelle auf direkt benachbarte Abstrahlpunkte optisch aufgeschaltet werden. Jede Lichtquelle kann damit einen zusammenhängenden aber räumlich stark begrenzten Abschnitts des Sichtbereichs abtasten.
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Befindet sich nun in dem Abschnitt des Sichtbereichs einer Lichtquelle kein Objekt, so kann diejenige Lichtquelle keine Daten über das Objekt gewinnen. Die Lichtquelle ist dann temporär „nutzlos“.
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Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen optoelektronischen Sensor anzugeben, welcher eine verbesserte Datengewinnung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor umfasst mehrere Lichtquellen zum Erzeugen von Sendelicht, wobei die Lichtquellen zumindest eine erste und eine zweite Lichtquelle umfassen. Zudem umfasst der optoelektronische Sensor eine Sendeoptik zum Projizieren von Sendelicht in den Sichtbereich und zumindest einen Detektor zur Erfassung von von dem Objekt zurückgestrahltem Sendelicht. Die Lichtquellen geben Sendelicht an ein photonisches Netzwerk ab. Das photonische Netzwerk weist mehrere Abstrahlpunkte auf, welchen jeweils Sendelicht, insbesondere jeweils genau einer Lichtquelle, bevorzugt von dem photonischen Netzwerk, zuführbar ist, wobei das Sendelicht bevorzugt aus den Abstrahlpunkten austritt, gegebenenfalls in die Sendeoptik hinein und insbesondere letztlich in den Sichtbereich. Mehrere direkt nebeneinander angeordnete oder benachbarte Abstrahlpunkte sind dabei ausgebildet, Sendelicht in, insbesondere verschiedene und/oder mehrere, nebeneinander angeordnete oder benachbarte Teil-Sichtbereiche abzustrahlen. Die benachbarten Teil-Sichtbereiche können bevorzugt direkt nebeneinander angeordnet sein. Das photonische Netzwerk ist dabei ausgebildet, Sendelicht derselben Lichtquelle, insbesondere wahlweise, zumindest zwei verschiedenen Abstrahlpunkten zuzuführen.
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Der optoelektronische Sensor gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den zwei verschiedenen Abstrahlpunkten, welchen Sendelicht der ersten Lichtquelle zuführbar ist, zumindest ein Abstrahlpunkt angeordnet ist, welchem Sendelicht der zweiten Lichtquelle zuführbar ist.
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Dadurch, dass zwischen zwei verschiedenen Abstrahlpunkten, welche der ersten Lichtquelle zugeordnet sind, zumindest ein Abstrahlpunkt angeordnet ist, welcher der zweiten Lichtquelle zugeordnet ist, ist es möglich, einen ersten Teil-Sichtbereich mit der ersten Lichtquelle und einen direkt benachbarten zweiten Teil-Sichtbereich mit der zweiten Lichtquelle abzutasten. Ein dritter Teil-Sichtbereich, der gegenüber dem ersten Teil-Sichtbereich an den zweiten Teil-Sichtbereich direkt angrenzt, kann dann durch die erste Lichtquelle oder eine weitere Lichtquelle abgetastet werden. Folglich ist es möglich, einen zusammenhängenden Abschnitt des Sichtbereichs mit verschiedenen Lichtquellen abzutasten. Für ein Objekt in diesem Abschnitt des Sichtbereichs können also Abtastungen mit mehreren Lichtquellen gleichzeitig vorgenommen werden, wodurch zusätzliche Informationen über das Objekt erfasst werden können, mithin folglich die Datengewinnung über das Objekt verbessert wird. Zudem kann die Geschwindigkeit der Datengewinnung erhöht werden, da die verschiedenen Lichtquellen (und damit beispielsweise verschiedene FMCW-Kanäle) für den Scan eines Abschnitts des Sichtbereichs parallel genutzt werden können.
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Gemäß der Erfindung sind mehrere Lichtquellen zum Erzeugen von Sendelicht vorgesehen. Das Sendelicht tritt von den Lichtquellen zunächst in das photonische Netzwerk ein und wird von dem photonischen Netzwerk den Abstrahlpunkten zugeführt, wobei insbesondere das Sendelicht einer Lichtquelle zumindest im Wesentlichen genau einem Abstrahlpunkt zugeführt wird. Das Sendelicht kann dann aus dem photonischen Netzwerk an den Abstrahlpunkten austreten und gegebenenfalls in die Sendeoptik eintreten. Die Sendeoptik kann auch Teil der Abstrahlpunkte sein. Letztlich wird das Sendelicht in den Sichtbereich abgestrahlt und kann dort auf das Objekt treffen, welches das Sendelicht remittiert, also zurückstrahlt. Das zurückgestrahlte Sendelicht wird durch den Detektor erfasst, wodurch beispielsweise die Entfernung zwischen dem optoelektronischen Sensor und dem Objekt anhand der Lichtlaufzeit des Sendelichts erfasst werden kann. Das zurückgestrahlte Sendelicht kann insbesondere an den Abstrahlpunkten wieder in das photonische Netzwerk eintreten, auf denselben Lichtpfaden durch das photonische Netzwerk hindurchgeleitet werden, wie das Sendelicht, und auf diese Weise zum Detektor geführt werden.
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Die Abstrahlpunkte können so angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass das Sendelicht eines jeweiligen Abstrahlpunkts in eine nur von dem jeweiligen Abstrahlpunkt abgedeckte Raumrichtung abstrahlt wird. Auf diese Weise können die Abstrahlpunkte Sendelicht in mehrere, insbesondere verschiedene, bevorzugt direkt, nebeneinander angeordnete oder benachbarte Teil-Sichtbereiche abstrahlen. Für jeden Abstrahlpunkt ist somit eindeutig, in welchen Teil-Sichtbereich dieser Abstrahlpunkt Sendelicht emittiert. Zusammen mit der Entfernung des Objekts kann somit die Position des Objekts relativ zu dem optoelektronischen Sensor bestimmt werden. Zu diesem Zweck kann der optoelektronische Sensor beispielsweise eine Steuereinrichtung aufweisen, die die Lichtquellen und das photonische Netzwerk ansteuert und das vom Detektor erfasste zurückgestrahlte Sendelicht auswertet.
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Die Teil-Sichtbereiche sind insbesondere voneinander getrennt und/oder überlappen sich nur mit den direkt benachbarten oder nebeneinander angeordneten Teil-Sichtbereichen. Ein Teil-Sichtbereich kann z.B. einen vorbestimmten Winkelbereich in der Ebene (bei einem zweidimensionalen Sichtbereich) oder einen vorbestimmten Raumwinkelbereich (bei einem dreidimensionalen Sichtbereich) umfassen. Der Winkelbereich kann z.B. 1 °, 2° oder 5° überspannen.
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Dadurch, dass zwischen den zwei Abstrahlpunkten, welchen Sendelicht der ersten Lichtquelle zuführbar ist, zumindest ein Abstrahlpunkt angeordnet ist, welchem Sendelicht der zweiten Lichtquelle zuführbar ist, ergibt sich für den Winkel- oder Raumbereich, welcher von der ersten und/oder zweiten Lichtquelle bestrahlt werden kann, dass dieser Winkel- oder Raumbereich nicht-zusammenhängend ist. Generell kann jeder Winkel- oder Raumbereich, welcher von derselben Lichtquelle des optoelektronischen Sensors bestrahlt werden kann, nicht-zusammenhängend sein.
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Bei den Lichtquellen kann es sich insbesondere um Laser handeln.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind der Beschreibung, den Figuren sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst das photonische Netzwerk zumindest einen optischen Schalter für jede Lichtquelle, wobei der jeweilige Schalter ausgebildet ist, Sendelicht zumindest zwei verschiedenen Lichtpfaden in dem photonischen Netzwerk zuzuleiten, insbesondere um Sendelicht, bevorzugt wahlweise, zumindest zwei verschiedenen Abstrahlpunkten zuzuführen. Durch den oder die optischen Schalter kann z.B. das Sendelicht der ersten Lichtquelle wahlweise einem ersten oder zweiten der ersten Lichtquelle zugeordneten Abstrahlpunkt zugeführt werden. Durch den Schalter können somit mit der ersten Lichtquelle verschiedene Winkel- oder Raumwinkel, d.h. verschiedene Teil-Sichtbereiche, abgetastet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das photonische Netzwerk zumindest eine Wellenleiterkreuzung, um Sendelicht der zweiten Lichtquelle einem Abstrahlpunkt zuzuführen, welcher zwischen den zwei verschiedenen Abstrahlpunkten liegt, welchen Sendelicht der ersten Lichtquelle zuführbar ist. Die Wellenleiterkreuzung kann also dazu verwendet werden, das Sendelicht der zweiten Lichtquelle einem Abstrahlpunkt zuzuführen, welcher zwischen zwei Abstrahlpunkten liegt, die der ersten Lichtquelle zugeordnet sind. Eine Wellenleiterkreuzung kann insbesondere dann benötigt werden, wenn das photonische Netzwerk in einer Ebene, beispielsweise auf einer Platine oder einem Wafer, angeordnet ist. Die Wellenleiterkreuzung kann beispielsweise zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisen, die kreuzförmig und/oder diagonal zueinander angeordnet sind. An einem Kreuzungspunkt der Wellenleiterkreuzung kann ein Überlagerungsbereich vorgesehen sein, durch welchen sowohl Sendelicht des ersten Eingangs als auch Sendelicht des zweiten Eingangs hindurchgeführt wird. In dem Überlagerungsbereich kann sich somit Sendelicht zweier verschiedener Lichtquellen überlagern, wobei das Sendelicht zumindest im Wesentlichen nur einer Lichtquelle aus jeweils einem der Ausgänge austritt.
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Alternativ zu solch einer planaren Anordnung ist es auch möglich, eine Wellenleiterkreuzung beispielsweise durch zwei räumlich übereinanderliegende, sich kreuzende aber voneinander getrennte Lichtleiter (z.B. separate Glasfasern) zu realisieren. Die voneinander getrennten Lichtleiter können beispielsweise sogenannte „photonic wirebonds“ umfassen, bei welchen Lichtleiter dreidimensional in einen photosensitiven Resist durch Belichten geschrieben werden. Der photosensitive Resist kann nach dem Belichten entwickelt und bis auf die entstandenen Lichtleiter entfernt werden. Ebenfalls können zwei räumlich übereinander liegende, sich kreuzende aber voneinander getrennte Lichtleiter z.B. durch zwei übereinander angeordnete Platinen oder Wafer erzielt werden, wobei eine Platine bzw. ein Wafer umgedreht angeordnet ist („flip chip bonding“). Das Sendelicht einer Lichtquelle kann dabei nur in einer der Platinen/Wafer verlaufen, wohingegen das Sendelicht einer anderen Lichtquelle zunächst in einer ersten Platine/Wafer geführt ist und dann in die zweite Platine/Wafer überführt wird, um das Kreuzen des Sendelichts zu bewirken. Nach dem Kreuzen wird das Sendelicht dann wieder in die erste Platine/Wafer zurückgeführt.
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Wenn hierin von einem Eingang oder Ausgang gesprochen wird, dann bezieht sich dies üblicherweise auf die Richtung des Sendelichts, d.h. auf die Richtung von der Lichtquelle zum Objekt. Für rückgestrahltes Sendelicht kann ein Ausgang dann als Eingang und ein Eingang als Ausgang z.B. eines Schalters oder einer Wellenleiterkreuzung angesehen werden.
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Wie erwähnt, kann das photonische Netzwerk in einer Ebene, beispielsweise auf einer Platine/Wafer, angeordnet sein. Das photonische Netzwerk umfasst bevorzugt keine beweglichen Teile, insbesondere für den oder die optischen Schalter und/oder die Wellenleiterkreuzung(en). Der optische Schalter kann beispielsweise einen, insbesondere einzigen, Eingang aufweisen, der mit der Lichtquelle verbunden ist. Der optische Schalter kann weiterhin zwei Ausgänge umfassen, die jeweils mit einem Lichtpfad zu zwei verschiedenen Abstrahlpunkten verbunden sind. Die Lichtpfade können in den Abstrahlpunkten enden. Die Schalter können z.B. über elektrooptische oder thermooptische Mechanismen angesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Schalter plasmonisch-photonische Schalter oder photonische Kristallschalter sein. Die Schalter können ausgebildet sein, jeweils den Hauptanteil oder den Großteil (z.B. 50%, 70%, 80% oder 90%) der Energie des Sendelichts einem einzigen der Ausgänge zuzuführen.
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Ein optischer Schalter kann beispielsweise zwei benachbarte Lichtleiterfasern aufweisen, zwischen welchen durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld aufgebaut werden kann. Wird am Eingang des Schalters (d.h. am Eingang der ersten Faser) Licht eingekoppelt und es liegt eine Spannung an, dann überträgt sich das Licht zur zweiten Faser und kann an deren Ende ausgekoppelt werden. Wenn keine Spannung anliegt, verbleibt das Licht in der ersten Faser und kann in der ersten Faser beispielsweise bis zu einem Abstrahlpunkt geführt und dort ausgekoppelt werden. Übliche Schaltfrequenzen von solchen optischen Schaltern liegen im Bereich von 0,5 bis 5 MHz, so dass ein schnelles Abscannen des Sichtbereichs über verschiedene Teil-Sichtbereiche möglich ist. Alternativ oder zusätzlich können optische Schalter auch mechanisch, beispielsweise mittels Mikrospiegeln, realisiert sein. Die optischen Schalter können dazu in MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Technologie hergestellt sein.
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Die Wellenleiterkreuzungen hingegen können keine Schaltwirkung aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Sensor zumindest drei, vier oder mehr als vier Lichtquellen, wobei zwischen zwei verschiedenen Abstrahlpunkten, welchen Sendelicht derselben Lichtquelle zuführbar ist, jeweils für jede andere Lichtquelle ein Abstrahlpunkt angeordnet ist, welchem Sendelicht einer der anderen Lichtquellen zugeführt werden kann. Die durch die Wellenleiterkreuzung ermöglichte Zuführung von Sendelicht einer anderen Lichtquelle zu einem Abstrahlpunkt, welcher zwischen zwei Abstrahlpunkten derselben Lichtquelle liegt ist für größere Anzahlen von Lichtquellen genauso möglich. Die Offenbarung zu der ersten und zweiten Lichtquelle gilt folglich entsprechend für größere Anzahlen von Lichtquellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das photonische Netzwerk eine photonische integrierte Schaltung auf, welche insbesondere den optischen Schalter und die Wellenleiterkreuzung aufweist. Die photonische integrierte Schaltung kann auch als PIC (Photonic Integrated Circuit) bezeichnet werden. Das photonische Netzwerk kann eine Vielzahl von Schaltern und Wellenleiterkreuzungen aufweisen, um somit Sendelicht der Lichtquellen einer Vielzahl von Abstrahlpunkten wahlweise zuzuführen. Die Abstrahlpunkte können Teil der photonischen integrierten Schaltung sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Abstrahlpunkte entlang einer geraden Linie angeordnet. Alternativ ist zumindest die Mehrheit der Abstrahlpunkte entlang einer geraden Linie angeordnet. Die Anordnung entlang der geraden Linie kann insbesondere Teil der photonischen integrierten Schaltung sein. Die Abstrahlpunkte können in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet sein, beispielsweise direkt an einer Kante der Platine oder des Wafers der photonischen integrierten Schaltung. Ebenfalls können die Lichtquellen oder zumindest Einkoppelpunkte für die Lichtquellen in das photonische Netzwerk nebeneinander in einer Ebene angeordnet sein. Aus der Anordnung in der Ebene ergibt sich die Notwendigkeit von einer oder mehreren Wellenleiterkreuzungen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist zumindest ein Teil der Abstrahlpunkte entlang einer gebogenen, elliptischen oder kreisförmigen Bahn angeordnet, welche beispielsweise um einen Objektivmittelpunkt eines Objektivs der Sendeoptik verläuft. Bei dieser Ausführungsform kann eine Kante der Platine oder des Wafers mit den an der Kante liegenden Abstrahlpunkten gebogen, elliptisch oder kreisförmig ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der optoelektronische Sensor eine Gruppe von direkt nebeneinander angeordneten Abstrahlpunkten auf, wobei die Anzahl der Abstrahlpunkte in der Gruppe der Anzahl der Lichtquellen entspricht, wobei jedem der Abstrahlpunkte in der Gruppe Sendelicht einer anderen Lichtquelle zuführbar ist. Bei einer Gruppe kann es dementsprechend um eine Anzahl von direkt nebeneinander angeordneten Abstrahlpunkten handeln. Jedem der Abstrahlpunkte in der Gruppe kann, insbesondere gleichzeitig, Sendelicht einer anderen Lichtquelle zugeführt werden. Dies bedeutet, dass es möglich ist, mit den Abstrahlpunkten einer Gruppe Sendelicht, insbesondere gleichzeitig, in die direkt nebeneinander angeordneten Teil-Sichtbereiche abzustrahlen und diese Teil-Sichtbereiche damit zu scannen.
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Wie später in 2 genauer dargestellt ist, können beispielsweise vier Lichtquellen und vier Gruppen vorgesehen sein. Die erste Lichtquelle kann dann mit einem Abstrahlpunkt in der ersten Gruppe, mit einem Abstrahlpunkt in der zweiten Gruppe, einem weiteren Abstrahlpunkt in der dritten Gruppe und schließlich einem Abstrahlpunkt in der vierten Gruppe wahlweise verbunden werden. Dasselbe gilt für die zweite bis vierte Lichtquelle. Auf diese Weise ergeben sich vier Gruppen mit jeweils vier Abstrahlpunkten. Zwischen zwei Abstrahlpunkten, welchen Sendelicht derselben Lichtquelle zuführbar ist, liegen bevorzugt so viele Abstrahlpunkte, wie es verbleibende Lichtquellen gibt. Jedem der dazwischenliegenden Abstrahlpunkte ist bevorzugt Sendelicht genau einer der verbleibenden Lichtquellen zuführbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehrere, insbesondere gleiche oder gleichartige, Gruppen aufeinanderfolgend angeordnet. Die Abstrahlpunkte verschiedener Gruppen können somit hintereinander entlang insbesondere der geraden Linie angeordnet sein. Die Abstrahlpunkte, welchen Sendelicht verschiedener Lichtquellen zugeführt werden kann, können somit alternierend angeordnet sein. Gemeinsam können die Gruppen den gesamten Sichtbereich des Sensors abdecken, d.h. die Abstrahlpunkte der Gruppen und damit die Teil-Sichtbereiche der Gruppen decken den gesamten Sichtbereich des Sensors ab. Durch die alternierende Anordnung der Abstrahlpunkte kann jede Lichtquelle so Sendelicht in gänzlich verschiedene Richtungen des Sichtbereichs abstrahlen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Teil der Abstrahlpunkte ausgebildet, Sendelicht in dichter nebeneinander angeordnete Teil-Sichtbereiche abzustrahlen, als die übrigen Abstrahlpunkte oder ein Teil der übrigen Abstrahlpunkte. Dichter nebeneinander angeordnete Teil-Sichtbereiche können beispielsweise durch dichter nebeneinander angeordnete Abstrahlpunkte erzielt werden. Insbesondere können mehrere, z.B. zentral angeordnete, Abstrahlpunkte einen geringeren Abstand zu den jeweils direkt benachbarten Abstrahlpunkten aufweisen, als z.B. peripher angeordnete Abstrahlpunkte. Allgemein gesprochen, können nicht alle Abstrahlpunkte äquidistant zu den jeweils direkt benachbarten Abstrahlpunkten angeordnet sein. Auf diese Weise kann z.B. ein zentraler Bereich mit höherer Auflösung abgetastet werden, wohingegen Randbereiche nur mit geringerer Auflösung abgetastet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der optoelektronische Sensor ausgebildet ist, einem Teil der Abstrahlpunkte Sendelicht für eine längere Zeitdauer als anderen Abstrahlpunkten, welchen Sendelicht zugeführt wird, zuzuführen. Durch die längere Zeitdauer der Zuführung von Sendelicht kann z.B. eine größere Reichweite erzielt werden. Eine solche größere Reichweite kann in Automotive-Anwendungen vorteilhaft sein, um z.B. denjenigen Teil des Sichtbereichs, welcher dem Horizont entspricht, mit einer größeren Reichweite abzutasten.
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Die oben erwähnten dichter angeordneten Abstrahlpunkte und/oder Teil-Sichtbereiche können auch auf den Horizont gerichtet sein, sodass neben der erhöhten Reichweite auch eine erhöhte Auflösung in diesem Bereich erzielt werden kann. Der Bereich des Horizonts ist für Automotive-Anwendungen üblicherweise der Relevanteste.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das photonische Netzwerk eine erste Stufe mit optischen Schaltern und Wellenleiterkreuzungen, wobei die optischen Schalter jeweils einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen, wobei die Ausgänge jedes Schalters, insbesondere insgesamt, mit mehreren Wellenleiterkreuzungen verbunden sind, so dass die Ausgänge eines Schalters zumindest einen Ausgang jedes anderen Schalters einmal kreuzen.
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Die Eingänge der optischen Schalter der ersten Stufe können jeweils, bevorzugt direkt, mit einer Lichtquelle gekoppelt sein. Durch den jeweiligen optischen Schalter kann das Sendelicht der Lichtquelle dann zwei verschiedenen Lichtpfaden zugeführt werden, um schließlich zu zumindest zwei verschiedenen Abstrahlpunkten zu gelangen. Um beispielsweise eine alternierende Anordnung der Abstrahlpunkte zu erreichen, sind wiederum Wellenleiterkreuzungen vorgesehen, wobei die Wellenleiterkreuzungen derart angeordnet sind, dass die Ausgänge bzw. Lichtpfade eines Schalters zumindest einen Ausgang bzw. Lichtpfad jedes anderen Schalters einmal kreuzen. Die erste Stufe umfasst somit insbesondere doppelt so viele Ausgänge wie Eingänge.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das photonische Netzwerk eine zweite und/oder eine oder mehrere weitere Stufen mit optischen Schaltern und Wellenleiterkreuzungen, wobei die optischen Schalter jeweils einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen, wobei die Ausgänge jedes Schalters, insbesondere insgesamt, mit mehreren Wellenleiterkreuzungen verbunden sind, so dass die Ausgänge eines Schalters zumindest einen Ausgang jedes anderen Schalters einmal kreuzen, wobei jeweils ein optischer Schalter der zweiten und/oder weiteren Stufe(n) für einen Ausgang der vorherigen Stufe vorgesehen ist. Die Ausgänge der vorherigen Stufe können also, bevorzugt direkt, mit jeweils einem optischen Schalter der zweiten oder weiteren Stufen gekoppelt sein. Die Ausgänge bzw. Ausgangspfade der letzten Stufe können das Sendelicht dann den Abstrahlpunkten zuführen. Für die zweite und jede weitere Stufe gilt wiederum, dass zur Schaffung von alternierenden Abstrahlpunkten die Ausgänge bzw. Ausgangspfade jedes Schalters zumindest einen Ausgangspfad jedes anderen Schalters dieser Stufe einmal kreuzen, wie dies später in 2 dargestellt ist.
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Für jede Stufe verdoppelt sich somit insbesondere die Zahl der Abstrahlpunkte, welchen Sendelicht zuführbar ist.
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Es ist auch möglich, anstelle von Wellenleiterkreuzungen auch weitere Schalter zu verwenden, wobei die weiteren Schalter - wie die Wellenleiterkreuzungen - zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisen können. Die Wellenleiterkreuzungen könnten also durch solche Schalter ersetzt werden. In diesem Fall wäre es möglich, jede Lichtquelle auf jeden Abstrahlpunkt wahlweise zu schalten. Damit könnte jede Lichtquelle grundsätzlich jeden Teil-Sichtbereich abtasten.
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Wie erwähnt, kann der optoelektronische Sensor zur optischen Distanzmessung ausgebildet sein. Insbesondere kann jede Lichtquelle einem einzelnen Messkanal zugeordnet sein, so dass mit jeder Lichtquelle je ein Distanzwert ermittelt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jede Lichtquelle Teil eines, insbesondere jeweils einkanaligen, FMCW-Systems zur Distanzmessung zu dem Objekt. Für jede Lichtquelle kann also eine separate Entfernungsmessung zum Objekt durchgeführt werden. Die Entfernungsmessung erfolgt dabei insbesondere von dem jeweils gerade für die Lichtquelle verwendeten Abstrahlpunkt aus. Die einkanaligen FMCW-Systeme können zudem auch ausgebildet sein, eine Radialgeschwindigkeitsmessung und/oder eine polarisationsabhängige Intensitätsmessung anhand von von dem Objekt rückgestrahltem Sendelicht vorzunehmen.
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Ein FMCW-System ist ein System, welches eine frequenzmodulierte kontinuierliche Welle aussendet (FMCW für Frequency Modulated Continuous Wave).
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Bei einem FMCW-System ist dementsprechend der Sendelichtstrahl frequenzmoduliert, wobei der Sendelichtstrahl wiederholt einen vorbestimmten Frequenzhub durchläuft, während er in den Sichtbereich des Sensors abgestrahlt wird. Die Frequenz des Sendelichts ändert sich somit ständig. Wird nun von einem Objekt zurückgestrahltes Sendelicht von einem Detektor des optoelektronischen Sensors erfasst, so besitzt das rückgestrahlte Sendelicht aufgrund der Lichtlaufzeit eine andere Frequenz als das zum Empfangszeitpunkt gerade gesendete Sendelicht. Aus diesem Frequenzunterschied kann dann die Entfernung zu dem Objekt bestimmt werden.
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Um eine schnelle und möglichst genaue Entfernungsmessung zu ermöglichen, kann ein Frequenzhub von beispielsweise 20, 100 oder gar 200 GHz innerhalb einer Modulationszeitdauer von beispielsweise 2, 5 oder 10 µs durchlaufen werden. Der Frequenzhub kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Wellenlänge der optischen Strahlung des Sendelichts z.B. beginnend bei einer unteren Frequenz in der Modulationszeitdauer bis zu einer oberen Frequenz geändert wird (oder umgekehrt). Der Unterschied zwischen der momentan gesendeten Frequenz und der Frequenz des empfangenen zurückgestrahlten Sendelichts kann beispielsweise durch Mischung des zurückgestrahlten Sendelichts mit einem Teil des gerade erzeugten Sendelichts ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das von dem Objekt zurückgestrahlte Sendelicht an den Abstrahlpunkten in das photonische Netzwerk eingekoppelt und mittels des photonischen Netzwerks dem Detektor zugeführt, wobei für jede Lichtquelle bevorzugt ein separater Detektor vorhanden ist. Das zurückgestrahlte Sendelicht kann den gleichen Lichtpfad durch das photonische Netzwerk verwenden, wie das Sendelicht der jeweiligen Lichtquelle. Das zurückgestrahlte Sendelicht kann insbesondere über einen Zirkulator oder mittels anderer Einrichtungen aus dem Lichtpfad ausgekoppelt, von dem Sendelicht getrennt und dem Detektor zugeführt werden. Insbesondere kann der Zirkulator zwischen der jeweiligen Lichtquelle und dem ersten optischen Schalter des photonischen Netzwerks angeordnet sein.
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Alternativ kann das zurückgestrahlte Sendelicht über eine von dem Sendelicht nicht verwendete, separate Optik dem Detektor zugeführt werden. Weiter alternativ oder zusätzlich kann das zurückgestrahlte Sendelicht und das Sendelicht anhand der Polarisation unterschieden werden. Auf diese Weise kann das zurückgestrahlte Sendelicht anhand seiner Polarisation einer von dem Sendelicht nicht verwendeten, separate Optik und schließlich dem Detektor zugeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform verwenden zumindest die erste und die zweite Lichtquelle unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Wellenlängenbereiche für das Sendelicht. Insbesondere können auch alle Lichtquellen unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Wellenlängenbereiche für das Sendelicht verwenden. Die Wellenlängen und/oder die Grenzwellenlängen der Wellenlängenbereiche können sich beispielsweise um zumindest 0,1 %, 1%, 5% oder 10% unterscheiden. Die von den Lichtquellen verwendeten Wellenlängen können sich insbesondere zum Zeitpunkt der Erzeugung des Sendelichts voneinander unterscheiden. Nichtsdestotrotz kann beispielsweise eine erste Lichtquelle zu einem späteren Zeitpunkt eine Wellenlänge verwenden, die zu einem früheren Zeitpunkt von einer zweiten Lichtquelle bereits genutzt wurde. Durch die unterschiedlichen Wellenlängen kann ein Übersprechen („cross-talk“) in Wellenleiterkreuzungen minimiert werden. Überdies können Fehl-Detektionen von zurückgestrahltem Sendelicht anderer Lichtquellen reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Abstrahlpunkte, bevorzugt jeder der Abstrahlpunkte, mit einem optischen Verstärker gekoppelt. Bei dem optischen Verstärker kann es sich beispielsweise um einen SOA (Semiconductor Optical Amplifier) handeln. Durch den optischen Verstärker können Verluste in dem photonischen Netzwerk ausgeglichen werden, bevor das Sendelicht von den Abstrahlpunkten in die Teil-Sichtbereiche abgestrahlt wird.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors, welches zur Erfassung eines Objekts in einem Sichtbereich des Sensors dient, wobei
- - eine erste und eine zweite Lichtquelle Sendelicht erzeugen, wobei die Lichtquellen Sendelicht an ein photonisches Netzwerk abgeben, wobei das Sendelicht mehreren Abstrahlpunkten des photonischen Netzwerks zugeführt wird, wobei das Sendelicht bevorzugt aus den Abstrahlpunkten austritt, gegebenenfalls in die Sendeoptik hinein, insbesondere letztlich in den Sichtbereich, wobei aus mehreren direkt nebeneinander angeordnete oder benachbarten Abstrahlpunkten Sendelicht in, insbesondere verschiedene und/oder mehrere, bevorzugt direkt, benachbarte und/oder nebeneinander angeordnete Teil-Sichtbereiche abgestrahlt wird,
- - zumindest ein Detektor von dem Objekt zurückgestrahltes Sendelicht erfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Sendelicht der zweiten Lichtquelle zumindest einem Abstrahlpunkt zugeführt wird, welcher zwischen zwei Abstrahlpunkten liegt, welchem Sendelicht der ersten Lichtquelle zuführbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der optoelektronische Sensor zumindest noch eine dritte Lichtquelle, wobei Sendelicht der ersten, zweiten und dritten Lichtquelle, insbesondere zeitgleich, drei direkt nebeneinander angeordneten Abstrahlpunkten, bevorzugt zeitgleich, zugeführt und in drei direkt nebeneinander angeordnete Teil-Sichtbereiche abgestrahlt wird. Bei vier Lichtquellen können dementsprechend vier direkt nebeneinander angeordnete Abstrahlpunkte verwendet werden. Bei noch mehr Lichtquellen gilt die Offenbarung entsprechend.
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Durch die Verwendung von mehreren direkt nebeneinander angeordneten Abstrahlpunkten kann eine gleichzeitige oder zeitlich überlappende Abtastung der verschiedenen Teil-Sichtbereiche erfolgen, wodurch innerhalb kurzer Zeit detaillierte Informationen über das Objekt und den Abstand des Objekts in verschiedenen Teil-Sichtbereichen erfasst werden können.
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Dem vorgenannten Aussenden von Sendelicht aus zumindest drei direkt nebeneinander angeordneten Abstrahlpunkten kann auch ein Grobscan vorausgehen, um die Position des Objekts zunächst grob zu erfassen. Hierzu kann Sendelicht der verschiedenen Lichtquellen Abstrahlpunkten zugeführt werden, welche jeweils durch zumindest einen oder mehrere andere Abstrahlpunkte von anderen gerade aktiven Abstrahlpunkten beabstandet sind. Beispielsweise kann in jeder der oben erläuterten Gruppen genau ein Abstrahlpunkt verwendet werden, wobei für die verschiedenen Gruppen Sendelicht verschiedener Lichtquellen verwendet wird. Ist dann die grobe Position des Objekts bekannt, so können dann die Lichtquellen auf direkt nebeneinander angeordnete Abstrahlpunkte aufgeschaltet werden, um Sendelicht in Teil-Sichtbereiche abzustrahlen, in welchen das Objekt voraussichtlich erfasst werden kann.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren gelten die zum erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor getroffenen Aussagen entsprechend, dies gilt insbesondere hinsichtlich Vorteilen und Ausführungsformen.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
- 1 einen optoelektronischen Sensor und ein Objekt im Sichtbereich in schematischer Ansicht;
- 2 Lichtquellen des optoelektronischen Sensors von 1 sowie ein photonisches Netzwerk;
- 3 einen optischen Schalter;
- 4 eine Wellenleiterkreuzung; und
- 5 eine alternative Darstellungsform des photonischen Netzwerks.
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1 zeigt einen optoelektronischen Sensor 10, welcher Sendelicht 12 in einen Sichtbereich 14 emittiert. Der Sichtbereich kann auch als Field of View (FoV) bezeichnet werden.
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Im Sichtbereich 14 befindet sich ein zu erfassendes Objekt 16, auf welches das Sendelicht 12 auftrifft und zurückgestrahlt wird. Dieses zurückgestrahlte Sendelicht 18 gelangt zurück zum Sensor 10 und wird dort von einem (nicht gezeigten) Detektor erfasst. Durch die Erfassung des zurückgestrahlten Sendelichts 18 kann durch Ermittlung der Lichtlaufzeit der Abstand zwischen dem Sensor 10 und dem Objekt 16 berechnet werden.
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Der optoelektronische Sensor 10 umfasst eine Steuereinrichtung 20, welche beispielsweise die Ermittlung der Distanz zwischen dem Sensor 10 und dem Objekt 16 vornimmt. Die Steuereinrichtung 20 umfasst vier einkanalige FMCW-Systeme (nicht gezeigt) mit jeweils einer Lichtquelle 22. Die Lichtquellen 22 der einkanaligen FMCW-Systeme werden von der Steuereinrichtung 20 gesteuert. In der 1 sind von den Lichtquellen 22 schematisch nur Austrittspunkte gezeigt.
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Die Lichtquellen 22 geben an den Austrittspunkten Sendelicht 12 an ein photonisches Netzwerk 24 ab. Von dem photonischen Netzwerk 24 wird das Sendelicht 12 wahlweise verschiedenen Abstrahlpunkten 26 zugeführt. Von den Abstrahlpunkten 26 gelangt das Sendelicht 12 durch eine als Linse 28 ausgeführte Sendeoptik in den Sichtbereich 14. Von jedem Abstrahlpunkt 26 aus kann nur ein Teil-Sichtbereich 30 mit Sendelicht 12 bestrahlt und damit optisch abgetastet werden.
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Die Details des photonischen Netzwerks 24 sind in 2 gezeigt. In 2 sind die vier Lichtquellen 22 detaillierter als erste Lichtquelle 22a, zweite Lichtquelle 22b, dritte Lichtquelle 22c und vierte Lichtquelle 22d dargestellt. Mit jeder der Lichtquellen 22 ist direkt ein optischer Schalter 32 einer ersten Stufe 34 gekoppelt.
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Wie 3 zeigt, umfasst jeder optische Schalter 32 einen Eingang E1 und zwei Ausgänge A1, A2. Am Eingang E1 ankommendes Sendelicht, kann wahlweise, beispielsweise gesteuert durch die Steuereinrichtung 20, nur aus dem Ausgang A1 oder nur dem Ausgang A2 austreten.
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Mit den Ausgängen A1, A2 der optischen Schalter 32 sind Wellenleiterkreuzungen 36 verbunden.
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Die Wellenleiterkreuzungen 36 umfassen, wie in 4 gezeigt, zwei Eingänge E1, E2 und zwei Ausgänge A1, A2. Dabei liegen sich der Eingang E1 und der Ausgang A1 sowie der Eingang E2 und der Ausgang A2 jeweils diagonal gegenüber, so dass sich der gewünschte Kreuzungseffekt ergibt. In den Eingang E1 zugeführtes Sendelicht tritt nur am Ausgang A1 wieder aus. Am Eingang E2 ankommendes Sendelicht tritt nur am Ausgang A2 wieder aus.
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Die sechs Wellenleiterkreuzungen 36 der ersten Stufe 34 sind derart angeordnet, dass die sich aus den beiden Ausgängen A1, A2 jedes einzelnen Schalters 32 ergebenden Lichtpfade zumindest einen Ausgang (bzw. die entsprechenden Lichtpfade) jedes anderen Schalters 32 der ersten Stufe 34 einmal kreuzen. Wird beispielsweise der direkt mit der Lichtquelle 22d verbundene Schalter 32 betrachtet, so ist der (in der Figur obere) Ausgang A1 mit einer Wellenleiterkreuzung 36 und der (in der Figur untere) Ausgang A2 mit zwei Wellenleiterkreuzungen verbunden. Dadurch kreuzt der obere Ausgang A1 des Schalters 32 den unteren Ausgang A2 des in der Figur obersten Schalters 32 und der untere Ausgang A2 des Schalters 32 kreuzt die beiden oberen Ausgänge A1 der beiden unteren Schalter 32 der ersten Stufe 34.
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Insgesamt ergeben sich für die erste Stufe 34 somit acht Ausgänge bzw. Ausgangspfade, welche mit optischen Schaltern einer zweiten Stufe 38 gekoppelt sind. Die Ausgänge der Schalter 32 der zweiten Stufe 38 sind jeweils insgesamt mit sieben Wellenleiterkreuzungen 36 verbunden, so dass die Ausgänge eines Schalters 32 der zweiten Stufe 38 zumindest einen Ausgang jedes anderen Schalters einmal kreuzen.
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Nach der zweiten Stufe 38 liegen somit sechzehn Ausgänge vor, die sechzehn Abstrahlpunkten 26 zugeführt werden. Die sechzehn Abstrahlpunkte 26 sind in vier Gruppen 40 gegliedert, wobei in jeder Gruppe 40 jeder der Abstrahlpunkte 26 einer anderen Lichtquelle 22 zuordenbar ist. Die Abstrahlpunkte 26, welche der ersten Lichtquelle 22a zuordenbar sind und welchen dementsprechend Sendelicht 12 der ersten Lichtquelle 22a zuführbar ist, sind in der Figur mit 1.x gekennzeichnet. Die der zweiten Lichtquelle 22b zuordenbaren Abstrahlpunkte 26 sind in entsprechender Weise mit 2.x gekennzeichnet. Abstrahlpunkte der ersten Gruppe 40 sind mit x.1, Abstrahlpunkte der zweiten Gruppe mit x.2 benannt. Für die weiteren Lichtquellen 22c, 22d und die weiteren Gruppen 40 erfolgt die Benennung entsprechend.
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Durch die Wellenleiterkreuzungen ist es möglich, dass zwischen zwei verschiedenen Abstrahlpunkten 26, welchen Sendelicht derselben Lichtquelle 22 zuführbar ist, jeweils für jede andere Lichtquelle 22 ein Abstrahlpunkt 26 angeordnet ist, welchem Sendelicht 12 einer der anderen Lichtquellen 22 zugeführt werden kann.
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Insbesondere die Abstrahlpunkte 2.2, 3.2, 4.2, 1.3, 2.3 und 3.3 können jeweils einen kleineren Abstand zueinander aufweisen als die anderen Abstrahlpunkte. Auf diese Weise kann im zentral im Sichtbereich 14 eine erhöhte Auflösung erzielt werden.
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In 2 ist die Anordnung des photonischen Netzwerks 24 so dargestellt, wie die Schalter 32 und die Wellenleiterkreuzungen 36 in einer photonischen integrierten Schaltung räumlich angeordnet sein könnten. Eine andere Darstellungsweise des photonischen Netzwerks 24, nämlich als Matrixschaltung, ist in 5 gezeigt. Das photonische Netzwerk 24 von 5 unterscheidet sich von dem photonischen Netzwerk 24 von 2 lediglich durch einen optischen Verstärker 42. Es versteht sich, dass für jeden Abstrahlpunkt 26 auch ein separater optischer Verstärker 42 vorgesehen sein könnte.
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Im Betrieb des optischen Sensors 10 können die vier Lichtquellen 22 zunächst einen Grob-Scan ausführen, wobei beispielsweise die Abstrahlpunkte 1.1, 2.2, 3.3 und 4.4 verwendet werden. Wird dann anhand des zurückgestrahlten Sendelichts 18 festgestellt, dass sich das Objekt 16 in Teil-Sichtbereichen 30 befindet, welche zu Abstrahlpunkten 26 der zweiten Gruppe 40 gehören, so können die optischen Schalter 32 dann so eingestellt werden, dass sämtliche Lichtquellen 22 gleichzeitig Sendelicht über die Abstrahlpunkte 26 der zweiten Gruppe (d.h. die Abstrahlpunkte 1.2, 2.2, 3.2 und 4.2) in den Sichtbereich 14 emittieren. Das Objekt 16 kann dann sehr schnell und sehr genau erfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- optoelektronischer Sensor
- 12
- Sendelicht
- 14
- Sichtbereich
- 16
- Objekt
- 18
- zurückgestrahltes Sendelicht
- 20
- Steuereinrichtung
- 22
- Lichtquellen
- 24
- photonisches Netzwerk
- 26
- Abstrahlpunkt
- 28
- Linse
- 30
- Teil-Sichtbereich
- 32
- optischer Schalter
- 34
- erste Stufe
- 36
- Wellenleiterkreuzung
- 38
- zweite Stufe
- 40
- Gruppe
- 42
- optischer Verstärker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020110142 A1 [0003]
- EP 3916424 A1 [0003]