EP1470434A2 - Tiefenerfassende bildgebende vorrichtung - Google Patents

Tiefenerfassende bildgebende vorrichtung

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Publication number
EP1470434A2
EP1470434A2 EP03706242A EP03706242A EP1470434A2 EP 1470434 A2 EP1470434 A2 EP 1470434A2 EP 03706242 A EP03706242 A EP 03706242A EP 03706242 A EP03706242 A EP 03706242A EP 1470434 A2 EP1470434 A2 EP 1470434A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
radiation
detection sensor
seed
object detection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03706242A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Bonnet
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Spheron VR AG
Original Assignee
Spheron VR AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Spheron VR AG filed Critical Spheron VR AG
Publication of EP1470434A2 publication Critical patent/EP1470434A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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    • H01S3/10092—Coherent seed, e.g. injection locking
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the present invention relates to the preamble and thus deals with the measurement of the distance of objects using frequency-shifted feedback radiation sources.
  • a light beam is split into a reference light beam and an object light beam.
  • the object light beam is irradiated onto an object and received back by it.
  • the reference and object light beams are then superimposed on a light receiver and it is then concluded from the superimposition signal how far the object is.
  • this procedure allows highly precise measurements; however, depth measurement on extended objects is difficult at various points.
  • FSF lasers frequency shifted feedback lasers
  • the principle of distance measurement with an FSF laser which contains an acousto-optic modulator in addition to the amplification medium in its resonator, can be briefly illustrated as follows: Light amplification of light waves entering the amplification medium only takes place for those frequencies at which the amplification is greater than 1 is. At all other frequencies, the light is attenuated as usual. Similar to a vibrating string, the optical resonator now has preferred frequencies, so-called resonator modes. Each resonator mode has a certain frequency, which means that it corresponds to light of a precisely defined wavelength. Those resonator modes in which the amplification of the amplifying medium is greater than 1 are now preferably emitted.
  • this is the behavior of a laser without an acousto-optic modulator. If the acousto-optic modulator is now excited, the material vibration creates a moving grid of different densities; the light circulating in the resonator is diffracted at this density grating, an interaction of the light photons with the phonons characterizing the density oscillation of the acousto-optic modulator, which shifts the frequency of the diffracted light by the excitation frequency of the acousto-optic modulator.
  • the laser modes shift slightly in frequency with time, that is, the frequency of a mode changes with time; if there is more than one mode, this applies to all modes that vibrate in the resonator.
  • the object of this invention is to provide something new for commercial use.
  • a device for spatially resolved object distance determination with a frequency-shifted feedback radiation source for object irradiation with radiation that can be used for distance determination and a position-sensitive object detection sensor is proposed, the frequency-shifted feedback radiation source for object irradiation with a means for increasing the emission frequency component and the position detection sensitivity for the object intensity Detection of the beat intensity is formed by the object and not by the incoming radiation.
  • Noise caused by measurements with state-of-the-art FSF lasers therefore does not appear to be a consequence of the noise of the laser, but rather the actual measurement signals themselves that are caused only by the noise of the laser, that is to say its inherent fluctuations.
  • this knowledge it is now not only proposed that means for increasing the intensity of the beat of frequency components of the emitted radiation are provided at the radiation source, but it is also given how this knowledge can be used for better spatially resolved object distance determination.
  • the means for increasing the emission frequency component beat intensity are designed as means for increasing the non-stochastic emission frequency component beat intensity; they will therefore require an increase in intensity above that which is caused by spontaneous emission, particularly in the gain medium.
  • an injection light source which injects light into the radiation source, that is to say provides a seed radiation field there.
  • the radiation source is an injection laser. Its radiation can be guided into the resonator, in particular and / or onto the gain medium of the frequency-shifted feedback radiation source.
  • the injection light source emits light at a wavelength which is close to that at which the gain of the gain medium of the frequency-shifted feedback radiation source is 1; it can optionally be radiated near the upper and / or lower threshold wavelength.
  • the frequency of the injected light radiation will typically be within the range in which the gain G is greater than 1 and not outside. In the case of seed radiation injected very close to the threshold and in particular modulation thereof, however, this threshold can in particular be temporarily exceeded. However, it would always be preferred to select the irradiation frequency in such a way that amplification takes place after a few resonator revolutions.
  • the injection light source emits radiation in a narrow band, narrow band being related to the gain bandwidth of the gain medium of the frequency-shifted feedback radiation source.
  • a narrow band can have a width of not more than 5%, preferably not more than 1%, of the gain bandwidth.
  • a single-mode injection laser with an exactly defined, modulable frequency and / or amplitude is used for the injection.
  • the injection light radiation is preferably varied with regard to the intensity and / or the phase. This variation can take place, for example, by means of regular modulation, that is to say modulation of intensity and / or phase that obeys prescribed laws or is subject to restrictions, although this does not necessarily have to be even.
  • the modulation is not constant, but if the intensity and / or the phase of the modulation of the injection light radiation varies with time, which is done particularly advantageously in a periodic manner. It is particularly preferred if the frequency of the intensity modulation is changed linearly within certain intervals, because a linear variation of the modulation frequency of the injection light radiation significantly simplifies an evaluation of beat signals obtained, in particular for determining the distance.
  • a modulation of the radiation emitted from the injection light source is carried out with respect to phase and / or intensity, it is preferred if the frequency of this modulation is close to that which results from the so-called chirp rate and the distance which is currently determined with the radiation source ,
  • the chirate rate is given by the frequency of the acousto-optical or other modulator within the frequency-shifted feedback radiation source, based on the round trip time of the radiation in the resonator of this source.
  • the radiation source will typically be a frequency-shifted feedback laser. This can in particular in infrared, in particular in eye-safe areas.
  • the wavelength ranges which can be used particularly inexpensively for telecommunication devices and are well developed in terms of technology can also be used for the purposes of the present invention, which opens up the possibility of using inexpensive elements in the construction of arrangements and devices.
  • the frequency-shifted feedback radiation source is formed by a laser and the means for increasing the emission frequency component beat intensity is a frequency-modulated seed laser that radiates seed light into the first laser, the device further comprising a means for adapt the frequency of the seed laser frequency modulation to the distances to be determined.
  • the device for spatially resolved object distance determination comprises a tunable seed laser and the beat signal is determined as a function of the seed laser scan.
  • the seed frequency is changed gradually in order to provide sufficient time for setting a stable beat and determining it on the sensor.
  • the seed frequency can accordingly be changed in stages and kept constant for a certain measuring time.
  • the seed frequency can also be systematically changed in different runs be changed, with different levels and the like, it being clear that the object distance is then determined taking into account the signals from several passes.
  • a filter can be specially designed to filter out only the AC signal components. It is particularly advantageous that a relevant signal will only occur in the area of the seed frequency and can therefore be narrow-band filtered to this seed frequency, the filter being able to run with the seed frequency and / or having a certain narrow-band nature. It should be pointed out that artifacts can lead to sharp frequency components with a high proportion being present in the conditioned object detection sensor signal, whereby these frequency components can differ from the seed frequency. Such interference signals can be filtered out particularly well with narrow-band filters.
  • the object detection sensor signal conditioning will typically include signal amplification, it being particularly preferred to provide the amplification behind the filter stage because a very large amplification is possible there, which allows even very weak beat signals to be evaluated per se.
  • the regulated and / or controlled signal conditioning in particular with regard to the regulated and / or otherwise set gain, is particularly preferred in order to be able to measure even at large intervals.
  • the signature of the object detection sensor signal is typically detected as a function of the seed frequency tuning. It can be provided that the maximum value of the object detection sensor signal is determined during the seed frequency tuning, whereby, as mentioned above, the seed frequency tuning can be carried out step by step, or that an effective value is determined which is amplified as a real effective value after rectification and low-pass filtering of the preferably bandpass-filtered Object detection sensor signal is obtained and / or the effective value can be determined in a specific frequency window for determining the distance.
  • the evaluation can be a distance measurement value with regard to the time between a predetermined characteristic, such as reaching a maximum in the object. Determine the version sensor signal since the start of a seed frequency sweep or a successive frequency change.
  • a particularly preferred variant consists in using an infrared-emitting FSF laser with frequency-shifted feedback as the radiation source.
  • this gives inherent eye-safe operation in the corresponding infrared ranges and, on the other hand, irradiation of an object which is preferably simultaneously recorded in visible light is possible without changing the colors seen there.
  • it is possible to first determine the beat intensity in close succession with one and the same object detection sensor and then to detect natural light from the object. In such a case, obviously different signal conditioning for signals from one and the same pixel is preferably provided.
  • CMOS or CCD array which in particular, as is known per se, can be designed for multi-color detection, with a “color” being the preferred, but not mandatory, infrared radiation can be detected by the object or its superimposition on the chip with a radiation component irradiated via a reference path if separate sensor element fields for different colors or IR and visible light are used.
  • a radiation component irradiated via a reference path if separate sensor element fields for different colors or IR and visible light are used.
  • Det are, per se known position matching can be brought about by image position correction levels.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a frequency-shifted feedback radiation source for a device according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic structure for a distance measurement with an arrangement according to the present invention
  • FIG. 6 shows a gray-scale representation of a beat frequency spectrum, as can be obtained from the prior art, with position-independent artifact structures and a weak measurement signal structure which can be recognized as strips running obliquely through the image; 7 shows an example of a beat frequency signal as a function of a seed radiation frequency modulation.
  • Fig. 8 shows an example of a structure of a device according to the invention.
  • a frequency-shifted feedback radiation source generally designated 1
  • the frequency-shifted feedback radiation source 1 is a ring laser with frequency-shifted feedback in the present example.
  • the ring resonator of the ring laser 1 is formed by two highly reflecting mirrors la, lb and an acousto-optical modulator lc, to which a piezo element lcl as actuator and input and output prisms lc2, lc3 are assigned and which is arranged in the resonator ring in such a way that the zeroth diffraction order is shown can be coupled out as a beam 3, while the first diffraction order guides the light circulating in the resonator.
  • the acousto-optical modulator lc is selected such that diffraction coefficients of more than 90% result for the first diffraction order, which is frequency-shifted in a known manner by the acousto-optical modulation.
  • the geometry is further selected so that the primers lc2, lc3 assigned to the acousto-optical modulator lc are compensated for in terms of their dispersion and a compact structure is nevertheless possible.
  • a fiber medium ld is arranged between the two highly reflecting mirrors la and lb, and the fiber is coupled in and out.
  • Optics 1dl and ld2 are assigned.
  • Energy is radiated into the fiber from a point laser designed here as a diode laser (not shown), so that it can be used as a gain medium. The coupling takes place on a fiber switch le.
  • the fiber shown is a conventional ytterbium fiber with a large usable gain bandwidth of here, for example, at least 70 nm in the spectral range around 1.2 ⁇ m;
  • a large usable gain bandwidth of here, for example, at least 70 nm in the spectral range around 1.2 ⁇ m;
  • Such elements are readily available from the field of optical telecommunications, just as other arrangements that can also be used, for example fiber lasers based on YAG at 1.06 ⁇ m with a few nm bandwidth or approximately erbium at 1.5 ⁇ m, could be used.
  • a fiber switch 2a is provided, via which injection light, indicated at 2b, can be coupled into the fiber via a coupling optic 2c.
  • the injection light 2b comes from an injection laser (not shown), which in turn can be modulated in a time-varying manner with regard to its amplitude and the phase of the optical carrier.
  • the pump light which differs from the injection light here, can not only be coupled into the reinforcing fiber ld from the pump light beam lel via a fiber switch, but also, for example, via the highly reflecting mirrors, a pump light coupling is, as indicated by ray le2 near the mirror lb.
  • Passing through the acousto-optical modulator lc also changes the frequency of the light.
  • the light that is directed towards the mirror la with a predetermined frequency the acousto-optical modulator has run, will therefore arrive at the other highly reflecting mirror 1b with a shifted frequency or wavelength.
  • This light with a shifted frequency is amplified in the fiber ld, in turn passes over the mirror la with further frequency shift by the acousto-optical modulator lc to the mirror lb, etc. This leads to the frequency shifting with each pass.
  • the speed at which the frequency changes depends on the time it takes for the light to circulate and how strong the frequency shift is in the acousto-optic modulator.
  • the shift is carried out in the same way for all components or modes that can be amplified in the resonator, so that the frequency comb, which the modes of the FSF laser represent, are gradually shifted in a synchronous manner.
  • the frequency comb which the modes of the FSF laser represent
  • FIG. 3 shows the variation of the frequency for a given linear chirp.
  • FIG. 5 in which the light source 1 according to the invention, a beam splitter element 4 in the outcoupling beam 3 of the light source 1, a reference path 6 to a reference surface 6 ⁇ and a measuring path 7 a measurement object 7 ⁇ are shown, the beams from the reference object ⁇ ⁇ and from the measurement object 7 ⁇ to a detector
  • the gray scale display initially shows position-independent lines, i.e. lines that do not vary with the path difference ⁇ L and thus run horizontally in the picture, which are caused by a standing wave component in the acousto-optic modulator and are repeated after the resonator orbit time. Furthermore, the actual measurement signal can be seen with a lot of noise, which runs diagonally through the image as a dark stripe.
  • the injection light source is put into operation, specifically at a carrier frequency close to the lower region of the amplification curve, that is to say just within the region in which the amplification is greater than 1.
  • the optical carrier frequency which is shown in dashed vertical lines, is modulated, namely in the present example amplitude-modulated, the modulation itself also not being constant, but varying with a frequency which is approximately determined from the so-called chirate rate ⁇ , that is to say the frequency shift per The resonator revolution divided by the resonator revolution time and further determined by the light transit time along the path difference ⁇ L between the measuring beam path and the reference beam path in the construction of FIG. 5.
  • the modulation frequency of the injection light is therefore not kept constant, but is varied by this so-called signature value, that is, by that value, which results from the chirp rate and ⁇ L from the formula
  • the structure width of the signal structure obtained is determined by the amplification bandwidth, that is to say a high bandwidth of the radiation light source with frequency-shifted feedback, that is to say of the FSF laser, which leads to good spatial resolution. Since over Since the range measurement accuracy is essentially determined by the chirp size, it is desirable to choose a large frequency shift by the acousto-optical modulator and a small laser resonator length of the FSF laser resonator.
  • a device for location-resolved object distance determination 100 comprises a frequency-shifted feedback radiation source 101 for irradiating an object 102 with distance-usable radiation 103 and a position-sensitive object detection sensor 104, the frequency-shifted feedback radiation source 101, which in the present case is formed as an infrared frequency-shifted feedback sensor 101 is associated with a seed laser 105 that is modulated and incrementally variable-frequency seed light feeds into the gain medium of the FSF laser 101.
  • the object detection sensor 104 on the one hand receives the radiation 103 from the object, on the other hand via a beam splitter unit 106 reference light over a reference path of known length from the FSF laser 101 and visible light from the object 102, as indicated by rays 107.
  • An evaluation arrangement 110 is now assigned to each pixel of the sensor 104 designed here as a CMOS array, with which the electrical signal from each pixel of the object detection sensor 104 is narrow-band filtered and conditioned by suitable amplification and then fed to a maximum holding circuit provided in the evaluation arrangement 110 which, at any point in time, compares an instantaneous value of the conditioned signal with the previously observed maximum and outputs a stop signal if such a maximum is undershot, which is indicated by a signal drop.
  • the stop signal is sent to a counter, which begins to count across several, gradually changing seed signal frequencies at the start of a seed frequency signal sweep.
  • the stop value stored for each pixel thus corresponds to a frequency at which the object detection sensor signal signature has its maximum.
  • the geometric relationships in particular with regard to the reference beam path length and the temporal seed frequency signal behavior, a corresponding distance value of the object area mapped onto this pixel can be determined.
  • the two-dimensional, conventional image can be captured in a digital manner and then, for example, a superimposition of the images can be achieved by means of a suitable electronic circuit.
  • the depth values can be determined for a point in a recorded two-dimensional surface image and a spatial image can be obtained. It should be pointed out that with such an arrangement, lighting fields can be determined particularly well, which relies particularly on the theses taken from the shape of the surroundings, which then serve as objects.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung mit einer frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung mit entfernungsbestimmungsnutzbarer Strahlung und einem positi­onsempfindlichen Objekterfassungssensor. Hierbei ist vorgese­hen, daß die frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungs­quelle zur Objektbestrahlung mit einem Mittel zur Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensitätserhöhung und der positionsempfindliche Objekterfassungssensor zur Erfassung der Schwebungsintensität vom Objekt und nicht-vom Objekt einlau­fender Strahlung ausgebildet ist.

Description

Titel: Tiefenerfassende bildgebende Vorrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befaßt sich somit mit der Messung der Entfernung von Objekten unter Verwendung von frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquellen.
Es ist seit langem bekannt, Entfernungen optisch zu messen. Neben Echolot-artigen Messungen, bei denen kurze Lichtimpulse ausgesendet und die Zeit bis zum Empfang rückgestreuter oder reflektierter Impulse gemessen wird, sind unter anderem in- terferometrische Verfahren bekannt.
Bei interfero etrischen Verfahren wird ein Lichtstrahl in einen Referenzlichtstrahl und einen Objektlichtstrahl aufgespalten. Der Objektlichtstrahl wird auf ein Objekt eingestrahlt und von diesem rückempfangen. An einem Lichtempfänger werden dann die Referenz- und Objektlichtstrahlen überlagert und es wird dann aus dem Überlagerungssignal geschlossen, wie weit das Objekt entfernt ist. Dieses Vorgehen erlaubt je nach Anordnung hochpräzise Messungen; allerdings bereitet die Tiefenmessung bei ausgedehnten Objekten an verschiedenen Stellen Schwierigkeiten .
Es ist weiter bekannt, Entfernungsmessungen mit Frequenzhub- Rückkopplungslasern beziehungsweise frequenzverschobene Rückkopplungslaser (Frequency-Shifted-Feedback-Laser, FSF-Laser) vorzunehmen. Beispiele für den FSF-Laser sind zu finden in
- l - den Aufsätzen von F.V. Kowalski, P.D. Haie und S.J. Shattil „Broadband continuous-wave lasers", Opt. Lett. 13, 622 (1988) sowie P.D. Haie und F.V. Kowalski „Output characteristics of a frequency shifted feedback laser: theory and experiment" IEE J. Quantum Electron. 26, 1845 (1990) sowie von K. NAKAMU- RA, T. MIYAHARA, M. YOSHIDA, T. HARA und H. ITO „ A new technique of optical ranging by a frequency-shifted feedback laser", IEEE Photonics Technology Letters, Band 10, 1998, Seiten 1772 ff. Ein Beispiel für die Verwendung solcher Laser zur Entfernungsmessung ist detailliert beschrieben in dem Aufsatz „Observation of a highly phase-correlated chirped frequency comb Output from a frequency-shifted. feedback laser" von K. NAKAMURA, T. MIYAHARA und H. ITO, Applied Physics Letters, Band 72, Nr. 21, Seiten 2631 ff. sowie in dem Aufsatz „Spectral Characteristics of an All Solid-State Frequency -Shifted Feedback Laser" von K. NAKAMURA, F. ABE, K. KASA- HARA, T. HARA, M. SATO und H. ITO in IEEE-JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Band 33, Seiten 103 ff. Es sei weiter hingewiesen auf I.C.M. Littler, S. Balle und K. Bergmann „The cw mo- deless laser: spectral control, Performance data and build-up dynamics" Opt. Commun. 88, 514 (1992) sowie S. Balle, F.V. Kowalski und K. Bergmann „Frequency shifted feedback dye laser operating at small frequency shift" Opt. Commun. 102, 166
(1993) sowie G. Bonnet, S. Balle, Th. Kraft und K. Bergmann „Dynamics and self-modelocking of a Titanium-Sapphire laser with intracvacity frequency shift" Opt. Commun. 123, 790
(1996) . Die drei letztgenannten Dokumente charakterisieren FSF-Laser nach dem Stand der Technik weiter. Diese Dokumente sind durch Bezugnahme ebenso wie die DE 100 45 535 zu Offenbarungszwecken vollumfänglich eingegliedert. Eine Anordnung, in der ein FSF-Laser für die ortsaufgelöste Entfernungsmessung verwendet wird, ist in der DE 100 45 535.2 und PCT/EP 01/10416 beschrieben.
Kurz läßt sich das Prinzip der Entfernungsmessung mit einem FSF-Laser, der in seinem Resonator neben dem Verstärkungsmedium einen akustooptischen Modulator enthält, wie folgt darstellen: Eine Lichtverstärkung von in das Verstärkungsmedium einlaufenden Lichtwellen findet nur für jene Frequenzen statt, bei denen die Verstärkung größer als 1 ist. Bei allen anderen Frequenzen wird das Licht wie üblich abgeschwächt. Der optische Resonator hat nun, ähnlich wie eine schwingende Saite bevorzugte Frequenzen, sogenannte Resonatormoden. Jede Resonatormode hat eine bestimmte Frequenz, das heißt, sie entspricht Licht exakt bestimmter Wellenlänge. Jene Resonatormoden, bei denen die Verstärkung des verstärkenden Mediums größer als 1 ist, werden nun bevorzugt emittiert.
Dies ist prinzipiell das Verhalten eines Lasers ohne akustooptischen Modulator. Wird nun der akustooptische Modulator erregt, entsteht durch die Materialschwingung ein bewegtes Gitter unterschiedlich dichter Stellen; an diesem Dichtegitter wird das im Resonator umlaufende Licht gebeugt, wobei eine Wechselwirkung der Lichtphotonen mit den die Dichteschwingung des akustooptischen Modulators charakterisierenden Pho- nonen auftritt, was die Frequenz des gebeugten Lichtes um die Erregungsfrequenz des akustooptischen Modulators verschiebt. Dies führt dazu, dass die Lasermoden sich mit der Zeit geringfügig in der Frequenz verschieben, sich also die Frequenz einer Mode mit der Zeit ändert; wenn mehr als eine Mode vorliegt, gilt dies aber für alle Moden, die im Resonator anschwingen. Es versteht sich dabei, dass, je nachdem, wie weit oberhalb der Verstärkung 1 das Verstärkungsprofil verläuft, die Intensitäten der einzelnen anschwingenden Moden unter- schiedlich sind und dass sich die Modenintensität mit der Frequenz ändert. Es ist auch einsichtig, dass die Frequenzen sich dabei für alle Moden in gleicher Weise mit der Zeit ändern. Mit anderen Worten wird Licht, das zu unterschiedlichen Zeiten emittiert wird, unterschiedliche Frequenzen besitzen.
Laufen nun an einem Ort wie einem Detektor Lichtstrahlen ein, die über unterschiedlich lange optische Wege eingestrahlt werden, also auch zu unterschiedlichen Zeiten aus dem Laser emittiert wurden, so muß eine Frequenzdifferenz zwischen beiden vorliegen. Diese Frequenzdifferenz kann als Schwebungs- frequenz auf einem photoempfindlichen Element detektiert werden. Aus der Schwebungsfrequenz kann auf die Weglänge geschlossen werden.
Detaillierter ist die bekannte Meßanordnung in den oben unter Bezug genommenen Dokumenten beschrieben.
In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass die Signale am Meßempfänger stark verrauscht sind. Ist der Abstand, der zu bestimmen ist, fest, wäre ohne Rauschen im Schwebungsfrequenz- spektrum eine einzelne scharfe Linie erkennbar. In der Realität zeigt sich jedoch, dass statt dessen mit FSF-Lasern eine sehr breite Struktur anstelle einer scharfen Linie erhalten wird, die die Qualität der erhaltenen Messung massiv beeinträchtigt .
Es ist wünschenswert, die vorbekannten Anordnungen und Verfahren so zu verändern, dass die Verwendbarkeit erhöht werden kann. Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht.
Es wird somit gemäß einem ersten wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung mit einer frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung mit entfernungsbestimmungsnutzbarer Strahlung und einem positionsempfindlichen Objekterfassungssensor, vorgeschlagen, wobei die frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung mit einem Mittel zur Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensitatserhöhung und der positionsempfindliche Objekterfassungssensor zur Erfassung der Schwebungsintensität vom Objekt und nicht vom Objekt einlaufender Strahlung ausgebildet ist.
Es wurde demnach nicht nur erkannt, dass die in der Interpretation des Standes der Technik vorherrschende Annahme, die von einzelnen Moden des frequenzverschobenen Lasers stammenden Schwebungsanteile würden sich addieren, so nicht zutrifft; sie löschen sich vielmehr aus. Überraschenderweise beruht das im Stand der Technik mit FSF-Lasern erzielbare Signal nämlich wohl darauf, dass im Betrieb der bekannten Laser Rauschen, also Fluktuation von Intensität und/oder Phase auftritt, die verhindert, dass eine - theoretisch tatsächlich bei genauerer Analyse zu erwartende - vollständige Auslöschung der zueinander kohärenten Frequenzkomponenten, wie sie anderenfalls auftreten würde, auftritt. Bei Messungen mit FSF-Lasern nach dem Stand der Technik bedingtes Rauschen scheint demnach keine Folge des Rauschens des Lasers, sondern die eigentlichen Meßsignale selbst sind es, die erst durch das Rauschen des Lasers, also dessen inhärente Fluktuationen, bedingt sind. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird nun nicht nur vorgeschlagen, dass an der Strahlungsquelle Mittel zur Erhöhung der Intensität der Schwebung von Frequenzkomponenten der emittierten Strahlung vorgesehen sind, sondern es wird auch angegeben, wie diese Erkenntnis zur besseren ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung genutzt werden kann.
In einer bevorzugten Variante kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensitäts- erhöhung als Mittel zur nichtstochastischen Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensitatserhöhung ausgebildet sind; sie werden also eine Intensitätserhöhung über jene bedingen, die durch Spontanemission insbesondere im Verstärkungsmedium bewirkt ist.
Typisch wird eine Injektionslichtquelle vorgesehen sein, die Licht in die Strahlungsquelle injiziert, also ein Seed- Strahlungsfeld dort bereitstellt. Alternativ dazu wäre es auch möglich, eine vollständige Auslöschung von Frequenzkomponenten über das durch Spontanemission im stationären Betriebszustand bedingte Maß hinaus zu stören, indem etwa das Pumplicht moduliert wird, was jedoch typisch aufgrund der Niveaulebensdauern usw. weniger bevorzugt ist, oder etwa schnelle Verlustmechanismen im Verstärkermedium selbst zu bewirken. Das Vorsehen einer Injektionslichtquelle ist jedoch deshalb besonders vorteilhaft, weil es eine baulich einfache Möglichkeit darstellt, durch welche eine Vielzahl vorteilhafter Ausführungen realisierbar sind. In einer besonders bevorzugten Variante handelt es sich bei der Injektionslichtquelle um einen Injektionslaser. Dessen Strahlung kann in den Resonator insbesondere in und/oder auf das Verstärkungsmedium der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle geführt sein.
Bevorzugt wird es, wenn die Injektionslichtquelle Licht bei einer Wellenlänge emittiert, die nahe an jener liegt, bei der die Verstärkung des Verstärkungsmediums der frequenzverschobenen rückgekoppelten Strahlungsquelle bei 1 liegt; es kann dabei wahlweise nahe der oberen und/oder unteren Schwellwellenlänge eingestrahlt werden. Die Frequenz der injizierten Lichtstrahlung wird dabei typisch innerhalb des Bereiches liegen, bei dem die Verstärkung G größer 1 ist und nicht außerhalb. Bei sehr nahe an der Schwelle injizierter Seed- Strahlung und insbesondere Modulation derselben kann diese Schwelle aber insbesondere temporär überschritten werden. Es wäre aber stets bevorzugt, die Einstrahlfrequenz so zu wählen, dass nach einigen Resonatorumläufen spätestens eine Verstärkung erfolgt.
Es ist bevorzugt, wenn die Injektionslichtquelle Strahlung sch albandig emittiert, wobei Schmalbandigkeit bezogen wird auf die Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums der frequenzverschobenen rückgekoppelten Strahlungsquelle. Schmalbandig kann hier eine Breite nicht größer als 5%, bevorzugt nicht über 1% der Verstärkungsbandbreite sein. In einer besonders bevorzugten Variante wird ein Single-Mode Injektionslaser mit exakt definierter, modulierbarer Frequenz und/oder Amplitude für die Injektion verwendet. Die Injektionslichtstrahlung wird bevorzugt bezüglich der Intensität und/oder der Phase variiert. Es kann diese Variation etwa durch eine reguläre Modulation, also vorgegebenen Gesetzmäßigkeiten gehorchenden oder Begrenzungen unterworfene Modulation von Intensität und/oder Phase erfolgen, die allerdings nicht zwingend ebenmäßig sein muß.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Modulation nicht konstant ist, sondern wenn die Intensität und/oder die Phase der Modulation der Injektionslichtstrahlung mit der Zeit variiert, was besonders günstig auf periodische Weise erfolgt. Bevorzugt wird insbesondere, wenn die Frequenz der Intensitätsmodulation linear innerhalb bestimmter Intervalle geändert wird, weil eine lineare Variation der Modulationsfrequenz der Injektionslichtstrahlung eine Auswertung von erhaltenen Schwebungssignalen insbesondere zur Distanzbestimmung signifikant vereinfacht.
Wenn eine Modulation der aus der Injektionslichtquelle emittierten Strahlung bezüglich Phase und/oder Intensität vorgenommen wird, so ist es bevorzugt, wenn die Frequenz dieser Modulation nahe jener liegt, welche sich ergibt aus der sogenannten Chirprate und der Distanz, welche mit der Strahlungsquelle momentan bestimmt wird. Die Chirprate ist dabei gegeben aus der Frequenz des akustooptischen oder anderen Modulators innerhalb der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle bezogen auf die Umlaufzeit der Strahlung im Resonator dieser Quelle.
Es sei erwähnt, dass es sich bei der Strahlungsquelle typisch um einen frequenzverschoben rückgekoppelten Laser handeln wird. Dieser kann insbesondere in infraroten, insbesondere in augensicheren Bereichen arbeiten. Die für Telekommunikationsgeräte besonders preisgünstig verwendbaren und technologisch gut erschlossenen Wellenlängenbereiche sind auch für Zwecke der vorliegenden Erfindung anwendbar, was die Möglichkeit eröffnet, auf preiswert verfügbare Elemente beim Aufbau von Anordnungen und Vorrichtungen zurückzugreifen.
Bevorzugt ist also eine Vorrichtung, worin die frequenzver- schobene rückgekoppelte Strahlungsquelle durch einen Laser gebildet ist und das Mittel zur Emmisionsfrequenzkomponenten- schwebungsintensitätserhöhung ein Seed-Licht in den ersten Laser einstrahlendes, frequenzmoduliertes Seed-Laser ist, wobei die Vorrichtung weiter ein Mittel umfaßt, um die Frequenz der Seed-Laser-Frequenzmodulation an zu bestimmende Entfernungen anzupassen. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung einen durchstimmbaren Seed-Laser umfaßt und das Schwebungssignal in Abhängigkeit von der Seedlaserdurchstim- mung bestimmt wird.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Seedfrequenz allmählich verändert wird, um jeweils eine hinreichende Zeit für die Einstellung einer stabilen Schwebung und deren Bestimmung am Sensor vorzusehen. Die Seedfrenquenz kann demgemäß stufenweise verändert werden und für eine bestimmte Meßzeit konstant gehalten werden. Alternativ ist es möglich, die Seedfrequenz jeweils um einen bestimmten Wert zu wobbeln, was vermeidet, dass Frequenzsprünge der Seedfrequenzdurchstimmung so liegen, dass bestimmte Distanzen nicht erfaßt werden und somit für einzelne Objekte oder Objektteilbereiche keine und /oder nur ungenaue Distanzen bestimmt werden können. Die Seedfrequenz kann auch systematisch in unterschiedlichen Durchläufen ver- ändert werden, mit unterschiedlichen Stufen und dergleichen, wobei einzusehen ist, dass dann die Objektentfernung unter Berücksichtigung der Signale aus mehreren Durchgängen bestimmt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mit dem Objekterfassungssensor erfassten schwebungsintensitätsbezogenen Objek- terfassungssensorsignale gefiltert werden. Ein Filter kann besondere zur Herausfilterung nur der Wechselsignalanteile gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist, dass ein relevantes Signal lediglich im Bereich der Seedfrequenz auftreten wird und daher auf diese Seedfrequenz schmalbandig gefiltert werden kann, wobei der Filter mit der Seedfrequenz mitlaufen kann und/oder eine bestimmte Schmalbandigkeit aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass Artefakte dazu führen können, dass scharfe Frequenzkomponenten mit hohem Anteil im kondi- tionierten Objekterfassungssensorsignal vorliegen können, wobei diese Frequenzkompontenten von der Seedfrequenz verschieden sein können. Derartige Störsignale lassen sich besonders gut ausfiltern mit schmalbandigen Filtern.
Die Objekterfassungssensorsignalkonditionierung wird typisch eine Signalverstärkung umfassen, wobei es besonders bevorzugt ist, die Verstärkung hinter der Filterstufe vorzusehen, weil dort eine sehr große Verstärkung möglich ist, was es erlaubt, auch per se sehr schwache Schwebungssignale noch auszuwerten. Es wird einsichtig sein, dass die geregelte und/oder gesteuerte Signalkonditionierung, insbesondere hinsichtlich der geregelten und/oder auf andere Weise eingestellten Verstärkung besonders bevorzugt ist, um auch in großen Abständen messen zu können. Insbesondere ist es möglich, eine Abhängigkeit der jeweiligen Verstärkung von der aktuellen Seedfrequenz vorzu- geben, um so zu berücksichtigen, daß eine gegebene Seedfrequenz einem bestimmten Abstand entspricht und demgemäß eine abstandsproportionale Verstärkung mit z.B. 1/r2- oder 1/r4- Abhängigkeit sinnvoll sein kann.
Typisch wird also die Signatur des Objekterfassungssensorsignals in Abhängigkeit von der Seedfrequenzdurchstimmung erfaßt. Es kann dazu vorgesehen sein, dass der Maximalwert des Objekterfassungssensorsignals während der Seedfrequenzdurchstimmung bestimmt wird, wobei wie vorerwähnt, für die Seedfrequenzdurchstimmung insbesondere schrittweise vorgegangen werden kann, oder daß ein Effektivwert ermittelt wird, der als realer Effektivwert etwa nach Gleichrichten und Tiefpaßfilterung des bevorzugt bandpaßgefiltert verstärkten Objekterfassungssensorsignals erhalten wird und/oder es kann zur Entfernungsbestimmung der Effektivwert in einem bestimmten Frequenzfenster bestimmt werden.
Es ist möglich, Ableitungen des Objekterfassungssensorsignals mit der Seedfrequenzveränderung, bzw., sofern diese mit der Zeit erfolgt, die Variation des Objekterfassungssensorsignals mit der Zeit zur Entfernungsbestimmung heranzuziehen. Dabei kann, da Rauschen schnelle Signalschwankungen und damit große Ableitungen hervorrufen kann, ein Rauscheinfluß durch Simultanbetrachtung eines Signalkomparatorausgangs verringert werden, der sicherstellt, dass nur dann Änderungen der Ableitungen berücksichtigt werden, wenn das ggf. konditionierte Ob- jekterfassungssensorsignal hinreichend groß ist, weil in solchen Fällen davon auszugehen ist, dass kein ausschließlicher Rauscheinfluß vorliegt. Die Wertung kann einen Entfernungsmeßwert im Hinblick auf die Zeit zwischen einer vorgegebenen Charakteristik wie ein Erreichen eines Maximums im Objekter- fassungssensorsignal seit dem Beginn eines Seedfrequenzsweeps bzw. einer sukzessiven Frequenzveränderung ermitteln. Daß dies unter Verwendung analoger Schaltungen geschehen kann, mit denen insbesondere das jeweilige Maximum gehalten wird und ein „Maximum-erreicht-Signal" erzeugt wird, sobald ein Objekt-erfassungssensorsignal nicht weiter ansteigt, um über dieses „Maximum-erreicht-Signal" das Einschreiben eines seed- frequenzbezogenen oder Sweepzeitdauersignal-Zählerwertes in ein Digitalregister zu ermöglichen, sei erwähnt.
Eine besonders bevorzugte Variante besteht darin, einen im Infrarot emittierenden FSF-Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung als Strahlungsquelle zu verwenden. Einerseits gibt dies in entsprechenden Infrarotbereichen einen inhärent augensicheren Betrieb und andererseits ist eine Bestrahlung eines bevorzugt zugleich im sichtbaren Licht simultan miterfaßten Objektes möglich, ohne dort die gesehenen Farben zu verändern. Es sei erwähnt, dass es möglich ist, mit ein und demselben Objekterfassungssensor zeitlich dicht hintereinander erst die Schwebungsintensität zu bestimmen und dann natürliches Licht vom Objekt zu erfassen. In einem solchen Fall werden einleuchtenderweise bevorzugt unterschiedliche Signal- konditionierungen für Signale aus ein und demselben Pixel vorgesehen. Es ist eine weitere Möglichkeit, eine Objekterfassung mit einem Multipixelchip wie einem CMOS- oder CCD- Array vorzunehmen, der insbesondere wie per se bekannt, für die Mehrfarberfassung ausgelegt sein kann, wobei als eine „Farbe" die bevorzugt, aber nicht zwingend, infrarote Strahlung vom Objekt bzw. deren Überlagerung auf den Chip mit einem über einen Referenzweg eingestrahlten Strahlungsanteil erfaßt werden kann. Wenn separate Sensorelementefelder für unterschiedliche Farben bzw. IR- und sichtbares Licht verwen- det werden, können per se auf bekannte Weise Bildlageübereinstimmungen durch Bildlagekorrekturstufen herbeigeführt werden.
Die Erfindung wird nun im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 2 die Frequenzvariation einer einzelnen Lasermode bei linearem Chirp über der Zeit;
Fig. 3 die synchrone Variation aller Komponenten (Moden) einer Strahlungslichtquelle mit f equenzverschobener Rückkopplung;
Fig. 4 das Frequenzspektrum eines FSF-Lasers bei gegebener Verstärkungskurve (oben im Bild) ;
Fig. 5 einen schematischen Aufbau für eine Distanzmessung mit einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Grauskaladarstellung eines Schwebungsfrequenz- spektrums, wie es aus dem Stand der Technik erhaltbar ist, mit positionsunabhängigen Artefakt-Strukturen und einer schwachen, als schräg durch das Bild laufender Streifen erkennbaren Meßsignalstruktur; Fig. 7 ein Beispiel für ein Schwebungsfrequenzsignal in Abhängigkeit von einer Seed-Strahlungsfrequenzmodu- lation.
Fig. 8 ein Beispiel für einen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Nach Fig. 1 umfasst eine allgemein als 1 bezeichnete frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle 1 ein Mittel 2 zur Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensitätserhö- hung.
Die frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle 1 ist im vorliegenden Beispiel ein Ringlaser mit frequenzverschobener Rückkopplung. Der Ringresonator des Ringlasers 1 ist gebildet durch zwei hochreflektierende Spiegel la, lb und einen akustooptischen Modulator lc, dem ein Piezoelement lcl als Aktuator und Ein- und Ausgangsprismen lc2, lc3 zugeordnet sind und der so im Resonatorring angeordnet ist, dass die nullte Beugungsordnung, dargestellt als Strahl 3 auskoppelbar ist, während die erste Beugungsordnung das im Resonator umlaufende Licht führt. Der akustooptische Modulator lc ist so gewählt, dass sich Beugungseffizienten von mehr als 90% für die in bekannter Weise durch die akustooptische Modulation frequenzverschobene erste Beugungsordnung ergeben. Die Geometrie ist weiter so gewählt, dass die dem akustooptischen Modulator lc zugeordneten Primen lc2, lc3 bezüglich ihrer Dispersion kompensiert werden und dennoch ein kompakter Aufbau möglich ist.
Zwischen den beiden hochreflektierenden Spiegeln la und lb ist ein Fasermedium ld angeordnet, dem Faserein- und auskopp- lungsoptiken 1dl und ld2 zugeordnet sind. In die Faser wird aus einem hier als Diodenlaser (nicht gezeigt) ausgebildeten Punktlaser Energie eingestrahlt, so dass sie als Verstärkungsmedium verwendet werden kann. Die Einkopplung erfolgt an einer Faserweiche le. Bei der dargestellten Faser handelt es sich um eine herkömmliche Ytterbium-Faser mit einer großen nutzbaren Verstärkungsbandbreite von hier zum Beispiel wenigstens 70 nm im Spektralbereich um 1,2 μm; derartige Elemente sind aus dem Bereich der optischen Telekommunikation problemfrei verfügbar, genauso wie andere, gleichfalls verwendbare Anordnungen, beispielsweise Faserlaser auf der Basis von YAG bei 1,06 μm mit einigen nm Bandbreite oder etwa Erbium bei 1,5 μm verwendbar wären.
Die Anordnung des FSF-Laser, wie sie bis hierhin beschrieben wurde, ist im wesentlichen herkömmlich. Es sind nun Mittel zur Emissionsfrequenz omponentenschwebungsintensitatserhöhung vorgesehen. Dazu ist eine Faserweiche 2a vorhanden, über welche in die Faser Injektionslicht, angedeutet bei 2b, über eine Einkoppeloptik 2c einkoppelbar ist. Das Injektionslicht 2b stammt aus einem Injektionslaser (nicht gezeigt), der seinerseits bezüglich seiner Amplitude und der Phase des optischen Trägers in zeitlich veränderlicher Weise modulierbar ist. Der Injektions- beziehungsweise Seed-Laser emittiert Strahlung, deren Wellenlänge dicht an der hier unteren für den dargestellten up-Chirp Stelle G=l des Verstärkungsprofils des FSF- Ringlasers 1 beziehungsweise der Faser ld liegt, vergleiche Fig. 4, wo im oberen Teil des Bildes das Verstärkungsprofil als durchgezogene Linie eingezeichnet ist, zusammen mit der Verstärkungsschwelle 1, die horizontal eingezeichnet ist und wobei die optische Trägerfrequenz des Seed-Lasers als vertikale, strichpunktierte Linie eingetragen ist. Es sei zugleich erwähnt, dass statt und/oder neben einer Ein- kopplung über eine Faserweiche 2a auch eine Einkopplung eines Injektionslichtstrahles durch einen der hochreflektierenden Spiegel möglich wäre, wie beim Spiegel la durch Strahl 2b2 angedeutet, und/oder eine Einkopplung erfolgen könnte in den akustooptischen Modulator hinein, wie durch Pfeil 2b3 angedeutet. Der Vollständigkeit halber sei hier auch angedeutet, dass das hier vom Injektionslicht verschiedene Pumplicht nicht nur, wie bei lel angedeutet, über eine Faserweiche in die verstärkende Faser ld vom Pumplichtstrahl lel einkoppel- bar ist, sondern zum Beispiel etwa über die hochreflektierenden Spiegel eine Pumplichteinkopplung möglich ist, wie durch Strahl le2 nahe des Spiegels lb angedeutet.
Die Anordnung wird betrieben wie folgt:
Es wird Pumplicht auf die Faser ld eingestrahlt, so dass sich darin eine den Laserbetrieb ermöglichende Inversion ergibt. Dann wird der Piezotreiber lel des akustooptischen Modulators in Schwingung versetzt, so dass der Ring des frequenzverschobenen Rückkopplungslasers geschlossen wird. Licht, das nun aus der Faser emittiert wird, kann nun über den Spiegel la, durch das Prisma lc2 und den akustooptischen Modulator lel und das Prima lc3 laufen. Der überwiegende Teil dieses Lichtes wird dabei entsprechend der hohen Beugungseffizienz des akustooptischen Modulators gelenkt auf den Spiegel lbl und wird in die Faser ld eingestrahlt.
Durch den Durchlauf durch den akustooptischen Modulator lc ändert sich zugleich die Frequenz des Lichtes. Das Licht, das mit einer vorgegebenen Frequenz am Spiegel la in Richtung auf den akustooptischen Modulator gelaufen ist, wird also mit einer verschobenen Frequenz beziehungsweise Wellenlänge am anderen hochreflektierenden Spiegel lb eintreffen. Dieses Licht mit verschobener Frequenz wird in der Faser ld verstärkt, läuft wiederum über den Spiegel la unter weiterer Frequenzverschiebung durch den akustooptischen Modulator lc auf den Spiegel lb, usw. Dies führt dazu, dass sich die Frequenz bei jedem Durchlauf verschiebt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Frequenz ändert, hängt von der Zeit ab, die das Licht für einen Umlauf benötigt, und davon, wie stark die Frequenzverschiebung im akustooptischen Modulator ist. Die Verschiebung erfolgt für alle Komponenten beziehungsweise Moden, die im Resonator verstärkbar sind, in gleicher Weise, so dass der Frequenzkamm, den die Moden des FSF-Lasers darstellen, allmählich verschoben werden und zwar auf synchrone Weise. Es liegt ein sogenannter „Chirp" vor. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, während Fig. 2 die Variation der Frequenz bei gegebenem, linearen Chirp darstellt.
Es wird nun dieses Licht zur Entfernungsmessung verwendet. Nur prinzipiell wird dies zunächst für eine noch nicht ortsauflösende Interferometeranordnung erörtert, wie in Fig. 5 dargestellt, in der die erfindungsgemäße Lichtquelle 1, ein Strahlteilerelement 4 im Auskoppelstrahl 3 der Lichtquelle 1, ein Referenzweg 6 zu einer Referenzfläche 6Λ und ein Messweg 7 zu einem Messobjekt 7Λ dargestellt sind, wobei die Strahlen vom Referenzobjekt βλ und vom Messobjekt 7Λ zu einem Detektor
5 geführt sind.
Die Situation, die sich in einer solchen Anordnung vor Inbetriebnahme der Seed-Quelle am Detektor ergibt, kann aus Bild
6 ersehen werden. Dort ist in einer Grauskaladarstellung das Schwebungsfrequenzspektrum für eine Laseranordnung als Funktion der Wegdifferenz ΔL der Arme 6 und 7 der Messanordnung dargestellt. In der Grauskaladarstellung sind zunächst positionsunabhängige, also mit der Wegdifferenz ΔL nicht variierende und somit im Bild horizontal verlaufende Linien zu erkennen, die durch einen Stehwellenanteil im akustooptischen Modulator bedingt sind und sich nach der Resonatorumlaufzeit wiederholen. Weiter ist das eigentliche Meßsignal stark verrauscht zu erkennen, das diagonal als dunkler Streifen durch das Bild läuft.
Nun wird die Injektionslichtquelle in Betrieb genommen, und zwar bei einer Trägerfrequenz nahe am unteren Bereich der Verstärkungskurve, das heißt gerade noch innerhalb jenes Bereiches, bei dem die Verstärkung größer als 1 ist. Die optische Trägerfrequenz, die vertikal gestrichelt eingezeichnet ist, wird moduliert, und zwar im vorliegenden Beispiel amplitudenmoduliert, wobei die Modulation selbst auch nicht konstant ist, sondern mit einer Frequenz variiert, die näherungsweise bestimmt ist aus der sogenannten Chirprate α, das heißt der Frequenzverschiebung pro Resonatorumlauf dividiert durch die Resonatorumlaufzeit und weiter bestimmt ist durch die Lichtlaufzeit längs der Wegdifferenz ΔL zwischen Meßstrahlweg und Referenzstrahlweg beim Aufbau von Fig. 5. Die Modulationsfrequenz des Injektionslichtes wird also nicht konstant gehalten, sondern um diesen sogenannten Signaturwert variiert, das heißt um jenen Wert, der sich aus der Chirprate und ΔL ergibt durch die Formel
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Um diese Signaturfrequenz herum wird die Modulationsfrequenz verändert und zwar bevorzugt linear-sägezahnförmig. Es ergibt sich dann eine Intensität am Detektor, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Es zeigt sich, dass ein sehr deutlich ausgeprägter, scharfer In- tensitätspeak des Schwebungssignals erhalten werden kann, also das Signal sehr wenig verrauscht ist und insbesondere ein geringeres Rauschen und damit eine präzisere Messung aufweist als im Stand der Technik bislang möglich. Wesentlich ist, dass die Injektionsstrahlungsmodulation und die Schwebungs- frequenzintensität eng miteinander verbunden sind und ein Schwebungsfrequenzintensitätmaximum dann erreicht wird, wenn die Injektionsmodulationsfrequenz der für eine gegebene Wegdifferenz erwarteten Frequenz unter Berücksichtigung der Chirprate entspricht.
Dies wird zur Zeit begründet wie folgt: Durch die Injektion der Strahlung des Injektionslasers am Rand des Verstärkungsbereiches werden im Resonator Moden in den Schritten ΔvA0M über die gesamte Vestärkungsbandbreite verschoben, so dass der Laser sich nicht in ein stationäres, praktisch rauschfreies Gleichgewicht begeben kann, zu welchem er ansonsten neigen würde. Es scheint demnach so zu sein, dass das herkömmliche Bild über das Zustandekommen des Schwebungsspek- trums inkorrekt ist und tatsächlich in einem rauschfreien Fall die Intensität einer Schwebung verschwindend wäre.
Es ist nun feststellbar, dass die Strukturbreite der erhaltenen Signalstruktur bestimmt wird durch die Verstärkungsbandbreite, also eine hohe Bandbreite der Strahlungslichtquelle mit frequenzverschobener Rückkopplung, das heißt des FSF- Lasers, zu einer guten räumlichen Auflösung führt. Da über- dies die Entfernungsmessungsgenauigkeit im wesentlichen durch die Chirpgröße bestimmt ist, ist es wünschenswert, eine große Frequenzverschiebung durch den akustooptischen Modulator und eine geringe Laserresonatorlänge des FSF-Laserresonators zu wählen.
Es ist feststellbar, dass bei einer Entfernungsmessung und, gegebenenfalls bei sukzessiven Entfernungsmessungen in einem bestimmten Zeitabstand, auch bei Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsmessungen sehr hohe Genauigkeiten erzielbar sind, die im wesentlichen nur von der Treiberfrequenzkonstanz des akustooptischen Modulators abhängen, sowie der Laserreso- natorlängenstabilitäten während der Messzeit. Darüber hinaus sind lediglich Größen wie die Genauigkeit der Schwebungsfre- quenzbestimmung zu berücksichtigen. Es ist einsichtig, dass systematisch Auflösungen und Genauigkeiten um 10"6 - 10~8 erzielbar sind. Durch das wesentlich verbesserte Signalrauschverhältnis ist es auch möglich, mit sehr geringen Leistungen Messungen durchzuführen, da nur ein hochfrequenter Anteil im detektierten Signal als Schwebung nachgewiesen werden muss und dies überdies bei bekannten oder näherungsweise bekannten Frequenzen.
Nach Fig. 8 umfasst eine allgemein mit 100 bezeichnete Vorrichtung zur ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung 100 eine frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle 101 zur Bestrahlung eines Objektes 102 mit entfernungsbestimmungsnutzbarer Strahlung 103 und einem positionsempfindlichen Objekterfassungssensor 104, wobei der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle 101, die vorliegend als infraroter frequenzverschobener Rückkopplungslaser 101 gebildet ist, ein Seed-Laser 105 zugeordnet ist, der moduliertes und schrittweise frequenzveränderliches Seed-Licht in das Verstärkungsmedium des FSF-Lasers 101 speist. Der Objekterfassungssensor 104 empfängt einerseits die Strahlung 103 vom Objekt, andererseits über eine Strahlteilereinheit 106 Referenzlicht über einen Referenzweg vorbekannter Länge aus dem FSF-Laser 101 sowie sichtbares Licht vom Objekt 102, wie durch Strahlen 107 angedeutet. Es sei darauf hingewiesen, dass zum Richten des FSF-Lichtes aus der Strahlungsquelle 101 auf das Objekt 102 sowie zum Sammeln von Licht bzw. entfernungsbestimmungsnutzbarer Strahlung vom Objekt 108 auf dem Objekterfassungssensor 104, für die Strahlteilung, eine Abbiendung etc. herkömmliche optische Elemente wie bei 109 angedeutet vorgesehen sein können. Deren Aufbau kann gemäß herkömmlicher Regeln des Standes der Technik unter Berücksichtigung der jeweiligen Wellenlängen, gewünschten Abbildungseigenschaften und so weiter erfolgen. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Ausbildung dergestalt möglich ist, dass eine Rundumüberwachung und -erfassung möglich wird, die Objekte aber eine Sphäre oder Teilsphäre um die Vorrichtung bilden, was etwa durch eine geeignete mechanische Dreh- und/oder Schwenklagerung aller oder eines Teils der Vorrichtungskomponenten möglich ist.
Wie aus dem vorstehend erläuterten allgemeinen Prinzip der des FSF-Lasers unter Seed-Injektion verständlich, wird es zu so einem Schwebungssignal auf den Sensor 104 durch die Überlagerung des Referenzlichtes und des vom bestrahlten Objekt 102 empfangenen Lichtes 108 kommen. Dieses Signal wird maximal, wenn die Seedfrequenz, mit welcher der Seed-Laser 105 moduliert wird, sich ergibt aus der Chirprate der Strahlung der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle 101 und dem vom Objektstrahl 108 - 103 zusätzlich zurückgelegten Weg gemäß vorne stehender Formel. Es ist nun jedem Pixel des hier als CMOS-Array ausgelegten Sensors 104 eine Auswerteanordnung 110 zugeordnet, mit welcher das elektrische Signal von jedem Pixel des Objekterfassungssensors 104 schmalbandig gefiltert und durch geeignete Verstärkung konditioniert und dann an eine in der Auswerteanordnung 110 vorgesehene Maximum-Halteschaltung gespeist wird, die zu jedem Zeitpunkt einen augenblicklichen Wert des konditionierten Signals vergleicht mit dem zuvor beobachteten Maximum und ein Stoppsignal ausgibt, wenn ein solches Maximum unterschritten wird, was durch Signalabfall angedeutet ist. Das Stoppsignal wird an einen Zähler geleitet, der zu Beginn eines Seedfrequenzsi- gnalsweeps über mehrere, stufenweise veränderten Seedsignal- frequenzen hinweg zu zählen beginnt. Der so für jedes Pixel abgelegte Stoppwert entspricht also einer Frequenz, bei welcher die Objekterfassungssensorsignalsignatur ihr Maximum aufweist. Durch Rückgriff auf die bekannte Chirprate, die geometrischen Verhältnisse insbesondere bezüglich der Referenzstrahlweglänge sowie auf das zeitliche Seedfrequenzsi- gnalverhalten kann für jedes Pixel ein entsprechender Entfernungswert des auf dieses Pixel abgebildeten Objektbereiches bestimmt werden. Parallel zu der Bestimmung der Entfernung des Objektes, wie vorstehend beschrieben, kann das zweidimen- sionale, herkömmliche Bild in digitaler Weise erfaßt werden und es kann dann durch eine geeignete elektronische Beschal- tung z.B. eine Überlagerung der Bilder erzielt werden. Auf diese Weise können zu einem Punkt in einem aufgenommenen zweidimensionalen Flächenbild die Tiefenwerte bestimmt werden und es kann eine räumliche Abbildung erhalten werden. Es sei darauf hingewiesen, dass mit einer derartigen Anordnung Beleuchtungsfelder besonders gut bestimmbar sind, was Bildsyn- thesen unter Rückgriff auf die Gestalt aufgenommene Umgebungen, die dann als Objekte dienen, besonders erleichtert.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung mit einer frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung mit entfernungsbestimmungsnutzbarer Strahlung und einem positionsempfindlichen Objekterfassungssensor, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung mit einem Mittel zur Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensitatserhöhung und der positionsempfindliche Objekterfassungssensor zur Erfassung der Schwebungsintensität vom Objekt und nicht vom Objekt einlaufender Strahlung ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Emissionsfrequenz- komponentenschwebungsintensitätserhöhung als Mittel zur nichtstochastisehen Emissionsfrequenzkomponentenschwe- bungsintensitätserhöhung ausgebildet ist und/oder eine Injektionslichtquelle, insbesondere einen Injektionslaser umfasst, wobei bevorzugt insbesondere Licht in einen Resonator injiziert wird, mit dem die frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle ausgebildet, wobei bevorzugt insbesondere eine Einstrahlung auf das Verstärkungsmedium derselben erfolgt, und wobei bevorzugt die Injektionslichtquelle zur Emission von Strahlung einer Strahlungsfrequenz nahe der oberen oder unteren Verstärkungsschwelle (G=l) ausgebildet ist und/oder die Injektionslichtquelle zur Einstrahlung von Injektionslicht bezogen auf die Verstärkungsbandbreite der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle schmalbandig ist, insbesondere eine Breite unter 5%, bevorzugt unter 1% der Bandbreite der Verstärkung der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle aufweist und/oder die Injektionslichtquelle zur Einstrahlung von bezüglich Intensität und/oder Phase des optischen Trägers moduliertem Licht ausgebildet ist, insbesondere zur regulären Modulation von Intensität und/oder Phase des Injektionslichtes und/oder dazu ausgebildet ist, eine mit der Zeit veränderliche, insbesondere periodische Modulation von Intensität und/oder Phase vorzunehmen, insbesondere die Injektionslichtquelle so ausgebildet ist, dass zumindest zeitweise eine lineare Modulationsfrequenzvariation stattfindet, wobei bevorzugt die Injektionslichtquelle dazu ausgebildet ist, eine Modulation, deren Frequenz in der Größenordnung und/oder nahe um die durch eine mit der Strahlungsquelle zu bestimmende Distanz und die aus der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle gegebene Chirprate erhalten wird, liegt, wobei bevorzugt auch die frequenzverschobene rückgekoppelte Strahlungslichtquelle ein Laser ist und insbesondere als Verstärkungsmedium desselben eine resonatorinterne optische Faser vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle ein Laser ist und das Mittel zur Emissionsfre- quenzkomponentenschwebungsintensitätserhöhung ein Seed- Licht in den ersten Laser einstrahlender, frequenzmodulierter Seed-Laser ist, wobei ein Mittel vorgesehen ist, um die Frequenz der Seed-Laser-Frequenzmodulation an zu bestimmende Entfernungen anzupassen.
4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel vorgesehen ist, um die Seedfrequenz allmählich insbesondere stufenweise zu verändern, wobei bevorzugt das Mittel dazu ausgebildet ist, die Seedfrequenz für eine bestimmte Meßzeit T konstant zu halten und/oder um einen Mittelwert eines jeweiligen Seedfrequenzwertes herum insbesondere mit zur Distanzlückenvermeidung ausreichendem Hub zu wobbeln und/oder bei wiederholten Durchgängen die Seedfrequenzveränderung zu variieren, insbesondere durch systematische Frequenzauflösungsverringerung in wiederholten Durchläufen.
5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zur Filterung der am Objekterfassungssensor bestimmten schwebungsintensitätsbe- zogenen Objekterfassungssensorsignale vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung zur Herausfilterung von Wechselsignalanteilen, insbesondere solcher auf und/oder schmalbandig um die Seedfrequenz ausgebildet ist .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Konditionierung der Objekterfassungssensorsi- gnale eine Signalverstärkung, bei Ausbildung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche insbesondere eine Verstärkungsstufe hinter der Filterstufe vorgesehen ist, wobei insbesondere wenigstens ein Regel- und/oder Steuerkreis zur Einstellung einer bestimmten Signalkonditio- nierung, insbesondere einer bestimmten Verstärkung vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe zur Bestimmung der Entfernung anhand der Objekterfassungssensorsignalsigna- tur in Abhängigkeit von den Seedfrequenzen vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe zur Bestimmung der Entfernung anhand der Objekterfassungssensorsignalsigna- tur in Abhängigkeit von den Seedfrequenzen ausgebildet ist zur Entfernungs-Bestimmung im Ansprechen auf das Erreichen eines Maximalwert des wie erforderlich aufbereiteten Objekterfassungssensorsignals bei Seedfrequenzveränderung und/oder im Ansprechen auf einen Effektivwert, insbesondere einen realen Effektivwert, insbesondere wie durch Gleichrichten und Tiefpaßfilterung erhalten, des wie erforderlich aufbereiteten Objekterfassungssensorsignals bei Seedfrequenzveränderung und/oder im Ansprechen auf einen Effektivwert insbesondere in einem Frequenzfenster um die Seedfrequenz herum und/oder im Ansprechen auf die Stärke einer Seedfrequenzkomponen- te im Objekterfassungssensorsignal .
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe zur Veränderung der Seedfrequenz mit der Zeit vorgesehen ist und eine Objekterfassungssensorsignalauswertestufe als ent- fernungsbezogenen Meßwert einen für eine Zeit bis zum Erreichen einer vorgegebenen Objektsignalsignatur repräsentativen Wert bestimmt, insbesondere durch Messung der Zeit bis zum Erreichen eines Schwell- und/oder Maximumwertes, wozu insbesondere eine analoge Maximumhalteschaltung für die Erfassung des zeitlichen Signalverlaufs mit einem zugeordnetem Digitalregister für ein Einschreiben eines Wertes, insbesondere eines seedfre- quenzbezogenen Wertes, insbesondere eines Sweepzeit- und/oder Zählerwertes, weiter insbesondere bevorzugt mit einer Schaltung zur Festlegung des einzuschreibenden Wertes in Abhängigkeit vom Erreichen eines analogen Schwell- und/oder Maximalwertes
vorgesehen ist und/oder
wozu insbesondere eine Ableitungsstufe zur Ableitung der frequenzabhängigen Objekterfassungssensor- signalsignatur, insbesondere unter simultaner, rausch- einflußverringernder Betrachtung eines Signalkompara- torausgangs vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Objekterfassungssensor zum simultanen und/oder zeitlich dicht sequentiell hintereinander erfolgenden Empfang und/oder Auswertung von Strahlung aus dem Rückempfangen der Objektbestrahlung einerseits und anderem Licht vom Objekt andererseits ausgebildet ist, wobei insbesondere die im frequenzverschoben rückgekoppelte Strahlungsquelle zur Emission im Infraroten ausgebildet ist und/oder der positionsempfindliche Objekterfassungssensor weiter insbesondere zum Empfang von sichtbarem Licht als anderem Licht vom Objekt ausgebildet ist, wobei insbesondere eine Auswertung der Objekterfassungssensor- signale für rückempfangene Strahlung und anderes Licht nach unterschiedlicher Signalkonditionierung erfolgen kann.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der positionsempfindlichen Objekterfassungssensor zur pixelweisen Erfassung von Strahlung aus dem Rückempfangen der Objektbestrahlung und/oder anderem Licht vom Objekt ausgebildet ist, wobei der positionsempfindliche Objekterfassungssensor insbesondere einen Multipixelchip für eine Mehrfarberfassung mit einem Farbfiltermuster umfaßt und/oder separate, insbesondere über einen Strahlteiler in einem Objektabbildungsstrahlengang ausgeleuchtete Multipixele- lemente für Licht und/oder Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen vorgesehen sind, wobei insbesondere eine Bildlagekorrekturstufe zur Herbeiführung einer Bildlageübereinstimmung vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Ob- jekterfassungssensor zur pixelweisen Erfassung von Strahlung aus dem Rückempfangen der Objektbestrahlung und/oder anderem Licht vom Objekt ausgebildet ist eine Mehrzahl von Auswerteeinheiten, insbesondere eine je Pixel, insbesondere zur Erhöhung der Auswerte- und/oder Bildwiederholfrequenz vorgesehen sind.
14. Verfahren zur ortsaufgelösten Objektentfernungsbestimmung mit einer frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung mit entfernungsbestimmungsnutzbarer Strahlung und einem positionsempfindlichen Objekterfassungssensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfrequenzkomponentenschwebungsintensität an der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle zur Objektbestrahlung über das durch stochastische Schwankungen der frequenzverschoben rückgekoppelten Strahlungsquelle erhältliche Maß hinaus erhöht und die Schwebungsintensität von vom Objekt und nicht vom Objekt einlaufender Strahlung als entfernungsindikatives Signal bestimmt wird.
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