EP3665504A1 - Verfahren zur bereitstellung eines detektionssignals für zu detektierende objekte - Google Patents

Verfahren zur bereitstellung eines detektionssignals für zu detektierende objekte

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EP3665504A1
EP3665504A1 EP18749341.6A EP18749341A EP3665504A1 EP 3665504 A1 EP3665504 A1 EP 3665504A1 EP 18749341 A EP18749341 A EP 18749341A EP 3665504 A1 EP3665504 A1 EP 3665504A1
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EP
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frequency
light
light beam
detection
linear
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18749341.6A
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English (en)
French (fr)
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Fabian Utermoehlen
Stefan Leidich
Peter Degenfeld-Schonburg
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3507—Arrangements comprising two or more nonlinear optical devices

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a detection signal for objects to be detected.
  • the invention also relates to a sensor device for providing a detection signal for objects to be detected.
  • the invention also relates to a LiDAR scanner, in particular microscanner.
  • known LiDAR macro scanners have a rotor on which optical elements such as light source and detector are arranged.
  • Other known scanners have only one mirror for beam deflection as a rotating element.
  • a pulsed light source for. B. in the form of a laser emits a light beam and its reflection detected on an object to determine the distance of the object based on the reflected light.
  • the macroscanner may have a so-called coaxial arrangement of transmit and receive paths, in which the reflected light is conducted via the light path of the emitting optics.
  • the optical components, in particular the mirror of the receiving path are chosen to be correspondingly large.
  • biaxial arrangements When using biaxial arrangements, a large detector array is used due to the lens size and the image scale in order to reduce the optical noise power, for example by sunlight or other extraneous light sources.
  • Biaxial arrangements with static receive channels are usually illuminated from a wide range of angles and have a low signal-to-noise ratio and hence range.
  • eye safety may also be relevant.
  • a security scanner for monitoring a scan plane for entry of objects into the scan plane has become known with a light transmitter, a light deflection unit for deflecting the light into the scan plane, a receiver for providing received signals as a function of in the field of vision the scanner of existing objects remitt Being light, and an evaluation unit for evaluating the received signals and for providing a security signal, wherein the light emitter emits light having a wavelength between 1200 nm and 1700 nm.
  • US 2015/0177128 A1 has disclosed a method for imaging using photons in quantum mechanical states with two different wavelengths.
  • photons of a first wavelength are used to illuminate sample material and photons of a second wavelength are fed to a detector, wherein the photons are not emitted and thus separated from the light path.
  • the invention provides a method for providing a detection signal for objects to be detected, wherein
  • the first light beam is detected with a reference frequency and wherein
  • the second light beam is emitted at an object frequency and received after reflection on an object
  • a detection signal is generated, such that based on the
  • Time difference between the detection of the first light beam with the reference frequency and a detection of a change of the reference beam with reference frequency due to said overlay the distance of the object can be determined.
  • the invention provides a sensor device for providing a detection signal for objects to be detected, comprising a light source for generating an output beam having at least one output frequency,
  • a first beam generating device for generating at least a first and a second light beam of different frequencies by means of a first optical non-linear 3-wave process from the output beam
  • a second beam generating device for generating a reference beam with reference frequency by means of a second optical non-linear 3-wave process from a superposition of the emitted and received after reflection on an object second light beam and the light beam with the output frequency
  • a detection device for detecting light which is designed to generate a detection signal, such that the distance of the object can be determined on the basis of the time difference between the detection of the first light beam with the reference frequency and a detection of a change of the reference beam with reference frequency due to said superposition is.
  • the invention provides a LiDAR scanner, in particular a microscanner, with at least one sensor device according to one of claims 3-10, wherein the LIDAR scanner has a micromechanical mirror for deflecting a beam of the first beam generating device.
  • the LIDAR scanner has a micromechanical mirror for deflecting a beam of the first beam generating device.
  • at least one of the embodiments of the invention provides one Sensor device in which the light of a light source by a first optical non-linear 3-wave process, two further light beams, object beam and reference beam, are generated at different frequencies. The reference beam is measured directly while the object beam is being transmitted to the object to be scanned or to the corresponding region / area. If the object beam strikes an object, it is at least partially reflected and the thus reflected light of the object beam is detected.
  • the reflected light of the object beam is superimposed together with the light beam of the light source.
  • a second optical nonlinear 3-wave process can then be used to generate a change in the light beam to be detected.
  • the time between the first measurement of the reference beam and the detection of a change in the proportion of the reference beam with reference frequency due to the superposition of the recorded object beam and the reference beam for determining the object distance can be used.
  • the eye safety can be improved, in particular in that the transmission power can be increased regardless of the design of the detector.
  • Another advantage is the high sensitivity, since a completely different noise power path is used.
  • a further advantage is increased flexibility, since it is also possible, for example, to use a planar detector in a biaxial arrangement.
  • Another advantage is that the installation space can be reduced because smaller detectors or detection devices can be used with the same signal-to-noise ratio.
  • simpler wavelength filters can be used because narrow-band angle-independent wavelength filters, which are expensive to manufacture, can be omitted.
  • non-linear 3-wave process is to be understood in the broadest sense and, in particular in the description, preferably in the claims, refers to a process in which a nonlinear process optical effect is used to transform an electromagnetic wave having an input frequency into two electromagnetic waves having different output frequencies or from two electromagnetic waves having different input frequencies To generate electromagnetic wave with an output frequency. Examples of a non-linear optical effect are frequency doubling or the Kerr effect. Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or will become apparent.
  • the intensity of the reference beam changes with reference frequency due to said superposition, in particular it increases. This allows a simple and reliable detection of the timing of the overlay.
  • the first and / or second beam generating device comprises a non-linear optical crystal.
  • the nonlinear optical crystal is made of in particular periodically poled potassium titanyl phosphate, lithium niobate and / or stoichiometric lithium tantalate and / or barium borate, lithium triborate, bismuth borate and / or potassium dihydrogen phosphate.
  • the first beam generating device is designed to provide the first optical non-linear 3-wave process by means of spontaneous parametric fluorescence.
  • the second beam generating device is designed to provide the second optical non-linear 3-wave process by means of difference frequency generation.
  • Differential frequency generation also known as “difference frequency generation”
  • two light beams can be generated.
  • the light source is designed to generate pulsed light. Using light pulses simpler, time-resolved measurements are possible.
  • the light source can be controlled by means of a pulse-shaped modulated current source.
  • the light source can be easily controlled.
  • the detection device has a photodiode, in particular an avalanche photodiode and / or a SPAD diode.
  • a simple and reliable detection device can be provided. If a SPAD diode is used, single photons can be detected. This allows reliable detection even at low light levels.
  • an absorber is arranged at least for light beams from the second beam generating device.
  • the absorber is made of black silicone. This allows light to be absorbed effectively.
  • a receiving device is arranged for receiving light beams reflected by objects, which has a frequency filter, in particular a bandpass filter, which is designed to suppress the first light beam and to transmit the second light beam.
  • a frequency filter in particular a bandpass filter
  • the bandpass filter for transmitting light of the wavelength of the second light beam Ai +/- 10nm, in particular Ai +/- 5nm, preferably ⁇ +/- 2.5nm, in particular Ai +/- 1, 5nm and / or preferably ⁇ +/- 5%, in particular ⁇ +/- 2%, preferably ⁇ +/- 1% be formed.
  • a time difference measuring device which has a digital counter, in particular controlled by clock sources with high frequency, and / or a series circuit of several digital gates, such that the time of generation of a light pulse and the time of detection of the reflected light forms the time difference.
  • a digital counter in particular controlled by clock sources with high frequency
  • / or a series circuit of several digital gates such that the time of generation of a light pulse and the time of detection of the reflected light forms the time difference.
  • High frequencies are to be understood here as frequencies in the GHz range, preferably between 1 -300 GHz, in particular between 5 and 100 GHz.
  • the detection device has a non-linear detection characteristic. Thus, an override of the detection device can be avoided.
  • a distance determining device for determining the distance of the object is arranged on the basis of the time difference determined by the time difference measuring device.
  • the determined distance can be coded directly into the detection signal.
  • 1 is a sensor device according to a first embodiment of the
  • FIG. 3 shows a sensor device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a reference signal of a detector device according to a fourth
  • FIG. 5 steps of a method according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a sensor device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 an embodiment of a system according to the invention is shown.
  • a laser beam 2 with the frequency fiaser or the wavelength ⁇ , for example. 531 nm, by means of a laser 10 is generated.
  • the power of the laser 10 is controlled by a pulse-shaped modulated current source with the continuous level h and the pulse level I2.
  • the laser 10 correspondingly emits a continuous power P1, for example 1 mW and a pulse power P2, for example 50 W.
  • the pulse length is for example between 1 ns and 10 ns, preferably between 2 ns and 8 ns, in particular between 4 ns and 6 ns.
  • the laser beam 2 is supplied to a non-linear crystal 30.
  • This may consist of (periodically poled) potassium titanyl phosphate, (periodically poled) lithium niobate, (periodically poled) stoichiometric lithium tantalate, barium borate, Lithium triborate, bismuth borate and / or potassium dihydrogen phosphate.
  • Object and reference beam 3, 4 are designated in this first step by the solid line in Fig. 1.
  • the object and reference beams 3, 4 are spatially separated by means of a wavelength-selective beam splitter 60, for example in the form of a dichroic mirror.
  • the reference beam 4 is fed to a detector 100 and converted into an electrical signal.
  • the detector 100 may include a photodiode that detects the intensity of the photon current and / or has a SPAD diode that responds to individual photons. Alternatively or additionally, an avalanche photodiode can also be used.
  • the object beam 3 is supplied to the measuring object 70 by means of a transmitting device 68 and / or by means of a deflection device. The light of the object beam 3 is reflected by the measuring object 70 - here diffuse - and partially received by the receiving optics 67.
  • the receiving optics 67 has a wavelength filter 66.
  • the wavelength or frequency filter is preferably a bandpass filter with high transmission at Ai-1, 5nm to Ai + 1, 5nm and low transmission at K2.
  • the bandpass filter for transmitting light of the wavelength of the object beam 3 A-i +/- 10nm, in particular A-i +/- 5nm, preferably Ai +/- 2.5nm, in particular Ai +/- 1, 5nm and / or preferably Ai + / - 5%, in particular Ai +/- 2%, preferably Ai +/- 1% and low transmission at K2, preferably in a range A2 +/- 10nm, in particular A2 +/- 5nm, preferably A2 +/- 2.5nm or A2 + / - 1, 5nm and / or preferably A2 +/- 5%, in particular A2 be formed +/- 2%.
  • the light 5, which was received by the receiving optics 67, is in turn fed to the non-linear crystal 30 via the deflection mirrors 55, 56 and 57.
  • the additional supply of a light beam 5 of the wavelength ⁇ turn a light beam 6 of the wavelength K2 by the effect of the difference frequency generation.
  • This light beam 6 then strikes the beam splitter 60 in the further course.
  • the proportion of the beam 6 of the wavelength K2 is supplied to the detector 100, whereby a measuring signal is generated.
  • the generated light beams 6, 7 are shown after the difference frequency generation by dashed lines.
  • the light beams 3, 4, 6, 7, which were generated by parametric fluorescence on the one hand or by difference frequency generation on the other hand, can not be distinguished in their frequency or wavelength.
  • the light beams 3, 4, 6, 7 can be different in their polarization, for example, and this allows a separation of the light beams 3, 4, 6, 7 and not required light beam 7 from the difference frequency generation with wavelength ⁇ can be supplied to an absorber 96.
  • the remaining photons of the laser 11 can be supplied to the absorber.
  • the device 1 described in FIG. 1 is an embodiment of a LiDAR system which provides a detection signal shown in FIG. 2.
  • the base level of the laser P1 leads to a detection signal level S1.
  • the detection signal at level S2 will greatly increase. It is possible to prevent overloading by a non-linear detector characteristic.
  • the intensity of the reference beam 4 can be seen on the detector 100.
  • the time span t-roF can be determined by known methods of electrical time measurement. Particularly suitable are digital counters, which are incremented by high-frequency clock sources or the series connection of digital gates, the signal to triggers the measurement and the detection terminates the measurement at ti.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the present invention, which will be described below.
  • a laser beam 2 with the frequency fiaser or the wavelength ⁇ , for example. 531 nm, by means of a laser 10 is generated.
  • the power of the laser 10 is controlled by a pulse-shaped modulated current source with the continuous level h and the pulse level I2.
  • the laser 10 accordingly emits a continuous power P1, for example 1 mW and a pulse power P2, for example 50 W.
  • the pulse length is typically 1 ns to 10 ns, preferably between 2 ns and 8 ns, in particular between 4 ns and 6 ns.
  • the laser beam 2 is split in the beam splitter 20.
  • the laser beam 2 on the optical path A is supplied to a nonlinear crystal 30a.
  • This may be made of (periodically poled) potassium titanyl phosphate, (periodically poled) lithium niobate, (periodically poled) stoichiometric lithium tantalate, barium borate, lithium triborate, bismuth borate and potassium dihydrogen phosphate.
  • the object and reference beams 3, 4 are spatially separated by means of a wavelength-selective beam splitter 60, for example a dichroic mirror or the like.
  • the reference beam 4 can be fed to a detector 101 and then into a electrical reference signal to be converted.
  • the detector 101 may include a photodiode that detects the intensity of the photon current or an SPAD diode that responds to individual photons. The latter enables reliable detection even at low light intensity. Alternatively or additionally, an avalanche photodiode can also be used.
  • the reference signal measured in the detector 101 is shown in FIG.
  • the object beam 3 is supplied to the measurement object 70.
  • the light of the object beam 3 is diffusely reflected by the measurement object 70 and received by the receiving optics 67 proportionally.
  • the receiving optics 67 has a wavelength filter 66.
  • the wavelength or frequency filter 66 is preferably a bandpass filter with high transmission at Ai-1, 5nm to Ai + 1, 5nm and low transmission at K2.
  • the bandpass filter for transmitting light of the wavelength of the object beam 3 A-i +/- 10nm, in particular A-i +/- 5nm, preferably Ai +/- 2.5nm, in particular Ai +/- 1, 5nm and / or preferably Ai + / - 5%, in particular Ai +/- 2%, preferably Ai +/- 1% and low transmission at K2, preferably in a range A2 +/- 10nm, in particular A2 +/- 5nm, preferably A2 +/- 2.5nm or A2 + / - 1, 5nm and / or preferably A2 +/- 5%, in particular A2 be formed +/- 2%.
  • the light picked up by the receiving optics 67 is combined via a beam combiner 80 with the laser beam 8 passed through the optical path B, and in turn fed to a nonlinear crystal 30b.
  • Fig. 5 shows steps of a method according to a fifth embodiment of the present invention.
  • a first step S1 light from a laser source 10 is converted into a non-linear one sent optical crystal.
  • the wavelengths of the object beam are preferably in the range 1550 nm and the wavelengths of the reference beam in the range 810 nm.
  • the intensity of the reference beam is in a third step S3 with a detector 100, z. B. with a photodiode, measured continuously.
  • a fourth step S4 the detected optical signal is converted into an electrical signal.
  • the object beam is by means of a suitable transmitting device, for example.
  • the light of the object beam is diffusely reflected by the measuring object 70 in a sixth step S6 and received by a receiving optical system 67 proportionally.
  • a seventh step S7 the received object beam of the frequency f 0 t> j is again supplied to the non-linear crystal 30 together with the laser beam at frequency fiaser.
  • the invention provides a compact, inexpensive and reliable LiDAR sensor system with high sensitivity and high eye safety.
  • the wavelength for the illumination of the object and the detection for example, an optimization of eye safety and / or maximizing the allowable transmission power regardless of the realization of a suitable detector possible.
  • a bandwidth of a spectral filter arranged in the detection path is no longer determinative of the noise power and thus in particular independent of the sunlight.
  • a planar detector can be used in a biaxial detection path or the entire light collected by the receiving optics can be fed to a single detector by means of a suitable structure in the integrated photonics, thus avoiding a receiving array.
  • At the same time can be dispensed with a narrow-band and angle-independent, but complicated wavelength filter.
  • the LiDAR system can also be combined with optical phase arrays.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte (70), wobei - mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30a) aus einem Lichtstrahl einer Lichtquelle (10) mit einer Ausgangsfrequenz (flaser) zumindest ein erster und ein zweiter Lichtstrahl erzeugt werden, die unterschiedliche Frequenz (fobj, fref) aufweisen und wobei - der erste Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz (fref) detektiert wird und wobei - der zweite Lichtstrahl mit einer Objektfrequenz (fobj) ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt (70) empfangen wird und wobei - der Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz (flaser) und der zweite Lichtstrahl mit der Objektfrequenz (fobj) überlagert werden, und wobei - mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30b) aus den beiden überlagerten Lichtstrahlen mit der Ausgangsfrequenz (flaser) und mit der Objektfrequenz (fobj) ein Referenzstrahl mit Referenzfrequenz (fref) erzeugt wird, und wobei - ein Detektionssignal erzeugt wird, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz (fref) und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung (d) des Objekts (70) bestimmbar ist.

Description

Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu
detektierende Objekte Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen LiDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner.
Obwohl auf beliebige Sensorvorrichtungen anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf LiDAR-Makroscanner erläutert.
Bekannte LiDAR Makroscanner weisen beispielsweise einen Rotor auf, auf dem optische Elemente wie Lichtquelle und Detektor angeordnet sind. Weitere bekannte Scanner weisen nur einen Spiegel zur Strahlablenkung als rotierendes Element auf. In bekannter Weise wird mit einer gepulsten Lichtquelle, z. B. in Form eines Lasers ein Lichtstrahl ausgesandt und dessen Reflexion an einem Objekt detektiert, um den Abstand des Objekts anhand des reflektierten Lichts zu bestimmten. Hierzu kann der Makroscanner eine so genannte koaxiale Anordnung von Sende- und Empfangspfad aufweisen, bei der das reflektierte Licht über den Lichtpfad der aussendenden Optik geleitet wird. Um dann ausreichend Licht im Empfänger detektieren zu können, sind die optischen Komponenten, insbesondere der Spiegel des Empfangspfads entsprechend groß gewählt. Bei einer Verwendung von biaxialen Anordnungen wird aufgrund der Linsengröße und des Abbildungsmaßstabs ein großes Detektorarray eingesetzt, um die optische Rauschleistung, bspw. durch Sonnenlicht oder anderen Fremdlichtquellen, zu reduzieren. Biaxiale Anordnungen mit statischen Empfangskanälen werden üblicherweise aus einem großen Winkelbereich beleuchtet und weisen ein niedriges Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit Reichweite auf. Bei der Auslegung einer LiDAR-Sensorvorrichtung für Consumer- und Automotive- Produkte kann auch die Augensicherheit relevant sein.
Aus der DE 20 2009 015 194 U1 ist ein Sicherheitsscanner zur Überwachung einer Scanebene auf Eintritt von Objekten in die Scanebene bekannt geworden mit einem Lichtsender, einer Lichtablenkeinheit zur Ablenkung des Lichtes in die Scanebene, einem Empfänger zur Bereitstellung von Empfangssignalen in Abhängigkeit von an im Sichtbereich des Scanners vorhandenen Objekten remittiertem Licht, und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale und zur Bereitstellung eines Sicherheitssignals, wobei der Lichtsender Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1200 nm und 1700 nm aussendet.
Aus der DE 10 2007 032 997 A1 ist ein Laserscanner zur Bestimmung von Fahrbahneigenschaften bekannt geworden, der zwei Wellenlängen - 900 nm und 1550 nm - verwendet, um unterschiedliche Reflexionen erkennen zu können.
Aus der US 2015/0177128 A1 ist darüber hinaus eine Methode zur Bildgebung mithilfe von Photonen in quantenmechanischen Zuständen mit zwei verschiedenen Wellenlängen bekannt geworden. Dabei werden Photonen einer ersten Wellenlänge zur Beleuchtung von Probenmaterial verwendet und Photonen einer zweiten Wellenlänge einem Detektor zugeführt, wobei die Photonen nicht ausgesendet werden und somit vom Lichtpfad getrennt werden.
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte bereit, wobei
mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus einem Lichtstrahl einer Lichtquelle mit einer Ausgangsfrequenz zumindest ein erster und ein zweiter Lichtstrahl erzeugt werden, die unterschiedliche Frequenz aufweisen und wobei
- der erste Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz detektiert wird und wobei
der zweite Lichtstrahl mit einer Objektfrequenz ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt empfangen wird und wobei
der Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz und der zweite Lichtstrahl mit der Objektfrequenz überlagert werden, und wobei mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus den beiden überlagerten Lichtstrahlen mit der Ausgangsfrequenz und mit der Objektfrequenz ein Referenzstrahl mit Referenzfrequenz erzeugt wird, und wobei
- ein Detektionssignal erzeugt wird, derart, dass anhand der
Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung des Objekts bestimmbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte, umfassend eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Ausgansstrahls mit zumindest einer Ausgangsfrequenz,
eine erste Strahlerzeugungseinrichtung zur Erzeugung zumindest eines ersten und eines zweiten Lichtstrahls unterschiedlicher Frequenz mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus dem Ausgangsstrahl,
eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Referenzstrahls mit Referenzfrequenz mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus einer Überlagerung aus dem ausgesendeten und nach Reflexion an einem Objekt empfangenen zweiten Lichtstrahl und dem Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz, und
eine Detektionseinrichtung zur Detektion von Licht, wobei diese ausgebildet ist, ein Detektionssignal zu erzeugen, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung des Objekts bestimmbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen LiDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-10 bereit, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines Strahls der ersten Strahlerzeugungseinrichtung aufweist. Mit anderen Worten stellt zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereit, bei der mit dem Licht einer Lichtquelle durch einen ersten optischen nichtlinearen 3-Wellenprozess zwei weitere Lichtstrahlen, Objektstrahl und Referenzstrahl, mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden. Der Referenzstrahl wird direkt gemessen, während der Objektstrahl auf das zu scannende Objekt oder in die entsprechende Region/Bereich gesendet wird. Trifft der Objektstrahl auf ein Objekt wird dieser zumindest teilweise reflektiert und das so reflektierte Licht des Objektstrahls detektiert. Das reflektierte Licht des Objektstrahls wird zusammen mit dem Lichtstrahl der Lichtquelle überlagert. Durch einen zweiten optischen nichtlinearen 3-Wellenprozess kann dann eine Änderung in dem zu detektierenden Lichtstrahl erzeugt werden. Dabei ist dann die Zeit zwischen dem erstmaligen Messen des Referenzstrahls und der Detektion einer Änderung des Anteils des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz auf Grund der Überlagerung von dem aufgenommenen Objektstrahl und dem Referenzstrahl zur Bestimmung des Objektabstandes nutzbar.
Einer der erzielten Vorteile ist, dass die Augensicherheit verbessert werden kann, insbesondere in dem die Sendeleistung unabhängig von der Auslegung des Detektors erhöht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Sensitivität, da ein völlig anderer Rausch-Leistungspfad genutzt wird. Ein weiterer Vorteil ist eine erhöhte Flexibilität, da auch ein bspw. flächiger Detektor bei einer biaxialen Anordnung verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bauraum verkleinert werden kann, da kleinere Detektoren bzw. Detektionseinrichtungen bei gleichem Signal-zu-Rausch-Verhältnis verwendet werden können. Ebenso können einfachere Wellenlängenfilter verwendet werden, da schmalbandige winkelunabhängige Wellenlängenfilter, die aufwendig zu fertigen sind, entfallen können.
Unter dem Begriff„Black Silicon" ist schwarzes Silizium zu verstehen. Der Begriff„nicht linearer 3-Wellenprozess" ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich, insbesondere in der Beschreibung, vorzugsweise in den Ansprüchen, auf einen Prozess, bei dem ein nichtlinearer optischer Effekt genutzt wird, um aus einer elektromagnetischen Welle mit einer Eingangsfrequenz zwei elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Ausgangsfrequenzen oder aus zwei elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Eingangsfrequenzen eine elektromagnetische Welle mit einer Ausgangsfrequenz zu erzeugen. Beispiele für einen nicht linearen optischen Effekt sind Frequenzverdoppelung oder der Kerr- Effekt. Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ändert sich auf Grund besagter Überlagerung die Intensität des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz, insbesondere erhöht sich diese. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Detektion des Zeitpunkts der Überlagerung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erste und/oder zweite Strahlerzeugungseinrichtung einen nicht-linearen optischen Kristall. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise ein parametrischer optischer Prozess und/oder ein nicht-linearer optischer Effekt bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der nicht-lineare optische Kristall aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lithiumniobat und/oder stöchiometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismutborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt. Auf diese Weise lässt sich in flexibler Weise ein nicht-linearer optischer Kristall herstellen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Strahlerzeugungseinrichtung ausgebildet, den ersten optischen nicht-linearen 3- Wellenprozess mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz bereitzustellen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise mittels parametrischer Fluoreszenz, auch bekannt unter dem Begriff „parametric down-conversion", zwei Lichtstrahlen erzeugt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die zweite Strahlerzeugungseinrichtung ausgebildet, den zweiten optischen nicht-linearen 3- Wellenprozess mittels Differenzfrequenzerzeugung bereitzustellen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise mittels Differenzfrequenzerzeugung, auch bekannt unter dem Begriff „difference frequency generation", zwei Lichtstrahlen erzeugt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle zur Erzeugung von gepulstem Licht ausgebildet. Mittels Lichtpulsen sind einfachere, zeitaufgelöste Messungen möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle mittels einer pulsförmig modulierten Stromquelle steuerbar. Damit kann die Lichtquelle auf einfache Weise gesteuert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektionseinrichtung eine Photodiode, insbesondere eine Lawinenphotodiode und/oder eine SPAD-Diode auf. Damit kann eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Detektionseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Wird eine SPAD-Diode verwendet, können einzelne Photonen detektiert werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Detektion auch bei geringer Lichtstärke.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein Absorber zumindest für Lichtstrahlen aus der zweiten Strahlerzeugungseinrichtung angeordnet. Einer der erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache und zuverlässige Weise der Lichtstrahlen aus der zweiten Strahlerzeugungseinrichtung ausgeblendet werden kann. Ebenso kann auch ein Absorber für nicht benötigtes Licht des Lasers angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Absorber aus Black Silicon hergestellt. Damit kann Licht effektiv absorbiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von von Objekten reflektierten Lichtstrahlen angeordnet, welche einen Frequenzfilter, insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung des ersten Lichtstrahls und zur Transmission des zweiten Lichtstrahls ausgebildet ist. Ein möglicher Vorteil ist, dass Fremdlicht zuverlässig ausgeblendet werden kann. Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des zweiten Lichtstrahls Ai+/-10nm, insbesondere Ai+/-5nm, vorzugsweise λι +/- 2,5nm, insbesondere Ai+/-1 ,5nm und/oder vorzugsweise λι+/- 5% , insbesondere λι+/- 2%, vorzugsweise λι+/- 1 % ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Zeitdifferenz- messeinrichtung angeordnet, die einen digitalen Zähler aufweist, insbesondere gesteuert durch Taktquellen mit hoher Frequenz, und/oder eine Serienschaltung mehrerer digitaler Gatter, derart, dass der Zeitpunkt einer Erzeugung eines Lichtpulses und der Zeitpunkt der Detektion des reflektierten Lichts die Zeitdifferenz bildet. Damit ist eine besonders zuverlässige Messung der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines Pulses und dem Eintreffen des vom Objekt reflektierten Lichtpulses möglich. Unter hohen Frequenzen sind hier Frequenzen im GHz- Bereich, vorzugsweise zwischen 1 -300 GHz, insbesondere zwischen 5-100 GHz zu verstehen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektionseinrichtung eine nichtlineare Detektionscharaktenstik auf. Damit kann eine Übersteuerung der Detektionseinrichtung vermieden werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Entfernungs- bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Entfernung des Objekts anhand der durch die Zeitdifferenzmesseinrichtung ermittelten Zeitdifferenz angeordnet. Damit kann direkt in das Detektionssignal der ermittelte Abstand codiert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter- ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen. Dabei zeigen in schematischer Form
Fig. 1 eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Messsignal einer Detektoreinrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 eine Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 ein Referenzsignal einer Detektoreinrichtung gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 Schritte eines Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems gezeigt.
Zunächst wird ein Laserstrahl 2 mit der Frequenz fiaser bzw. der Wellenlänge λο, bspw. 531 nm, mittels eines Lasers 10 erzeugt. Die Leistung des Lasers 10 wird durch eine pulsförmig modulierte Stromquelle mit dem Dauerpegel h und dem Pulspegel I2 gesteuert. Der Laser 10 emittiert entsprechend eine Dauerleistung P1 , bspw. 1 mW und eine Pulsleistung P2, bspw. 50 W. Die Pulslänge beträgt beispielsweise zwischen 1 ns bis 10 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 8 ns, insbesondere zwischen 4 ns und 6 ns.
Der Laserstrahl 2 wird einem nicht-linearen Kristall 30 zugeführt. Dieser kann aus (periodisch gepoltem) Kaliumtitanylphosphat, (periodisch gepoltem) Lithiumniobat, (periodisch gepoltem) stöchiometrischem Lithiumtantalat, Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein. Dort entsteht in einem ersten Schritt mittels parametrischer Fluoreszenz, auch parametric down-conversion genannt, ein Objektstrahl 3 mit Frequenz f0t>j bzw. Wellenlänge λι zur Detektion eines Objekts und ein Referenzstrahl 4 mit Frequenz fret bzw. Wellenlänge K2, bspw. λι=1550 nm und λ2=810 nm, oder auch jede beliebige Wellenlänge zwischen 700 nm und 1600 nm, wobei die Resonanzbedingung f0t>j + fret = fiaser, erfüllt ist. Objekt- und Referenzstrahl 3, 4 sind in diesem ersten Schritt mit der durchgezogenen Linie in Fig. 1 bezeichnet. In einem zweiten Schritt werden Objekt- und Referenzstrahl 3, 4 mittels eines wellenlängenselektiven Strahlteilers 60, bspw. in Form eines dichroitischen Spiegels, räumlich getrennt.
Der Referenzstrahl 4 wird einem Detektor 100 zugeführt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Detektor 100 kann eine Photodiode, die die Intensität des Photonenstroms detektiert und/oder eine SPAD-Diode aufweisen, welche auf einzelne Photonen reagiert. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Lawinenphotodiode verwendet werden. Der Objektstrahl 3 wird mittels einer Sendevorrichtung 68 und/oder mittels einer Ablenkvorrichtung dem Messobjekt 70 zugeführt. Das Licht des Objektstrahls 3 wird vom Messobjekt 70 - hier diffus - reflektiert und anteilig von der Empfangsoptik 67 aufgenommen. Die Empfangsoptik 67 weist einen Wellenlängenfilter 66 auf. Der Wellenlängen- oder Frequenzfilter ist vorzugsweise ein Bandpassfilter mit hoher Transmission bei Ai-1 ,5nm bis Ai+1 ,5nm und geringer Transmission bei K2. Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des Objektstrahls 3 A-i+/-10nm, insbesondere A-i+/-5nm, vorzugsweise Ai+/-2,5nm, insbesondere Ai+/-1 ,5nm und/oder vorzugsweise Ai +/- 5%, insbesondere Ai +/- 2%, vorzugsweise Ai +/- 1 % und geringer Transmission bei K2, vorzugsweise in einem Bereich A2+/- 10nm, insbesondere A2+/-5nm, vorzugsweise A2+/-2,5nm oder A2+/- 1 ,5nm und/oder vorzugsweise A2+/-5%, insbesondere A2+/-2% ausgebildet sein.
Im dritten Schritt wird das Licht 5, welches von der Empfangsoptik 67 aufgenommen wurde, über die Umlenkspiegel 55, 56 und 57 wiederum dem nicht-linearen Kristall 30 zugeführt. Dort entsteht, neben der im ersten Schritt erzeugten parametrischen Fluoreszenz, durch die zusätzliche Zufuhr eines Lichtstrahls 5 der Wellenlänge λι wiederum ein Lichtstrahl 6 der Wellenlänge K2 durch den Effekt der Differenzfrequenzerzeugung. Dieser Lichtstrahl 6 trifft dann im weiteren Verlauf auf den Strahlteiler 60. Der Anteil des Strahls 6 der Wellenlänge K2 wird dem Detektor 100 zugeführt, wodurch ein Messsignal erzeugt wird.
In Fig. 1 sind die erzeugten Lichtstrahlen 6, 7 nach der Differenzfrequenzerzeugung durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Lichtstrahlen 3, 4, 6, 7, welche durch parametrische Fluoreszenz einerseits oder durch Differenzfrequenzerzeugung andererseits erzeugt wurden, lassen sich nicht in ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge unterscheiden. Je nach gewählter Technik zur Phasenanpassung der Lichtstrahlen, auch„phase matching" genannt, lassen sich die Lichtstrahlen 3, 4, 6, 7 bspw. in ihrer Polarisation unterscheiden. Dies ermöglicht eine Trennung der Lichtstrahlen 3, 4, 6, 7 und der nicht benötigte Lichtstrahl 7 aus der Differenzfrequenzerzeugung mit Wellenlänge λι kann einem Absorber 96 zugeführt werden. Ebenso können die übrigen Photonen des Lasers 11 dem Absorber zugeführt werden.
Die in Fig. 1 beschriebene Vorrichtung 1 ist eine Ausführungsform eines LiDAR- Systems, welches ein Detektionssignal, das in Fig. 2 dargestellt ist, bereitstellt. Der Grundpegel des Lasers P1 führt zu einem Detektionssignalpegel S1. Zum Zeitpunkt der Pulserzeugung to wird das Detektionssignal auf den Pegel S2 stark ansteigen. Es ist möglich, durch eine nicht-lineare Detektorcharakteristik eine Übersteuerung zu verhindern. In der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines Lichtpulses to und dem Eintreffen des vom Objekt reflektierten Lichts t-roF ist am Detektor 100 nur die Intensität des Referenzstrahls 4 zu sehen. Zum Zeitpunkt ti = t-roF der Erzeugung des Lichtstrahls 4 der Wellenlänge K2 durch die Differenzfrequenzerzeugung im nicht-linearen Kristall 30 ist eine Veränderung des Detektionssignals K2 zu erwarten, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Zeitspanne zwischen der Erzeugung des Lichtpulses 3 und der Detektion des Objektes 70 kann mittels einer Zeitdifferenzmesseinrichtung 110 gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung 120 in den gesuchten Objektabstand d umgerechnet werden: d = V2 tTOF « co , mit Co = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Zeitspanne t-roF kann mit bekannten Methoden der elektrischen Zeitmessung bestimmt werden. Besonders geeignet sind digitale Zähler, welche von hochfrequenten Taktquellen inkrementiert werden oder die Hintereinanderschaltung von digitalen Gattern, wobei das Signal to die Messung auslöst und die Detektion bei ti die Messung beendet.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben wird.
Zunächst wird ein Laserstrahl 2 mit der Frequenz fiaser bzw. der Wellenlänge λο, bspw. 531 nm, mittels eines Lasers 10 erzeugt. Die Leistung des Lasers 10 wird durch eine pulsförmig modulierte Stromquelle mit dem Dauerpegel h und dem Pulspegel I2 gesteuert. Der Laser 10 emittiert entsprechend eine Dauerleistung P1 , bspw. 1 mW und eine Pulsleistung P2, bspw. 50 W. Die Pulslänge beträgt typischerweise 1 ns bis 10 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 8 ns, insbesondere zwischen 4 ns und 6 ns.
In einem zweiten Schritt wird der Laserstrahl 2 im Strahlteiler 20 geteilt.
Der Laserstrahl 2 auf dem optischen Pfad A wird einem nicht-linearen Kristall 30a zugeführt. Dieser kann aus (periodisch gepoltem) Kaliumtitanylphosphat, (periodisch gepoltem) Lithiumniobat, (periodisch gepoltem) stöchiometrischem Lithiumtantalat, Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und Kaliumdihydrogen- phosphat hergestellt sein. Dort entsteht in einem ersten Schritt mittels parametrischer Fluoreszenz der Objektstrahl 3 mit Frequenz f0t>j bzw. Wellenlänge λι und der Referenzstrahl 4 mit Frequenz fref bzw. Wellenlänge K2 mit bspw. λι = 1550 nm und K2 = 810 nm, oder auch jede beliebige Wellenlänge zwischen 700 nm und 1600 nm, wobei die Resonanzbedingung f0t>j + fref = fiaser erfüllt ist.
In einem dritten Schritt auf dem ersten optischen Pfad A werden Objekt- und Referenzstrahl 3, 4 mittels eines wellenlängenselektiven Strahlteilers 60, bspw. ein dichroitischer Spiegel oder dergleichen, räumlich getrennt. Der Referenzstrahl 4 kann einem Detektor 101 zugeführt und dann in ein elektrisches Referenzsignal gewandelt werden. Der Detektor 101 kann eine Photodiode, die die Intensität des Photonenstroms detektiert oder eine SPAD- Diode, welche auf einzelne Photonen reagiert, aufweisen. Letztere ermöglicht eine zuverlässige Detektion auch bei geringer Lichtstärke. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Lawinenphotodiode verwendet werden. Das im Detektor 101 gemessene Referenzsignal ist in Fig. 4 dargestellt.
Der Objektstrahl 3 wird dem Messobjekt 70 zugeführt. Das Licht des Objektstrahls 3 wird vom Messobjekt 70 diffus reflektiert und anteilig von der Empfangsoptik 67 aufgenommen. Die Empfangsoptik 67 weist ein Wellenlängenfilter 66 auf. Das Wellenlängen- oder Frequenzfilter 66 ist vorzugsweise ein Bandpassfilter mit hoher Transmission bei Ai-1 ,5nm bis Ai+1 ,5nm und geringer Transmission bei K2. Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des Objektstrahls 3 A-i+/-10nm, insbesondere A-i+/-5nm, vorzugsweise Ai+/-2,5nm, insbesondere Ai+/-1 ,5nm und/oder vorzugsweise Ai +/- 5%, insbesondere Ai +/- 2%, vorzugsweise Ai +/- 1 % und geringer Transmission bei K2, vorzugsweise in einem Bereich A2+/- 10nm, insbesondere A2+/-5nm, vorzugsweise A2+/-2,5nm oder A2+/- 1 ,5nm und/oder vorzugsweise A2+/-5%, insbesondere A2+/-2% ausgebildet sein. Im vierten Schritt wird das Licht, welches von der Empfangsoptik 67 aufgenommen wurde, über einen Strahlvereiniger 80 mit dem über den optischen Pfad B gelaufenen Laserstrahl 8 vereinigt und wiederum einem nicht-linearen Kristall 30b zugeführt. Dort entsteht, neben der durch den auf dem optischen Pfad A laufenden Laserstrahl 5 erzeugten parametrischen Floureszenz, durch die zusätzliche Zufuhr eines Strahls der Wellenlänge Ai eine Intensitätserhöhung des Laserstrahls 6 der Wellenlänge A2 basierend auf der Differenzfrequenzerzeugung. Der Anteil des Laserstrahls 6 der Wellenlänge A2 wird dem Detektor 100 zugeführt, wodurch ein Messsignal, wie in Abbildung 2 dargestellt, entsteht. Der Anteil des Laserstrahls 7 der Wellenlänge Ai wird nicht mehr benötigt und kann einem Absorber 96 zugeführt werden.
Fig. 5 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt S1 wird Licht einer Laserquelle 10 in einen nicht-linearen optischen Kristall gesendet.
Dort entsteht in einem zweiten Schritt S2 mittels parametrischer Fluoreszenz, auch parametric down-conversion genannt, ein Objektstrahl mit Frequenz f0t>j und ein Referenzstrahl mit fref, wobei die Resonanzbedingung f0t>j + fret = fiaser erfüllt ist. Bevorzugt liegen die Wellenlängen des Objektstrahls im Bereich 1550 nm und die Wellenlängen des Referenzstrahls im Bereich 810 nm.
Die Intensität des Referenzstrahls wird in einem dritten Schritt S3 mit einem Detektor 100, z. B. mit einer Photodiode, kontinuierlich gemessen.
In einem vierten Schritt S4 wird das detektierte optische Signal in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Objektstrahl hingegen wird mittels einer geeigneten Sendevorrichtung, bspw. einer Linsen- oder Spiegeloptik und optional mit einer Ablenkvorrichtung, z. B. einem Mikrospiegel oder einem Drehspiegel oder dergleichen, in einem fünften Schritt S5 dem Messobjekt 70 zugeführt. Das Licht des Objektstrahls wird vom Messobjekt 70 in einem sechsten Schritt S6 diffus reflektiert und anteilig von einer Empfangsoptik 67 aufgenommen.
In einem siebten Schritt S7 wird der empfangene Objektstrahl der Frequenz f0t>j zusammen mit dem Laserstrahl bei Frequenz fiaser wiederum dem nicht-linearen Kristall 30 zugeführt.
Dort entsteht in einem achten Schritt S8 durch den Effekt der Differenzfrequenzerzeugung, auch difference frequency generation genannt, ein Strahl mit der Frequenz
Dieser Strahl wird in einem neunten Schritt S9 mit dem Referenzstrahl überlagert und mit dem im dritten Schritt S3 beschriebenen Detektor 100 gemessen. Dies führt zu einer Überhöhung der Intensität des Messsignals. Die Zeitdifferenz zwischen dem erstmaligen Messen des Referenzstrahls und dem Messen der Intensitätserhöhung dient als Messsignal zur Bestimmung des Objektabstandes. Zusammenfassend wird durch die Erfindung und insbesondere durch zumindest eine der beschriebenen Ausführungsformen ein kompaktes, kostengünstiges und zuverlässiges LiDAR-Sensorsystem mit hoher Sensitivität und hoher Augensicherheit bereitgestellt. Im Detail ist dabei durch Trennung der Wellenlänge für die Beleuchtung des Objekts und die Detektion, beispielweise eine Optimierung auf Augensicherheit und/oder Maximierung der zulässigen Sendeleistung unabhängig von der Realisierung eines geeigneten Detektors möglich. Weiterhin ist eine Bandbreite eines im Detektionspfad angeordneten spektralen Filters nicht mehr rauschleistungsbestimmend und insbesondere damit unabhängig vom Sonnenlicht. Damit kann bspw. in einem biaxialen Detektionspfad ein flächiger Detektor verwendet werden bzw. mittels einer geeigneten Struktur in der integrierten Photonik das gesamte von der Empfangsoptik eingesammelte Licht einem Einzeldetektor zugeführt werden und somit ein Empfangsarray vermieden werden. Gleichzeitig kann auf einen schmalbandigen und winkelunabhängigen jedoch komplizierten Wellenlängenfilter verzichtet werden.
Darüber hinaus wird eine hohe Sensitivität ermöglicht, da ein vollständig anderer Rauschleistungspfad verwendet wird, was ein kompaktes LiDAR-System mit kleineren Linsen und ggf. mit Mikrospiegelablenkung ermöglicht. Ebenso kann das LiDAR-System auch mit optischen Phasearrays kombiniert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi- fizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende
Objekte (70), wobei
mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30a) aus einem Lichtstrahl einer Lichtquelle (10) mit einer Ausgangsfrequenz (fiaser) zumindest ein erster und ein zweiter Lichtstrahl erzeugt werden, die unterschiedliche Frequenz (f0t>j, fref) aufweisen und wobei
der erste Lichtstrahl mit einer Referenzfrequenz (fref) detektiert wird und wobei
der zweite Lichtstrahl mit einer Objektfrequenz (f0bj) ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt (70) empfangen wird und wobei der Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz (fiaser) und der zweite Lichtstrahl mit der Objektfrequenz (f0bj) überlagert werden, und wobei mittels eines zweiten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses (30, 30b) aus den beiden überlagerten Lichtstrahlen mit der Ausgangsfrequenz (fiaser) und mit der Objektfrequenz (f0bj) ein Referenzstrahl mit Referenzfrequenz (fref) erzeugt wird, und wobei ein Detektionssignal erzeugt wird, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz (fref) und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung (d) des Objekts (70) bestimmbar ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei sich auf Grund besagter Überlagerung die Intensität des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) ändert, insbesondere erhöht.
3. Sensorvorrichtung (1) zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte (70), umfassend
eine Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Ausgansstrahls mit zumindest einer Ausgangsfrequenz (fiaser) , eine erste Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30a) zur Erzeugung zumindest eines ersten und eines zweiten Lichtstrahls unterschiedlicher Frequenz (f0t>j, fref) mittels eines ersten optischen nicht-linearen 3-Wellenprozesses aus dem Ausgangsstrahl
(f laser) ,
eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30b) zur Erzeugung eines Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) mittels eines zweiten optischen nichtlinearen 3-Wellenprozesses aus einer Überlagerung aus dem ausgesendeten und nach Reflexion an einem Objekt (70) empfangenen zweiten Lichtstrahl (f0bj) und dem Lichtstrahl mit der Ausgangsfrequenz (fiaser) , und
eine Detektionseinrichtung (100) zur Detektion von Licht, wobei diese ausgebildet ist, ein Detektionssignal zu erzeugen, derart, dass anhand der Zeitdifferenz zwischen der Detektion des ersten Lichtstrahls mit der Referenzfrequenz (fref) und einer Detektion einer Änderung des Referenzstrahls mit Referenzfrequenz (fref) auf Grund besagter Überlagerung die Entfernung (d) des Objekts (70) bestimmbar ist.
4. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die erste und/oder zweite Strahlerzeugungseinrichtung (30a, 30b) einen nicht-linearen optischen Kristall umfasst, wobei der nicht-lineare optische Kristall (30) aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lihtiumniobat, und/oder stöchiometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein kann.
5. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-4, wobei die erste Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30a) ausgebildet ist, den ersten optischen nicht- linearen 3-Wellenprozess mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz bereitzustellen.
6. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-5, wobei die zweite Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30b) ausgebildet ist, den zweiten optischen nicht- linearen 3-Wellenprozess mittels Differenzfrequenzerzeugung bereitzustellen.
7. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-6, wobei ein Absorber (96) zumindest für Lichtstrahlen aus der zweiten Strahlerzeugungseinrichtung (30b) angeordnet ist, der aus Black Silicon hergestellt sein kann.
8. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-7, wobei eine Empfangseinrichtung (67) zum Empfangen von von Objekten reflektierten Lichtstrahlen angeordnet ist, welche einen Frequenzfilter (66), insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung des ersten Lichtstrahls (fref) und zur Transmission des zweiten Lichtstrahls (f0bj) ausgebildet ist.
9. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-8, wobei eine Zeitdifferenzmesseinrichtung (110) angeordnet ist, die einen digitalen Zähler, insbesondere gesteuert durch Taktquellen mit hoher Frequenz, aufweist und/oder eine Serienschaltung mehrerer digitaler Gatter, derart, dass der Zeitpunkt (to) einer Erzeugung eines Lichtpulses und der Zeitpunkt (ti) der Detektion des reflektierten Lichts die Zeitdifferenz bildet.
10. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-9, wobei die Detektionseinrichtung (100) eine nicht-lineare Detektionscharakteristik aufweist.
11. LiDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3-10, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines Strahls der ersten Strahlerzeugungseinrichtung (30, 30a) aufweist.
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