EP3948348A1 - Vorrichtung und verfahren zur scannenden messung des abstands zu einem objekt - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur scannenden messung des abstands zu einem objekt

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EP3948348A1
EP3948348A1 EP21719120.4A EP21719120A EP3948348A1 EP 3948348 A1 EP3948348 A1 EP 3948348A1 EP 21719120 A EP21719120 A EP 21719120A EP 3948348 A1 EP3948348 A1 EP 3948348A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
output
input
waveguides
detectors
Prior art date
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Pending
Application number
EP21719120.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Davydenko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Scantinel Photonics GmbH
Original Assignee
Scantinel Photonics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Scantinel Photonics GmbH filed Critical Scantinel Photonics GmbH
Publication of EP3948348A1 publication Critical patent/EP3948348A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
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    • B60W60/0015—Planning or execution of driving tasks specially adapted for safety
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • B60W2554/4049—Relationship among other objects, e.g. converging dynamic objects

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the scanning measurement of the distance to a moving or stationary object on the basis of LiDAR technology.
  • Such devices can be used, for example, in autonomous vehicles and implemented as photonic integrated circuits (PIC, Photonic Integrated Circuit) that contain no moving parts.
  • PIC photonic integrated circuits
  • a measuring principle known as LiDAR is known for optical distance measurement, in which an optical signal with a frequency that varies over time is directed onto the object to be measured and, after being reflected on the object, is recorded and evaluated. If the Doppler shift is also taken into account, the relative speed between the scanning device and the object can also be calculated.
  • This measuring principle is described in more detail, for example, in DE 10 2018 203 315 A1.
  • Scanners based on this measuring principle must be very robust and reliable if they are to be used in vehicles. This is particularly true when the vehicles drive autonomously, since the safety of autonomous driving depends crucially on the scanner that is used to generate a three-dimensional image of the environment. Ideally, such scanners do not contain any sensitive moving components such as scanning mirrors.
  • Scanners that are implemented as photonic integrated circuits do not require any moving components and are therefore particularly suitable for applications in vehicles.
  • Such scanners are disclosed, for example, in US 2017/0371227 A1 and US 2019/0377135 A1.
  • a distribution matrix with several becomes tree-like cascaded optical switches are used, which distribute the optical signals to different output channels that are assigned to different scanning directions.
  • the very weak optical signals reflected by the object pass through the distribution matrix in the opposite direction on their way to the detectors.
  • These signals are further weakened by the optical switches, which has an unfavorable effect on the signal-to-noise ratio (SNR, signal to noise ratio) of these scanners.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • An optical circulator usually has three connections (ports), with light arriving at one connection being passed on from the circulator to the next connection (i.e. 1 - > 2, 2 - > 3 and 3 -> 1).
  • circulators attenuate the received signals and therefore have an unfavorable effect on the signal-to-noise ratio.
  • the object of the invention is to provide a device for the scanning measurement of the distance to an object, which can be implemented as a photonically integrated circuit without moving components and in which the weak signals that are reflected from the object are weakened as little as possible by optical components, which are arranged in the light away to the detectors.
  • a device for the scanning measurement of the distance to an object which has a light source which is set up to generate an optical signal with a frequency that varies over time. Furthermore, the device comprises an optical distribution matrix which has several optical switches and / or optical splitters and which distributes the optical signal simultaneously or successively to several optical output waveguides.
  • a deflection optics deflects the optical signals emerging from the optical waveguides so that they are emitted in different directions by the device.
  • Several detectors detect one Superimposition of the optical signal generated by the light source with an optical signal that has been reflected from the object. Optical signals reflected by the object can be fed to the detectors, bypassing the optical distribution matrix.
  • An evaluation device determines a distance to the object from the overlay detected by the detectors.
  • optical signals reflected by the object can be fed to the detectors either via the output waveguides or via input waveguides that are independent of the output waveguides and not connected to the light source (ie not indirectly via a circulator).
  • the input waveguides are either interlaced with the output waveguides or so arranged relative to the output waveguides that an optical signal emerging from an output waveguide enters an input waveguide after reflection on the object, which is arranged immediately adjacent to the output waveguide.
  • the invention is based on the knowledge that a large number of individual optical circulators can be dispensed with if the optical signals reflected by the object either re-enter the same output waveguide from which they were previously coupled, or via independent and not independent of the output waveguides connected to the light source input waveguides are fed to the detectors, which are either immediately adjacent to the output waveguide or are arranged ver limited with the output waveguide.
  • the detectors which are either immediately adjacent to the output waveguide or are arranged ver limited with the output waveguide.
  • Such a common optical circulator also weakens the optical signals reflected from the object, but to a lesser extent than optical circulators which are each assigned to only one input waveguide.
  • the reflected optical signals are hardly attenuated on their way to the detector, since they are not a cascade several optical switches or splitters have to pass through in a distribution matrix, as is usually the case with the known devices of this type.
  • the output waveguides preferably each have an output coupler which is set up to decouple an optical signal carried in the output waveguide into free space.
  • the output coupler can be, for. B. to a grating coupler (engl diffraction coupier) or an edge coupler (engl edge coupier) act.
  • a collimator lens is arranged in the light path behind the output couplers for the purpose of collimation. This is because the optical signals generally leave the output coupler with a large divergence angle, which means that the emerging light beams would be greatly expanded at a greater distance.
  • a collimator lens can prevent such widening.
  • an output coupler can be used that has a spot size converter.
  • the deflecting optics contain a converging lens that has a front focal plane.
  • the output couplers or images of the output couplers are arranged in the front focal plane of the converging lens.
  • the optical signals leave the converging lens as collimated light beams, the direction of which depends on the location at which light emerges from an output coupler.
  • the optical distribution matrix typically has a tree structure with several nodes which are formed by the optical switches or the optical splitters.
  • nx m distribution matrices also come into consideration if the light from n lasers is to be distributed to a total of m output waveguides.
  • the detectors are preferably symmetrical photodetectors (English balanced photodetectors), since such detectors have only a low sensitivity to optical noise generated by the light source.
  • a directional coupler which comprises a first and a second pair of inputs, is then preferably assigned to each photodetector, the directional coupler having a coupling path which is arranged between the first pair and the second pair. An optical signal from the light source can be fed to a first input of the first pair and an optical signal that was reflected from the object can be fed to a second input of the first pair.
  • the inputs of the second pair are connected to the photodetector.
  • a 3 dB directional coupler used in this way ensures that the inputs of the symmetrical photodetector receive the same intensity and the photodetector can detect the beat signal that is obtained by superimposing the light from the light source with the light reflected from the object.
  • the light source is set up to simultaneously generate a plurality of optical signals with a frequency that varies over time in different frequency bands.
  • the light in the different frequency bands can be emitted in different directions, which means that scanning is not only possible in one plane, but in all three spatial directions.
  • the light source can, for example, have several individual sources which are connected to the distribution matrix via a collective matrix which has several optical switches and / or optical splitters.
  • the deflection optics has a dispersive optical element which splits the optical signals in a first plane depending on the wavelength, which is arranged at least essentially perpendicular to a second plane within which the optical signals emerging from the output waveguides propagate, then realize scanning in three spatial directions.
  • the input waveguides can each have an input coupler which is set up to be in the to couple free space propagating light beams into the input waveguide.
  • a collimator lens is arranged in the light path in front of the input couplers for the purpose of collimation.
  • a common optical circulator is arranged in the light path between the output waveguides and the deflection optics, which is set up to direct optical signals reflected from the object exclusively to the input couplers of the input waveguides.
  • the input waveguides can either be interlaced with the output waveguides and / or arranged directly adjacent to the output waveguides. Since the common optical circulator deflects the reflected optical signals all in the same direction, the entangled arrangement of the output waveguides must be matched accordingly with the arrangement of the input waveguides.
  • Such a common optical circulator can for example have a plate made of a birefringent material, a Faraday rotator and a half-wave plate.
  • a polarization-selective beam splitter can also be used.
  • the output waveguides and the input waveguides are arranged in a common plane.
  • the output waveguides are then, for example, not directly next to, but rather directly above the assigned output waveguides.
  • splitters are arranged in the optical path between the distribution matrix and the output waveguides, which feed optical signals that are guided in the output waveguides and reflected by the object to the detectors.
  • These branches can be, for example, 2 ⁇ 2 directional couplers with a first and a second pair of inputs, the directional coupler having a coupling path that is located between the first pair and the second pair.
  • a first input of the first pair is connected to the distribution matrix, a second input of the first pair to one of the detectors, a first input of the second pair to a first output waveguide and a second input of the second pair to a second output waveguide.
  • a phase shifter is preferably arranged in the light path between the directional coupler and the first output waveguide.
  • optical amplifiers are arranged in the light path between the distribution matrix and the splitters.
  • the optical signals are fed from the light source to the detectors and to the output waveguides via the same waveguide. In this way, a large number of light beams can be generated particularly efficiently and the retroreflections can be detected with detectors.
  • the splitters 2x2 can include directional couplers with a first and a second pair of inputs, the directional coupler having a coupling path which is arranged between the first pair and the second pair.
  • a first input of the first pair is directly or via other directional couplers with the distribution matrix, a second input of the first pair with one of the detectors, a first input of the second pair with another directional coupler and a second input of the second pair with an output output waveguide connected.
  • the directional couplers preferably have coupling coefficients which are designed such that an optical signal of the same intensity generated by the light source is applied to all output waveguides.
  • the object of the invention is also to provide a method for measuring the distance of an object that does not require any moving components and in which the weak signals that are reflected by the object are weakened as little as possible by optical components that are in the light path to the Detectors are arranged.
  • a method for the scanning measurement of the distance to an object which has the following steps: a light source generates an optical signal with a frequency that varies over time; an optical distribution matrix, which has several optical switches and / or optical splitters (later), distributes the optical signal simultaneously or successively to several optical output waveguides; deflection optics deflect the optical signals emerging from the output optical waveguides so that they are emitted in different directions; a plurality of detectors detect a superposition of the optical signal generated by the light source with an optical signal which was reflected by the object and supplied to the detectors, bypassing the optical distribution matrix; an evaluation device determines a distance to the object from the overlay detected by the detectors; Optical signals reflected by the object are either a) fed to the detectors via the output waveguides or b) fed to the detectors via input waveguides that are independent of the output waveguides and not connected to the light source, the input waveguides b1) either being arranged or interlaced with the output waveguides
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a vehicle approaching an object that is detected by a scanning device according to the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of the scanning device
  • FIG. 3 shows the structure of the scanning device according to a first exemplary embodiment in a schematic representation
  • FIGS. 4a and 4b show a distribution matrix and the deflection optics of the scanning device shown in FIG. 3 in two different switching positions;
  • FIG. 5 shows a scanning device according to the invention according to a second embodiment, in which the detectors are designed as symmetrical photodetectors;
  • FIG. 6 shows a scanning device according to the invention according to a third embodiment, in which light signals are generated in several frequency bands and demultiplexers are connected upstream of the photodetectors;
  • FIG. 7 shows a scanning device according to the invention according to a fourth embodiment, in which a common optical circulator directs the retroreflected light onto input waveguides;
  • FIG. 8 shows a scanning device according to the invention according to a fifth exemplary embodiment, in which microlenses collimate or bundle the light propagating in free space;
  • FIG. 9 shows a scanning device according to the invention according to a sixth embodiment, in which the output and input waveguides are arranged in different planes;
  • FIG. 10 shows a scanning device according to the invention according to a seventh exemplary embodiment, in which the output and input waveguides are so interlaced that output and input waveguides assigned to one another are not directly adjacent to one another;
  • FIG. 11 shows a scanning device according to the invention according to an eighth exemplary embodiment, in which the light reflected back from the object is coupled into the same output waveguide from which the light generated by the light source emerges;
  • FIG. 12 shows a scanning device according to the invention according to a ninth embodiment, which differs from the eighth embodiment only in that the further distribution matrix has no switches, but passive branches;
  • FIG. 13 shows a scanning device according to the invention according to a tenth exemplary embodiment, in which the optical signals from a plurality of DBR lasers are interconnected via a collecting matrix in order to generate wavelength and time multiplexing;
  • FIG. 14 shows a scanning device according to the invention according to an eleventh embodiment, in which the optical signals are fed from the light source to the detectors and to the output waveguides via the same waveguide. DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS 7. First embodiment
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a vehicle 10 that is approaching an object 12, which in FIG. 1 is a tree.
  • the vehicle 10 has at least one scanning device 14 which scans the surroundings of the vehicle 10 ahead with the aid of light beams L11, L21, L31 and L41, from which a three-dimensional image of the surroundings is calculated.
  • the scanning device 14 determines the relative speed to the object 12. This information is particularly important when the object 12 is another vehicle and is also moving.
  • the information ascertained by the scanning device 14 about the surroundings of the vehicle 10 ahead can be used, for example, to assist the driver of the vehicle 10 in controlling the vehicle by generating warning messages if the vehicle 10 collides with the object 12 threatens. If the vehicle 10 drives autonomously, the information about the environment ahead is required by the control algorithms that control the vehicle 10.
  • the scanning device 14 emits the light beams L11 to L41 in a vertical plane (in FIG. 1 this is the plane of the paper) in different directions, whereby the surroundings are scanned in the vertical direction.
  • scanning also takes place in the horizontal direction, as FIG. 2 shows in a plan view of the scanning device 14.
  • There four light beams L11, L12, L13 and L14 are shown, which are emitted in a horizontal plane in different directions.
  • FIGS. 1 and 2 show that only four light beams Ln1 to Ln4 are generated by the scanning device 14 in four different planes, ie a total of 16 light beams.
  • the scanning device 14 preferably sends out several hundred or thousands of light beams L simultaneously or one after the other.
  • FIG. 3 shows the structure of the scanning device 14 in a schematic representation.
  • the scanning device 14, which is preferably built up as a photonic integrated circuit, may look different in reality, for example with regard to the dimensions and the course of the optical waveguides.
  • the scanning device 14 comprises a light source 16 which generates an optical FMCW signal, where FMCW stands for Frequency-Modulated Continuous-Wave.
  • the light source 16 thus does not generate short light pulses with high pulse power, but rather a continuous signal whose frequency v varies over time.
  • the dependence of the frequency v on the time t can be predetermined, for example, by a sawtooth function, as the graph contained in FIG. 3 illustrates.
  • the frequency v thus rises linearly during a time period At, then jumps back to its original value, rises again linearly with the same slope, etc.
  • the duration At of the rise is longer than the duration of the light emitted by the scanning device 14 required to request back into the scanning device 14 after reflection on the object 12.
  • the light source 16 can contain, for example, a DFB laser that emits light with a wavelength of 1308 nm.
  • the frequency modulation (chirp) is impressed on the signal by a downstream modulator, as is known per se in the prior art.
  • the optical signals generated by the light source 16 reach a distribution matrix 20 via a splitter 18, which comprises a plurality of optical switches 22a, 22b, 22c.
  • the optical switches 22a, 22b, 22c can, for example, be Mach-Zehnder interferometers (MZI), as is known per se in the prior art.
  • the optical distribution matrix 22 has a tree structure with a plurality of nodes which are formed by the optical switches 22a, 22b, 22c.
  • the optical signals generated by the light source 16 can optionally be distributed to one of four output waveguides 241 to 244.
  • the optical signals are placed on the output waveguide 244, for example.
  • Each output waveguide 241 to 244 ends in an output coupler 261 to 264, from which the optical signals carried in the output waveguides 241 to 244 are coupled out into free space.
  • the output couplers can be designed, for example, as diffraction couplers or edge couplers, as is also known per se in the prior art.
  • the light beams emerging from the output couplers 261 to 264 are deflected in different directions by a deflection optics 28. The deflection angle depends on the location at which the optical signals enter the deflection optics 28.
  • the deflecting optics 28 can be, for example, a converging lens 30, as illustrated in FIGS. 4a and 4b.
  • the distribution matrix 20 and the output couplers 261 to 264, which are arranged in the front focal plane 29 of the converging lens 30, are shown there on the left.
  • the divergent light emerging from the output couplers 261 to 264 is collimated by the converging lens 30 and deflected when it exits the converging lens 30.
  • the light then passes through the pupil plane 32, which is located in the rear focal plane of the converging lens 30.
  • FIG. 4 a shows the distribution matrix 20 in a switching position in which the optical signals emerge from the upper output coupler 264. If, on the other hand, the optical signal in the distribution matrix 20 is placed on the output coupler 263 below, as illustrated in FIG. 4b, the light also emerges as a collimated beam from the scanning device 14, but at a smaller angle relative to the optical axis OA. In this way, the distribution matrix 20 determines the directions in which the optical signals from the scanning device 14 are emitted.
  • the light rays L11 to L14 emitted in a horizontal plane strike the object 12, they are as a rule diffusely reflected on its surface and thus reflected back over a larger solid angle range. A small part of the light incident on the object 12 is retroreflected, ie reflected back in the same direction in which the light has propagated on the way to the object 12.
  • four such light rays RL11 to RL14 are indicated, the reflected light beam RL11 the light beam L11, the reflected light beam RL12 is assigned to the light beam L12 and so on.
  • the input couplers 341 to 344 can have the same structure as the output couplers 261 to 264.
  • the input waveguides 361 to 364 guide the received optical signals to Detek gates 381 to 384, in which the received optical signals with the optical signals generated by the light source 16 are superimposed.
  • Detek gates 381 to 384 in which the received optical signals with the optical signals generated by the light source 16 are superimposed.
  • part of the light generated by the light source 16 is branched off with the aid of the splitter 18 and passed to the detectors 381 to 384 via further splitters 40.
  • the frequency of the signals generated by the light source 16 has changed.
  • the superposition of the two signals with a similar frequency leads to a beat, the frequency of which can be determined by calculating the FFT (Fast Fourier Transform).
  • the relative speed between the vehicle 10 and the object 12 can also be deduced from the Doppler shift. Interfering signals from the ambient light or from scanning devices of other vehicles 10 cannot impair the measurement due to a lack of coherence with the optical signals generated by the light source 16.
  • an evaluation device 42 which is connected to the detectors 381 to 384 and also controls the light source 16 and the optical switches 22a, 22b and 22c of the distribution matrix 20.
  • the optical switches 22 of the distribution matrix 20 are replaced by passive splitters, for example 3 dB directional couplers, the optical signals generated by the light source 16 all emerge from the output couplers 261 to 264 at the same time.
  • the optical signals reflected on the object 12 can nonetheless be assigned unambiguously to different directions, since the deflection optics 28 ensure that exactly one location is assigned to each light direction and that an input coupler 341 to 344 is assigned therewith. Portions of the light beam L11, for example, which are reflected on the object 12 in a direction which corresponds to the light beam L12, do not even reach the deflection optics 28.
  • a successive distribution of the optical signals using an active distribution matrix 20, however, has the advantage that at a given point in time the available optical power per direction is greater than if the distances and speeds for all directions are measured simultaneously.
  • FIG. 5 shows a variant of the scanning device 14 described above with reference to FIG. 3, in which further implementation details can be seen.
  • the detectors 381 to 384 are designed as symmetrical photodetectors (baianced photodetectors) which usually contain two photodiodes connected in series.
  • Each detector 381 to 384 is assigned a 3 dB directional coupler 421 to 424, which divides the incoming signals into two outputs.
  • the function of the directional couplers is explained below with reference to the directional coupler 424, which is assigned to the detector 384.
  • the directional coupler 424 has a first pair of inputs 46a, 46b and a second pair of inputs 48a, 48b, between which a coupling path 44 is arranged.
  • a first input 46a of the first pair can be fed an optical signal from the light source 16 and a second input 46b of the first pair can be fed an optical signal via the input waveguide 364, which was reflected by the object 12.
  • the two inputs 48a, 48b of the second pair are connected to the photodetector 424.
  • a 3 dB directional coupler 424 used in this way ensures that the signals applied to the inputs of the symmetrical photodetector 384 receive the same intensity but are out of phase. As a result, unwanted noise in the optical signals is subtracted from one another so that it does not interfere with the evaluation of the superimposed signals.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 6 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 5, inter alia, in that the light source 16 simultaneously generates optical signals in several frequency bands that are separate from one another. This can be achieved by using several lasers, the signals of which are superimposed in a multiplexer.
  • demultiplexers 50 are arranged in the light path between directional couplers 421 to 424 and photodetectors 481 to 484. These act as wavelength filters that are only transparent for a certain frequency band. Alternatively, the demultiplexer 50 can also be switchable. The frequency band for which the demultiplexer 50 is transparent can then be changed.
  • deflection optics 28 have a dispersive optical element, scanning can be implemented in an additional spatial direction. This is explained in more detail below with reference to FIG.
  • FIG. 7 shows, in a schematic representation based on FIG. 3, a further exemplary embodiment of the invention.
  • a common optical circulator 52 is arranged between the deflecting optics 28 and the couplers 261 to 264 and 341 to 344. This has the task of directing optical signals reflected from the object 12 exclusively to the input couplers 341 to 344 at the end of the input waveguides 361 to 364. As can be seen in FIG. 7, the common optical circulator 52 deflects the reflected optical signals all in the same direction by the same amount, which is why the arrangement of the output waveguides 241 to 244 must be matched to the arrangement of the input waveguides 361 to 364 .
  • the common optical circulator 52 comprises a plane-parallel plate 54 made of a birefringent material, a Faraday rotator 56 and a half-wavelength plate 58.
  • the Faraday rotator 56 rotates the polarization direction of the light emerging from the output waveguides 241 to 244 by 45 °, the half-wave plate 58 by a further 90 °.
  • the direction of polarization of the light reflected by the object 12 is rotated again by 90 ° when it passes through the half-wave plate 58. Since the Faraday rotator 56 is not reciprocal, it does not reverse the polarization direction during the second pass, but by a further 45 °.
  • the reflected light enters the plate 54 with a direction of polarization that is 90 ° is rotated with respect to the direction of polarization that the light had when it first passed before it was reflected on the object 12.
  • the reflected light in the plate 54 is refracted differently than the incident light and occurs parallel to the incident light from the plate 54.
  • the offset is set so that the reflected light exactly on the input coupler 341 to 344 is judged.
  • the deflecting optics 28 include not only the converging lens 30, but also a grating 60 or another dispersive optical element.
  • the grating 60 splits the optical signals in a wavelength-dependent manner in a plane which is arranged at least substantially perpendicular to the plane within which the optical signals emerging from the output waveguides 241 to 244 propagate. This wavelength-dependent splitting is indicated in FIG. 7 by a beam 61. The splitting of the rays takes place perpendicular to the plane of the paper.
  • the optical light beams L11 to L14 have, for example, frequencies within a first frequency band.
  • the light beams L21 to L24 of the next and inclined scan plane have frequencies in a different second frequency band, etc.
  • demultiplexers 50 are assigned to the detectors 381 to 384, as shown in FIG. 6, the reflected signals can be evaluated as a function of the wavelength. If the demultiplexers 50 are not tunable, several levels of detectors 381 to 384 must be provided so that each reflected light beam RL11 to RL44 can be detected separately. If, on the other hand, the demultiplexer 50 can be tuned, the different wavelengths can be recorded and evaluated one after the other. 5.
  • FIG. 8 shows a variant in which a first microlens array 62 is arranged in a plane in front of the output and input couplers 261 to 264 or 341 to 344.
  • the microlenses of the first microlens array collimate the light emerging divergently from the output couplers 261 to 264.
  • the light entering the input couplers 341 to 344 which is widened as a result of the diffuse reflection on the object 12, is bundled in such a way that it couples into the input waveguides 361 to 364 with the highest possible efficiency via the input couplers 341 to 344.
  • a second microlens array 64 is also provided, which is arranged in the light path between the optical circulator 52 and the deflecting optics 28.
  • the microlenses of the second microlens array 64 bundle the collimated light before it passes through the deflecting optics 28 in order to obtain small spot diameters on the object 12 and thus images with the highest possible lateral resolution.
  • the output waveguides 241 to 244 and the input waveguides 361 to 364 are arranged in a common plane.
  • the input waveguides 361 to 364 are then, for example, not located laterally, but in the height directly next to the respectively assigned output waveguides 241 to 244.
  • the common optical circulator 52 has a polarization-selective beam splitter 70 instead of the plate 64.
  • the light reflected by the object 12 is deflected by 90 °, since its direction of polarization is rotated by 90 °. After another 90 ° deflection, the reflected light hits a fal- This applies accordingly to the other input waveguides 362 to 364, which are arranged one behind the other perpendicular to the plane of the paper.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 10 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 7 only in that the plate 54 of the common optical circulator 52 has a greater thickness. As a result, the reflected light in the common circulator 52 is laterally offset by a greater amount. In this exemplary embodiment, the offset is so great that the output waveguides 241 to 244 and the input waveguides 361 to 364 are still arranged in an interlaced manner, but corresponding output and input waveguides are no longer arranged directly next to one another.
  • the input waveguide 364, for example, is not arranged adjacent to the associated output waveguide 244, but rather adjacent to the output waveguide 243.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 11 differs from the previously described exemplary embodiments primarily in that the optical signals reflected by the object 12 are not routed to the detectors via their own input waveguides, but via the output waveguides that they exit before they exit have passed through from the scanning device 14. In this exemplary embodiment, there are thus waveguides which are traversed by both the transmitted and the received optical signals.
  • the light source here contains a DBR laser, the light of which is distributed via the splitter 18 to the distribution matrix 20 and a further distribution matrix 74.
  • the distribution matrix 20 distributes the light to the output waveguides 241 to 244 as in the other exemplary embodiments.
  • the further distribution matrix 74 also contains switches 22a to 22c and replaces the passive splitters 40 of the previously described exemplary embodiments, which deny the light generated by the light source 16 Detectors 381-384. That way you can The available light can be used even more efficiently, since only those detectors 381 to 384 receive light from the light source 16 that are currently receiving reflected optical signals because the corresponding output waveguide 241 to 244 has been connected to the light source 16 by the distribution matrix 20.
  • the output waveguides 241 to 244 are connected via amplifiers 76 to 3 dB 2x2 directional couplers 781 to 784, which split the optical signals carried in the output waveguides 241 to 244 onto two output waveguides 241a, 241b to 244a, 244b.
  • the optical signals emerge via coupler 79 and, as in the other exemplary embodiments, are emitted in different directions via deflection optics 28.
  • Retroreflected light beams from the object 12 are coupled into the output waveguides 241a, 241b to 244a, 244b via the coupler 79. 50% of the intensity of the received optical signals are passed through the directional couplers 78, which are arranged in the optical path between the distribution matrix 22 and the output waveguides 241a, 241b to 244a, 244b, into input waveguides 801 to 804, which the reflected optical signals the Feed detectors 381 to 384.
  • the directional couplers 781 to 784 each have a first and a second pair of inputs and a coupling path 44 which is arranged between the pairs of inputs.
  • a first input of the first pair is via the amplifiers 76 to the distribution matrix 22, a second input of the first pair to one of the detectors 381 to 384, a first input of the second pair to a first output waveguide 241a to 244a and a second input of the second pair with a second output waveguide 241 b to 244 b verbun the.
  • a phase shifter 82 is arranged in each of the output waveguides 241a, 242a, 243a and 244a.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 12 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 11 only in that the further distribution matrix 74 does not have switches 22a, 22b, 22c, but rather passive splitters 40.
  • FIG. 13 shows a variant of the exemplary embodiment shown in FIG. 12, in which additional wavelength multiplexing is provided, as has already been explained above in connection with FIGS. 6 to 8.
  • the light source 16 comprises four DBR lasers 171 to 174, the optical signals of which lie in different frequency bands and can be sequentially switched to a waveguide 88 via a collecting matrix 84 with switches 86a, 86b, 86c. In this way, time division multiplexing is also achieved.
  • Demultiplexers 50 as they are arranged in the light path of the received optical signals in the embodiment shown in FIG generated frequency bands are processed by the scanning device 14.
  • the different frequency bands are used to scan the surroundings in the vertical direction together with a grating 60 or another dispersive optical element, as was explained above in connection with the exemplary embodiment shown in FIGS.
  • the optical signals generated by the light source 16 are first amplified in an amplifier 176 and then in the distribution matrix 20 by several optical switches 22a, 22b, 22c to a total of four output channels K1 to K4 distributed.
  • the output channel K1 comprises a waveguide 241 ', into which four first 2x2 directional couplers 781- 1 to 781-4 are integrated. These first directional couplers 781-1 to 781-4 lead part of the optical signals carried in the waveguide 241 'via output waveguides 241-1 to 241-4 to a coupler 791-1 to 791-4, from which the optical signals emerge and after the reflection on the object 12 can occur again.
  • the directional couplers 781-1 to 781-4 each have a first and a second pair of inputs and a coupling path 44 which is arranged between the pairs of inputs.
  • a first input of the first pair is connected to a section of the output waveguide 241 and a second input of the first pair is connected to the detector 381-1.
  • a first input of the second pair is connected to a subsequent directional coupler 781-2 and a second input of the second pair is connected to the coupler 791-1 via an output waveguide 241-1.
  • the detectors 381-1 to 381-4 are also designed here as symmetrical photodetectors and therefore, as in the other exemplary embodiments, also receive the optical signal from the light source 16.
  • This feed is via the same waveguide 24T takes place, which is also connected to the directional couplers 781-1 to 781-4.
  • the waveguide 24T is connected to second 1x2 directional couplers 901-1 to 901-4, which guide part of the light guided in the waveguide 241 to the detectors 381-1 to 381-4.
  • an absorber 92 At the end of each waveguide 24T to 244 'there is an absorber 92 which absorbs the remaining light.
  • the remaining output channels K2 to K4 are structured accordingly.
  • the signals reflected by the object 12 are thus also transmitted via the couplers 791-1 to 791-4, 792-1 to 792-4, etc. into the same output waveguide 241-1 to 241-4, 242-1 to 242-4, etc., from which the signals were previously coupled out.
  • each output wave guide 241 to 244 of an output channel K1 to K4 via the directional coupler integrated therein is connected both to couplers for decoupling the optical signals into free space and to several detectors.
  • the directional couplers 781-1 to 781-4, 782-1 to 782-4 etc. integrated in the output waveguides 241 to 244 preferably each have coupling coefficients which are matched to one another in such a way that all couplers 79i-1 to 79i 4 of an output channel Ki an optical signal of the same intensity is coupled out.

Abstract

Eine Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12) hat eine Lichtquelle (16; 16'), die ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz erzeugt. Eine optische Verteilmatrix (20) verteilt das optische Signal auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (241 bis 244; 241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4). Eine Ablenkoptik (28) lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden. Detektoren (381 bis 384) erfassen eine Überlagerung des von der (16) Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit optischen Signalen, die von dem Objekt (12) reflektiert und den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix (20) zugeführt werden. Eine Auswerteeinrichtung (42) bestimmt aus der Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12). Erfindungsgemäß werden die von dem Objekt (12) reflektierten Signale (RL11 bis RL14) entweder über die Ausgangswellenleiter oder über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleitern (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zugeführt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem bewegten oder unbewegten Objekt auf der Grundlage der LiDAR- Technologie. Solche Vorrichtungen können beispielsweise bei autonom fahrenden Fahr zeugen eingesetzt und als photonische integrierte Schaltkreise (PIC, Photonic Integrated Circuit) realisiert werden, die keine beweglichen Teile enthalten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zur optischen Abstandsmessung ist ein als LiDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei dem ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz auf das zu vermessende Objekt gerichtet und nach Reflexion an dem Objekt erfasst und ausgewertet wird. Wenn zusätz lich die Doppler-Verschiebung berücksichtigt wird, lässt sich auch die Relativgeschwindig- keit zwischen der Scanvorrichtung und dem Objekt berechnen. Ausführlicher beschrieben ist dieses Messprinzip beispielsweise in der DE 10 2018 203 315 A1.
Auf diesem Messprinzip beruhende Scanner müssen sehr robust und zuverlässig sein, wenn sie in Fahrzeugen eingesetzt werden sollen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Fahrzeuge autonom fahren, da die Sicherheit beim autonomen Fahren entscheidend von dem Scanner abhängt, der zur Erzeugung eines dreidimensionalen Abbildes der Umge bung eingesetzt wird. Idealerweise enthalten solche Scanner keine empfindlichen bewegli chen Bauteile wie Scanspiegel.
Scanner, die als photonische integrierte Schaltkreise realisiert sind, benötigen keine be wegliche Bauteile und sind daher für Anwendungen in Fahrzeugen besonders geeignet. Offenbart sind solche Scanner beispielsweise in der US 2017/0371227 A1 und der US 2019/0377135 A1. Bei diesen Scannern wird eine Verteilmatrix mit mehreren baumartig kaskadierten optischen Schaltern eingesetzt, welche die optischen Signale auf unter schiedliche Ausgangskanäle verteilen, die unterschiedlichen Scanrichtungen zugeordnet sind. Die von dem Objekt reflektierten und sehr schwachen optischen Signale passieren auf ihrem Weg zu den Detektoren die Verteilmatrix in Gegenrichtung. Durch die optischen Schalter werden diese Signale weiter geschwächt, was sich ungünstig auf das Signal- Rausch-Verhältnis (SNR, signal to noise ratiö) dieser Scanner auswirkt.
Aus dem Aufsatz "Photonic Integrated Circuit-Based FMCW Coherent LiDAR", A. Martin et al., Journal Of Lightwave Technology, Vol. 36, No. 19, October 1, 2018, ist ein Scanner be kannt, bei dem von dem Objekt reflektierte optische Signale den Detektoren unter Umge- hung der optischen Verteilmatrix zuführbar sind. Dies wird durch die Verwendung opti scher Zirkulatoren erreicht, die das am Objekt reflektierte Licht den Detektoren zuleiten.
Ein optischer Zirkulator hat in der Regel drei Anschlüsse (Ports), wobei Licht, das an einem Anschluss eintrifft, vom Zirkulator an den jeweils nächsten Anschluss weitergeleitet wird (also 1 -> 2, 2 -> 3 und 3 -> 1). Zirkulatoren dämpfen jedoch die empfangenen Signale und wirken sich daher ungünstig auf das Signal-Rausch-Verhältnis aus.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt anzugeben, die sich als photonisch integrierter Schaltkreis ohne bewegliche Bauteile realisieren lässt und bei der die schwachen Signale, die vom Objekt reflektiert werden, möglichst wenig durch optische Komponenten geschwächt werden, die im Licht weg zu den Detektoren angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu ei nem Objekt gelöst, die eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz zu erzeugen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine optische Verteilmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger (engl. Splitter) aufweist und das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere opti sche Ausgangswellenleiter verteilt. Eine Ablenkoptik lenkt die aus den optischen Aus gangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung abgestrahlt werden. Mehrere Detektoren erfassen eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert wurde. Von dem Objekt reflektierte optische Signale sind dabei den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix zuführbar. Eine Auswerteeinrichtung bestimmt aus der von den Detektoren erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt. Erfindungsgemäß sind von dem Objekt reflektierte optische Sig nale entweder über die Ausgangswellenleiter den Detektoren zuführbar sind oder über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (d.h. auch nicht indirekt über einen Zirkulator) verbundene Eingangswellenleiter den De- tektoren zuführbar. Die Eingangswellenleiter sind dabei entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern angeordnet oder so relativ zu den Ausgangswellenleitern an geordnet, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt in einen Eingangswellenleiter eintritt, der unmittelbar be nachbart zu dem Ausgangswellenleiter angeordnet ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass man auf eine Vielzahl einzelner optischer Zirkulatoren verzichten kann, wenn die von dem Objekt reflektierten optischen Signale entweder wieder in die gleichen Ausgangswellenleiter eintreten, aus denen sie zuvor aus gekoppelt wurden, oder über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle verbundenen Eingangswellenleitern den Detektoren zuführbar sind, die sich entweder unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter befinden oder ver schränkt mit dem Ausgangswellenleiter angeordnet sind. Bei einer verschränkten Anord nung ist es nämlich möglich, mit einem einfach aufgebauten und für alle Eingangswellen leiter gemeinsamen optischen Zirkulator eine Einkopplung in den "richtigen" Eingangswel lenleiter zu gewährleisten. Ein solcher gemeinsamer optischer Zirkulator schwächt die vom Objekt reflektierten optischen Signale zwar ebenfalls, aber in einem geringeren Maße als optische Zirkulatoren, die jeweils nur einem Eingangswellenleiter zugeordnet sind.
Da somit auf optische Zirkulatoren oder zumindest auf individuelle optische Zirkulatoren für jeden einzelnen Eingangswellenleiter verzichtet werden kann, werden die reflektierten optischen Signale auf ihrem Weg zum Detektor kaum abgeschwächt, da sie keine Kaskade mehrerer optischer Schalter oder Verzweiger in einer Verteilmatrix durchtreten müssen, wie dies in der Regel bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art der Fall ist.
Vorzugsweise haben die Ausgangswellenleiter jeweils einen Ausgangskoppler, der dazu eingerichtet ist, ein in dem Ausgangswellenleiter geführtes optisches Signal in den freien Raum auszukoppeln. Bei dem Ausgangskoppler kann es sich z. B. um einen Gitterkoppler (engl diffraction coupier) oder einen Kantenkoppler (engl edge coupier) handeln.
Um eine hohe Richtungssensitivität zu erzielen, ist es günstig, wenn im Lichtweg hinter den Ausgangskopplern jeweils eine Kollimatorlinse zum Zwecke der Kollimation angeord net ist. Die optischen Signale verlassen den Ausgangskoppler nämlich in der Regel mit ei- nem großen Divergenzwinkel, wodurch die austretenden Lichtstrahlen in größerer Entfer nung stark aufgeweitet würden. Eine Kollimatorlinse kann eine solche Aufweitung verhin dern. Alternativ hierzu kann man einen Ausgangskoppler einsetzen, der über einen Spot- größenkonverter (eng. spot size Converter) verfügt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält die Ablenkoptik eine Sammellinse, die eine vor- dere Brennebene hat. Die Ausgangskoppler oder Bilder der Ausgangskoppler sind in der vorderen Brennebene der Sammellinse angeordnet. Dadurch verlassen die optischen Sig nale die Sammellinse als kollimierte Lichtstrahlen, deren Richtung vom Ort abhängt, an dem Licht aus einem Ausgangskoppler austritt. Bei einer solchen Anordnung kann auf das Vorsehen zusätzlicher Kollimatorlinsen verzichtet werden. Die optische Verteilmatrix hat typischerweise eine Baumstruktur mit mehreren Knoten, die durch die optischen Schalter oder die optischen Verzweiger gebildet sind. Vor allem bei der Verwendung mehrerer Lichtquellen kommen aber auch n x m-Verteilmatrizen in Be tracht, wenn das Licht von n Lasern auf insgesamt m Ausgangswellenleiter verteilt werden soll. Bei den Detektoren handelt es sich bevorzugt um symmetrische Fotodetektoren (engl ba- ianced photodetectors), da derartige Detektoren nur eine geringe Empfindlichkeit gegen über optischem Rauschen haben, das von der Lichtquelle erzeugt wird. Vorzugsweise ist dann jedem Fotodetektor ein Richtkoppler zugeordnet, der ein erstes und ein zweites Paar von Eingängen umfasst, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist. Einem ersten Ein gang des ersten Paars ist ein optisches Signal von der Lichtquelle und einem zweiten Ein- gang des ersten Paars ein optisches Signal zuführbar, das von dem Objekt reflektiert wurde. Die Eingänge des zweiten Paars sind mit dem Fotodetektor verbunden. Ein so ver wendeter 3dB Richtkoppler stellt sicher, dass die Eingänge des symmetrischen Fotodetek tors die gleich Intensität erhalten und der Fotodetektor das Schwebungssignal erfassen kann, das durch die Überlagerung des Lichts von der Lichtquelle mit dem vom Objekt re- flektierten Licht erhalten wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle dazu eingerichtet, gleichzeitig mehrere optische Signale mit zeitlich variierender Frequenz in unterschiedlichen Frequenzbändern zu erzeugen. Durch Verwenden eines Gitters kann das Licht in den unterschiedlichen Fre quenzbändern in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden, wodurch ein Scannen nicht nur in einer Ebene, sondern in allen drei Raumrichtungen möglich ist. Die Lichtquelle kann in diesem Fall z.B. mehrere Einzelquellen aufweisen, die über eine Sammelmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Verzweiger aufweist, mit der Verteilmatrix verbunden ist.
Wenn die Ablenkoptik ein dispersives optisches Element aufweist, das die optischen Sig- nale in einer ersten Ebene wellenlängenabhängig aufspaltet, die zumindest im Wesentli chen senkrecht zu einer zweiten Ebene angeordnet ist, innerhalb derer die sich aus den Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale ausbreiten, so lässt sich ein Scan nen in drei Raumrichtungen realisieren.
Wenn von dem Objekt reflektierte optische Signale über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (d.h. auch nicht indirekt über einen Zirkulator) verbundene Eingangswellenleiter den Detektoren zuführbar sind, so können die Eingangs wellenleiter jeweils einen Eingangskoppler haben, der dazu eingerichtet ist, sich im freien Raum ausbreitende Lichtstrahlen in den Eingangswellenleiter einzukoppeln. Um eine möglichst hohe Einkoppeleffizienz zu erhalten, kann es dabei günstig sein, wenn im Lichtweg vor den Eingangskopplern jeweils eine Kollimatorlinse zum Zwecke der Kolli mation angeordnet ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Lichtweg zwischen den Ausgangswel- lenleitern und der Ablenkoptik ein gemeinsamer optischer Zirkulator angeordnet, der dazu eingerichtet ist, von dem Objekt reflektierte optische Signale ausschließlich auf die Ein gangskoppler der Eingangswellenleiter zu richten. Die Eingangswellenleiter können dabei entweder mit den Ausgangswellenleitern verschränkt und/oder unmittelbar benachbart zu den Ausgangswellenleitern angeordnet sein. Da der gemeinsame optische Zirkulator die reflektierten optischen Signale alle in die gleiche Richtung ablenkt, muss die verschränkte Anordnung der Ausgangswellenleiter mit der Anordnung der Eingangswellenleiter ent sprechend abgestimmt sein.
Ein solcher gemeinsamer optischer Zirkulator kann beispielsweise eine Platte aus einem doppelbrechenden Material, einen Faraday-Rotator und eine Halbwellenlängenplatte auf- weisen. Anstelle des doppelbrechenden Materials kann aber auch ein polarisationsselekti ver Strahlteiler eingesetzt werden.
Im Allgemeinen ist es am günstigsten, wenn die Ausgangswellenleiter und die Eingangs wellenleiter in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Es kommt jedoch auch in Be tracht, die Ausgangswellenleiter in einer Ausgangsebene und die Eingangswellenleiter in einer Eingangsebene anzuordnen, die parallel zu der Ausgangsebene verläuft. Die Ein gangswellenleiter befinden sich dann beispielsweise nicht unmittelbar neben, sondern un mittelbar über den zugeordneten Ausgangswellenleitern.
Wenn die von dem Objekt reflektierten optischen Signale über die Ausgangswellenleiter den Detektoren zuführbar sind, ist es vorteilhaft, wenn im optischen Weg zwischen der Verteilmatrix und den Ausgangswellenleitern Verzweiger angeordnet sind, die in den Aus gangswellenleitern geführte und vom Objekt reflektierte optische Signale den Detektoren zuleiten. Bei diesen Verzweigern kann es sich beispielsweise um 2x2-Richtkoppler mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen handeln, wobei der Richtkoppler eine Koppelstre cke hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar abgeordnet ist. Ein ersten Eingang des ersten Paars ist mit der Verteilmatrix, ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren, ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem ersten Ausgangs wellenleiter und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem zweiten Ausgangswel lenleiter verbunden.
Bevorzugt ist im Lichtweg zwischen dem Richtkoppler und dem ersten Ausgangswellenlei ter ein Phasenschieber angeordnet. Der Phasenschieber sollte die Phase um einen größe- ren Betrag, beispielsweise um 2p*h = 3, 4, 5... verschieben. Auf diese Weise wird das Signal am Fotodetektor durch die Phasenoptimierung zwischen den Ausgangs- und Eingangsan schlüssen des Richtkopplers verbessert.
Bei anderen Ausführungsbeispielen sind im Lichtweg der Ausgangswellenleiter zwischen der Verteilmatrix und der Verzweigern optische Verstärker angeordnet. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung der optischen Signale von der Lichtquelle zu den Detektoren und zu den Ausgangswellenleitern über den glei chen Wellenleiter. Auf diese Weise lässt sich besonders effizient eine große Anzahl von Lichtstrahlen erzeugen und die Retroreflexe mit Detektoren erfassen.
Insbesondere können die Verzweiger 2x2 Richtkoppler mit einem ersten und einem zwei- ten Paar von Eingängen umfassen, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke hat, die zwi schen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist. Ein erster Eingang des ers ten Paars ist direkt oder über andere Richtkoppler mit der Verteilmatrix, ein zweiter Ein gang des ersten Paars mit einem der Detektoren , ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem anderen Richtkoppler und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem Aus- gangswellenleiter verbunden.
Vorzugsweise haben die Richtkoppler Kopplungskoeffizienten, die derart ausgelegt sind, dass an allen Ausgangswellenleitern ein von der Lichtquelle erzeugtes optisches Signal der gleichen Intensität anliegt. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Messung des Abstands eines Ob jekts anzugeben, das keine beweglichen Bauteile benötigt und bei dem die schwachen Signale die von dem Objekt reflektiert werden, möglichst wenig durch optische Kompo nenten geschwächt werden, die im Lichtweg zu den Detektoren angeordnet sind. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt gelöst, das die folgenden Schritte aufweist: eine Lichtquelle erzeugt ein optisches Signal mit zeitlich variierender Frequenz; eine optische Verteilmatrix, die mehrere optische Schalter und/oder optische Ver zweiger ( sp tter ) aufweist, verteilt das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter; eine Ablenkoptik lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden; mehrere Detektoren erfassen eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert und den Detektoren unter Umgehung der optischen Verteilmatrix zugeführt wurde; eine Auswerteeinrichtung bestimmt aus der von den Detektoren erfassten Überlage rung einen Abstand zu dem Objekt; von dem Objekt reflektierte optische Signale werden entweder a) über die Ausgangswellenleiter den Detektoren zugeführt oder b) über von den Ausgangswellenleitern unabhängige und nicht mit der Licht quelle verbundene Eingangswellenleiter den Detektoren zugeführt, wobei die Eingangswellenleiter b1) entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern angeordnet sind oder b2) so relativ zu den Ausgangswellenleitern angeordnet sind, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt in einen Eingangswellenleiter eintritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter angeordnet
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs, das sich einem Objekt nähert, das von einer erfindungsgemäßen Scanvorrichtung erfasst wird; Figur 2 eine Draufsicht auf die Scanvorrichtung;
Figur 3 den Aufbau der Scanvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung;
Figuren 4a und 4b eine Verteilmatrix und die Ablenkoptik der in der Figur 3 gezeigten Scanvorrichtung in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen; Figur 5 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbei spiel, bei dem die Detektoren als symmetrische Photodetektoren ausgebildet sind;
Figur 6 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbei spiel, bei dem Lichtsignale in mehreren Frequenzbändern erzeugt werden und den Photodetektoren Demultiplexer vorgeschaltet sind;
Figur 7 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbei spiel, bei dem ein gemeinsamer optischer Zirkulator das retroreflektierte Licht auf Eingangswellenleiter richtet; Figur 8 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbei spiel, bei dem Mikrolinsen das sich im freien Raum ausbreitende Licht kollimie- ren oder bündeln;
Figur 9 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungs beispiel, bei dem die Ausgangs- und Eingangswellenleiter in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind;
Figur 10 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbei spiel, bei dem die Ausgangs- und Eingangswellenleiter so verschränkt angeord net sind, dass einander zugeordnete Ausgangs- und Eingangswellenleiter nicht unmittelbar zueinander benachbart sind;
Figur 11 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbei spiel, bei dem das vom Objekt retro reflektierte Licht in die gleichen Ausgangs wellenleiter einkoppelt, aus denen das von der Lichtquelle erzeugte Licht aus- tritt; Figur 12 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem neunten Ausführungs beispiel, das sich von dem achten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch unter scheidet, dass die weitere Verteilmatrix keine Schalter, sondern passive Verzwei ger aufweist;
Figur 13 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem zehnten Ausführungs- beispiel, bei dem zur Erzeugung eines Wellenlängen- und Zeitmultiplexing die optischen Signale von mehreren DBR-Laser über eine Sammelmatrix zusam mengeschaltet werden;
Figur 14 eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung gemäß einem elften Ausführungsbei spiel, bei dem die Zuführung der optischen Signale von der Lichtquelle zu den Detektoren und zu den Ausgangswellenleitern über den gleichen Wellenleiter erfolgt. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 7. Erstes Ausführungsbeispiei
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Fahrzeug 10, das sich einem Ob jekt 12 nähert, bei dem es sich in der Figur 1 um einen Baum handelt. Das Fahrzeug 10 verfügt über mindestens eine Scanvorrichtung 14, die mit Hilfe von Lichtstrahlen L11, L21, L31 und L41 die vorausliegende Umgebung des Fahrzeugs 10 abtastet, woraus ein dreidi- mensionales Bild der Umgebung berechnet wird. Außerdem bestimmt die Scanvorrichtung 14 die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt 12. Diese Information ist vor allem dann wichtig, wenn das Objekt 12 ein anderes Fahrzeug ist und sich ebenfalls bewegt.
Die von der Scanvorrichtung 14 ermittelten Informationen über die vorausliegende Umge bung des Fahrzeugs 10 können beispielsweise dazu verwendet werden, den Fahrer des Fahrzeugs 10 Fahrer assistierend bei der Fahrzeugsteuerung zu unterstützen, indem Warn meldungen erzeugt werden, wenn eine Kollision des Fahrzeugs 10 mit dem Objekt 12 droht. Falls das Fahrzeug 10 autonom fährt, werden die Informationen über die vorauslie gende Umgebung von den Steueralgorithmen benötigt, die das Fahrzeug 10 steuern.
Wie in der Figur 1 erkennbar ist, strahlt die Scaneinrichtung 14 in einer vertikalen Ebene (in der Figur 1 ist dies die Papierebene) die Lichtstrahlen L11 bis L41 in unterschiedliche Rich tungen ab, wodurch die Umgebung in vertikaler Richtung abgescannt wird. Gleichzeitig findet auch ein Abscannen in horizontaler Richtung statt, wie dies die Figur 2 in einer Draufsicht auf die Scanvorrichtung 14 zeigt. Dort sind vier Lichtstrahlen L11, L12, L13 und L14 gezeigt, die in einer horizontalen Ebene in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in den Figuren 1 und 2 unterstellt, dass nur jeweils vier Lichtstrahlen Ln1 bis Ln4 in vier unterschiedlichen Ebenen, d.h. insgesamt 16 Licht strahlen von der Scaneinrichtung 14 erzeugt werden. Tatsächlich jedoch sendet die Scan vorrichtung 14 gleichzeitig oder nacheinander vorzugsweise mehrere Hundert oder Tau- send Lichtstrahlen L aus. Die Figur 3 zeigt den Aufbau der Scanvorrichtung 14 in einer schematischen Darstellung. Die Scanvorrichtung 14, die vorzugsweise als photonischer integrierter Schaltkreis aufge baut ist, kann in der Realität z.B. hinsichtlich der Dimensionen und dem Verlauf der opti schen Wellenleiter anders aussehen. Die Scanvorrichtung 14 umfasst eine Lichtquelle 16, die ein optisches FMCW-Signal er zeugt, wobei FMCW für Frequency-Moduiated Continuous-Wave steht. Die Lichtquelle 16 erzeugt somit im Gegensatz zu herkömmlichen Scanvorrichtungen keine kurzen Lichtpulse mit hoher Pulsleistung, sondern ein kontinuierliches Signal, dessen Frequenz v zeitlich va riiert. Die Abhängigkeit der Frequenz v von der Zeit t kann beispielsweise durch eine Säge- zahnfunktion vorgegeben sein, wie dies der in der Figur 3 enthaltene Graph illustriert. Die Frequenz v steigt somit während eines Zeitraums At linear an, springt dann zurück auf ih ren ursprünglichen Wert, steigt erneut mit der gleichen Steigung linear an usw. Die Dauer At des Anstiegs ist länger als die Zeitdauer, die das von der Scanvorrichtung 14 emittierte Licht benötigt, um nach Reflexion am Objekt 12 wieder zurück in die Scanvorrichtung 14 zu verlangen.
Die Lichtquelle 16 kann beispielsweise einen DFB-Laser enthalten, der Licht mit einer Wel lenlänge von 1308 nm emittiert. Die Frequenzmodulation (engl chirp) wird dem Signal durch einen nachgeschalteten Modulator aufgeprägt, wie dies an sich im Stand der Tech nik bekannt ist. Die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale gelangen über einen Verzweiger 18 in eine Verteilmatrix 20, die mehrere optische Schalter 22a, 22b, 22c umfasst. Bei den optischen Schaltern 22a, 22b, 22c kann es sich beispielsweise Mach-Zehnder-Interferome- ter (MZI) handeln, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Die optische Verteil matrix 22 hat eine Baumstruktur mit mehreren Knoten, die durch die optischen Schalter 22a, 22b, 22c gebildet werden. Mit Hilfe der Verteilmatrix 22 können die von der Licht quelle 16 erzeugten optischen Signale wahlweise auf einen von vier Ausgangswellenleiter 241 bis 244 verteilt werden. Bei der in der Figur 3 gezeigten Stellung der optischen Schal ter 22a, 22b, 22c werden die optischen Signale beispielsweise auf den Ausgangswellenlei ter 244 gelegt. Jeder Ausgangswellenleiter 241 bis 244 endet in einem Ausgangskoppler 261 bis 264, aus denen die in den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 geführten optischen Signale in den freien Raum auskoppeln. Die Ausgangskoppler können beispielsweise als Gitterkoppler ( diffraction coupier) der als Kantenkoppler ( edge coupier) ausgebildet sein, wie dies eben- falls an sich im Stand der Technik bekannt ist. Die aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 austretenden Lichtstrahlen werden von einer blenkoptik 28 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Der Ablenkwinkel hängt dabei von dem Ort ab, an dem die optischen Signale in die Ablenkoptik 28 eintreten.
Bei der Ablenkoptik 28 kann es sich beispielsweise um eine Sammellinse 30 handeln, wie dies die Figuren 4a und 4b illustrieren. Dargestellt sind dort links die Verteilmatrix 20 und die Ausgangskoppler 261 bis 264, die in der vorderen Brennebene 29 der Sammellinse 30 angeordnet sind. Infolge dieser Anordnung wird das aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 austretende divergente Licht von der Sammellinse 30 kollimiert und beim Austritt aus der Sammellinse 30 abgelenkt. Anschließend durchtritt das Licht die Pupillenebene 32, die sich in der hinteren Brennebene der Sammellinse 30 befindet.
Die Figur 4a zeigt die Verteilmatrix 20 in einer Schaltstellung, bei der die optischen Signale aus dem oberen Ausgangskoppler 264 austreten. Wird das optische Signal in der Verteil matrix 20 hingegen auf den darunter Ausgangskoppler 263 gelegt, wie dies die Figur 4b illustriert, so tritt das Licht ebenfalls als kollimierter Strahl aus der Scanvorrichtung 14 aus, aber unter einem kleineren Winkel relativ zur optischen Achse OA. Auf diese Weise be stimmt die Verteilmatrix 20, in welche Richtungen die optischen Signale von der Scanvor richtung 14 abgestrahlt werden.
Im Folgenden wird wieder auf die Figur 3 Bezug genommen. Treffen die in einer horizon talen Ebene abgestrahlten Lichtstrahlen L11 bis L14 auf das Objekt 12, werden sie an des- sen Oberfläche in der Regel diffus reflektiert und somit über einen größeren Raumwinkel bereich hinweg zurückgestrahlt. Ein kleiner Teil des auf das Objekt 12 auftreffenden Lichts wird retroreflektiert, d.h. in die gleiche Richtung zurückgestrahlt, entlang der sich das Licht auf dem Weg zum Objekt 12 hin ausgebreitet hat. In der Figur 3 sind vier solcher Licht strahlen RL11 bis RL14 angedeutet, wobei der reflektierte Lichtstrahl RL11 dem Lichtstrahl L11, der reflektierte Lichtstrahl RL12 dem Lichtstrahl L12 usw. zugeordnet ist. Die Ab lenkoptik 28 richtet die reflektierten Lichtstrahlen RL11 bis RL14 auf Eingangskoppler 341 bis 344, die das auftreffende reflektierte Licht in Eingangswellenleiter 361 bis 364 einkop peln. Die Eingangskoppler 341 bis 344 können den gleichen Aufbau haben wie die Aus- gangskoppler 261 bis 264.
Die Eingangswellenleiter 361 bis 364 leiten die empfangenen optischen Signale zu Detek toren 381 bis 384, in denen die empfangenen optischen Signale mit den von der Licht quelle 16 erzeugten optischen Signalen überlagert werden. Zu diesem Zweck wird ein Teil des von der Lichtquelle 16 erzeugten Lichts mit Hilfe des Verzweigers 18 abgezweigt und über weitere Verzweiger 40 den Detektoren 381 bis 384 zugeleitet.
Während des Zeitraums, den das Licht für den Weg zum Objekt 12 und zurück benötigt, hat sich die Frequenz der von der Lichtquelle 16 erzeugten Signale verändert. Die Überla gerung der beiden Signale mit ähnlicher Frequenz führt zu einer Schwebung, deren Fre quenz durch Berechnung der FFT ( Fast Fourier Transform) ermitteln kann. Aus der Dopp- lerverschiebung kann außerdem auf die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Objekt 12 zurückgeschlossen werden. Störsignale vom Umgebungslicht oder von Scaneinrichtungen anderer Fahrzeuge 10 können mangels Kohärenz mit den von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signalen die Messung nicht beeinträchtigen.
Diese Berechnungen werden von einer Auswerteeinrichtung 42 durchgeführt, die mit den Detektoren 381 bis 384 verbunden ist und außerdem die Lichtquelle 16 und die optischen Schalter 22a, 22b und 22c der Verteilmatrix 20 ansteuert.
Werden die optischen Schalter 22 der Verteilmatrix 20 durch passive Verzweiger, z.B. 3 dB Richtkoppler, ersetzt, treten die von der Lichtquelle 16 erzeugten optischen Signale alle gleichzeitig aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 aus. Die am Objekt 12 reflektierten optischen Signale können dennoch eindeutig unterschiedlichen Richtungen zugeordnet werden, da die Ablenkoptik 28 sicherstellt, dass jeder Lichtrichtung genau ein Ort und da mit ein Eingangskoppler 341 bis 344 zugeordnet ist. Anteile des Lichtstrahls L11 etwa, die am Objekt 12 in eine Richtung reflektiert werden, die dem Lichtstrahl L12 entspricht, ge langen gar nicht erst in die Ablenkoptik 28. Ein sukzessives Verteilen der optischen Signale mit Hilfe einer aktiven Verteilmatrix 20 hat jedoch den Vorteil, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt die verfügbare optische Leistung pro Richtung größer ist, als wenn die Abstände und Geschwindigkeiten für alle Richtungen gleichzeitig gemessen werden.
2. Zweites Ausführungsbeispiei
Die Figur 5 zeigt eine Variante der vorstehend anhand der Figur 3 beschriebene Scanvor- richtung 14, in der weitere Implementierungsdetails erkennbar sind.
Die Detektoren 381 bis 384 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als symmetrische Fotode tektoren (engl baianced photodetectors) ausgebildet, die üblicherweise zwei in Reihe ge schaltete Photodioden enthalten. Jedem Detektor 381 bis 384 ist ein 3 dB Richtkoppler 421 bis 424 zugeordnet, der eingehende Signale hälftig auf zwei Ausgänge aufteilt. Die Funktion der Richtkoppler wird im Folgenden mit Bezug auf den Richtkoppler 424 er läutert, der dem Detektor 384 zugeordnet ist. Der Richtkoppler 424 hat ein erstes Paar von Eingängen 46a, 46b sowie ein zweites Paar von Eingängen 48a, 48b, zwischen denen eine Koppelstrecke 44 angeordnet ist. Einem ersten Eingang 46a des ersten Paars ist ein opti sches Signal von der Lichtquelle 16 und einem zweiten Eingang 46b des ersten Paars ein optisches Signal über den Eingangswellenleiter 364 zuführbar, das von dem Objekt 12 re flektiert wurde. Die beiden Eingänge 48a, 48b des zweiten Paars sind mit dem Fotodetek tor 424 verbunden. Ein so verwendeter 3dB Richtkoppler 424 stellt sicher, dass die an den Eingängen des symmetrischen Fotodetektors 384 anliegenden Signale die gleiche Intensi tät erhalten, aber phasenverschoben sind. Dadurch wird unerwünschtes Rauschen der op- tischen Signale voneinander subtrahiert, so dass es die Auswertung der überlagerten Sig nale nicht stört.
3. Drittes Ausführungsbeispiei
Das in der Figur 6 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel u.a. dadurch, dass die Lichtquelle 16 gleichzeitig optische Signale in mehreren voneinander getrennten Frequenzbändern erzeugt. Dies kann durch Verwenden mehrerer Laser erreicht werden, deren Signale in einem Multiplexer überlagert werden. Im Lichtweg zwischen den Richtkopplern 421 bis 424 und den Fotodetektoren 481 bis 484 sind bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils Demultiplexer 50 angeordnet. Diese wirken als Wellenlängenfilter, die nur für ein bestimmtes Frequenzband transparent sind. Alterna tiv hierzu können die Demultiplexer 50 auch schaltbar sein. Das Frequenzband, für welches der Demultiplexer 50 transparent ist, ist dann veränderbar.
Wenn die Ablenkoptik 28 ein dispersives optisches Element aufweist, kann ein Scannen in einer zusätzlichen Raumrichtung realisiert werden. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf die Figur 6 näher erläutert.
4. Viertes Ausführungsbeispiei
Die Figur 7 zeigt in einer an die Figur 3 angelehnten schematischen Darstellung ein weite- res Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Zwischen der Ablenkoptik 28 und den Kopplern 261 bis 264 sowie 341 bis 344 ist bei die sem Ausführungsbeispiel ein gemeinsamer optischer Zirkulator 52 angeordnet. Dieser hat die Aufgabe, von dem Objekt 12 reflektierte optische Signale ausschließlich auf die Ein gangskoppler 341 bis 344 am Ende der Eingangswellenleiter 361 bis 364 zu richten. Wie in der Figur 7 erkennbar ist, lenkt der gemeinsame optische Zirkulator 52 die reflektierten optischen Signale alle in die gleiche Richtung um den gleichen Betrag ab, weswegen die Anordnung der Ausgangswellenleiter 241 bis 244 auf die Anordnung der Eingangswellen leiter 361 bis 364 entsprechend abgestimmt sein muss.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der gemeinsame optischer Zirkulator 52 eine planparallele Platte 54 aus einem doppelbrechenden Material, einen Faraday-Rotator 56 und eine Halbwellenlängenplatte 58. Der Faraday-Rotator 56 dreht die Polarisations richtung des aus den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 austretenden Lichts um 45°, die Halbwellenlängenplatte 58 um weitere 90°. Die Polarisationsrichtung des vom Objekt 12 reflektierten Lichts erfährt beim Durchtritt durch die Halbwellenlängenplatte 58 eine er- neute Drehung um 90°. Da der Faraday-Rotator 56 nicht reziprok ist, dreht er die Polarisa tionsrichtung beim zweiten Durchritt nicht wieder zurück, sondern um weitere 45°. Das re flektierte Licht tritt dadurch in die Platte 54 mit einer Polarisationsrichtung ein, die um 90° gegenüber der Polarisationsrichtung verdreht ist, die das Licht beim erstmaligen Durchtritt vor der Reflexion am Objekt 12 hatte. Infolge der Doppelbrechung der Platte 54 wird das reflektierte Licht in der Platte 54 anders als das einfallende Licht gebrochen und tritt paral lel versetzt zum einfallenden Licht aus der Platte 54. Der Versatz ist so festgelegt, dass das reflektierte Licht genau auf die Eingangskoppler 341 bis 344 gerichtet wird.
Der Durchtritt des reflektierten Lichts durch den gemeinsamen Zirkulator 52 verursacht nur geringe Verluste, die durch eine geeignete Entspiegelung der optischen Grenzflächen minimiert werden können. Dafür wird am Objekt 12 retroreflektiertes Licht praktisch voll ständig auf die Eingangskoppler 341 bis 344 gerichtet, was für die vorstehend beschriebe- nen Ausführungsbeispiele nur in guter Näherung gilt.
Zur Ablenkoptik 28 gehört bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur die Sammellinse 30, sondern auch ein Gitter 60 oder ein anderes dispersives optisches Element. Das Gitter 60 spaltet die optischen Signale in einer Ebene wellenlängenabhängig auf, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist, innerhalb derer die sich aus den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 austretenden optischen Signale ausbreiten. Diese wel lenlängenabhängige Aufspaltung ist in der Figur 7 durch ein Strahlenbündel 61 angedeu tet. Die Aufspaltung der Strahlen erfolgt dabei senkrecht zur Papierebene. Innerhalb einer horizontalen Scanebene, wie sie in der Figur 2 gezeigt ist, haben die optischen Lichtstrah len L11 bis L14 beispielsweise Frequenzen innerhalb eines ersten Frequenzbandes. Die Lichtstrahlen L21 bis L24 der nächsten und dazu geneigten Scanebene haben Frequenzen in einem dazu verschiedenen zweiten Frequenzband, usw.
Sind den Detektoren 381 bis 384 Demultiplexer 50 zugeordnet, wie dies die Figur 6 zeigt, können die reflektierten Signale wellenlängenabhängig ausgewertet werden. Wenn die Demultiplexer 50 nicht durchstimmbar sind, müssen mehrere Ebenen von Detektoren 381 bis 384 vorgesehen werden, damit jeder reflektierte Lichtstrahl RL11 bis RL44 separat er fasst werden kann. Sind die Demultiplexer 50 hingegen durchstimmbar, können die unter schiedlichen Wellenlängen zeitlich hintereinander erfasst und ausgewertet werden. 5. Fünftes Ausführungsbeispiet
Die Figur 8 zeigt in einer an die Figur 7 angelehnten Darstellung eine Variante, bei der in einer Ebene vor den Ausgangs- und Eingangskopplern 261 bis 264 bzw. 341 bis 344 ein erstes Mikrolinsenarray 62 angeordnet ist. Die Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays kollimieren das divergent aus den Ausgangskopplern 261 bis 264 austretende Licht. Das in die Eingangskoppler 341 bis 344 eintretende Licht, das infolge der diffusen Reflexion am Objekt 12 aufgeweitet ist, wird so gebündelt, dass es mit möglichst hoher Effizienz über die Eingangskoppler 341 bis 344 in die Eingangswellenleiter 361 bis 364 einkoppelt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner ein zweites Mikrolinsenarray 64 vorgesehen, dass im Lichtweg zwischen dem optischen Zirkulator 52 und der Ablenkoptik 28 angeord- net ist. Die Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays 64 bündeln das kollimierte Licht vor dem Durchtritt durch die Ablenkoptik 28, um kleine Spotdurchmesser auf dem Objekt 12 und damit Bilder mit möglichst hoher lateraler Auflösung zu erhalten.
6. Sechstes Ausführungsbeispiet
Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 und die Eingangswellenleiter 361 bis 364 in einer gemeinsamen Ebene angeord- net. Es kommt jedoch auch in Betracht, wie bei dem in der Figur 9 gezeigten Ausführungs beispiel die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 in einer Ausgangsebene 66 und die Ein- gangswellenle iter 361 bis 364 in einer Eingangsebene 68 anzuordnen, die parallel zu der Ausgangsebene verläuft. 66 Die Eingangswellenleiter 361 bis 364 befinden sich dann bei spielsweise nicht seitlich, sondern in der Höhe unmittelbar neben den jeweils zugeordne- ten Ausgangswellenleitern 241 bis 244.
Um eine solche Aufteilung vornehmen zu können, weist der gemeinsame optische Zirkula tor 52 anstelle der Platte 64 einen polarisationsselektiven Strahlteiler 70 auf. Dort wird das vom Objekt 12 reflektierte Licht um 90° umgelenkt, da seine Polarisationsrichtung um 90° gedreht ist. Das reflektierte Licht trifft nach einer weiteren Umlenkung 90° an einem Fal- tungsspiegel 72 auf den Eingangskoppler 341 des Eingangswellenleiters 361. Für die übri gen Eingangswellenleiter 362 bis 364, die senkrecht zur Papierebene hintereinander ange ordnet sind, gilt dies entsprechend.
7. Siebtes Ausführungsbeispiei
Das in der Figur 10 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die Platte 54 des gemeinsamen optischen Zirkulators 52 eine größere Dicke hat. Dadurch wird das reflektierte Licht im ge meinsamen Zirkulator 52 um einen größeren Betrag seitlich versetzt. Der Versatz ist in die sem Ausführungsbeispiel so groß, dass die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 und die Ein gangswellenleiter 361 bis 364 zwar nach wie vor verschränkt angeordnet sind, aber einan- der entsprechende Ausgangs- und Eingangswellenleiter nicht mehr unmittelbar nebenei nander angeordnet sind. Der Eingangswellenleiter 364 etwa ist nicht benachbart zum zu gehörigen Ausgangswellenleiter 244, sondern benachbart zum Ausgangswellenleiter 243 angeordnet.
8. Achtes Ausführungsbeispiei
Das in der Figur 11 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor be- schriebenen Ausführungsbeispielen vor allem dadurch, dass das die von dem Objekt 12 reflektierten optischen Signale nicht über eigene Eingangswellenleiter den Detektoren zu geführt werden, sondern über die Ausgangswellenleiter, die sie vor dem Austritt aus der Scanvorrichtung 14 durchtreten haben. Es gibt bei diesem Ausführungsbeispiel somit Wel lenleiter, die sowohl von den ausgesendeten als auch von dem empfangenen optischen Signalen durchtreten werden.
Die Lichtquelle enthält hier einen DBR-Laser, dessen Licht über den Verzweiger 18 auf die Verteilmatrix 20 und eine weitere Verteilmatrix 74 verteilt wird. Die Verteilmatrix 20 verteilt das Licht wie bei den anderen Ausführungsbeispielen auf die Ausgangswellenleiter 241 bis 244. Die weitere Verteilmatrix 74 enthält ebenfalls Schalter 22a bis 22c und ersetzt die pas- siven Verzweiger 40 der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche das von der Lichtquelle 16 erzeugte Licht den Detektoren 381 bis 384 zuleiten. Auf diese Weise kann das zur Verfügung stehende Licht noch effizienter genutzt werden, da nur diejenigen De tektoren 381 bis 384 Licht von der Lichtquelle 16 erhalten, die gerade reflektierte optische Signale empfangen, weil von der Verteilmatrix 20 der entsprechende Ausgangswellenleiter 241 bis 244 mit der Lichtquelle 16 verbunden wurde. Die Ausgangswellenleiter 241 bis 244 sind über Verstärker 76 mit 3 dB 2x2 Richtkopplern 781 bis 784 verbunden, welche die in den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 geführten optischen Signale auf jeweils zwei Ausgangswellenleiter 241a, 241 b bis 244a, 244b hälftig aufteilen. Über Koppler 79 treten die optischen Signale aus und werden wie bei den ande ren Ausführungsbeispielen über die Ablenkoptik 28 in unterschiedliche Richtungen abge- strahlt.
Vom Objekt 12 retroreflektierte Lichtstrahlen werden über die Koppler 79 in die Ausgangs wellenleiter 241a, 241 b bis 244a, 244b eingekoppelt. 50% der Intensität der empfangenen optischen Signale werden über die Richtkoppler 78, die im optischen Weg zwischen der Verteilmatrix 22 und den Ausgangswellenleitern 241a, 241 b bis 244a, 244b angeordnet sind, in Eingangswellenleiter 801 bis 804 geleitet, welche die reflektierten optischen Sig nale den Detektoren 381 bis 384 zuführen.
Die Richtkoppler 781 bis 784 haben jeweils ein erstes und ein zweites Paar von Eingängen und eine Koppelstrecke 44, die zwischen den Paaren von Eingängen angeordnet ist. Ein erster Eingang des ersten Paars ist über die Verstärker 76 mit der Verteilmatrix 22, ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren 381 bis 384, ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem ersten Ausgangswellenleiter 241a bis 244a und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem zweiten Ausgangswellenleiter 241 b bis 244b verbun den.
Um die Signalqualität an den Detektoren 381 bis 384 zu verbessern, ist in den Ausgangs- Wellenleitern 241a, 242a, 243a und 244a jeweils ein Phasenschieber 82 angeordnet ist. Der Phasenschieber sollte die Phase um einen größeren Betrag, beispielsweise um 2p*h mit n = 3, 4, 5... und vorzugweise mit 5 > n > 100 verschieben. 9. Neuntes Ausführungsbeispiei
Das in der Figur 12 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Figur 11 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die weitere Verteilmatrix 74 keine Schalter 22a, 22b, 22c, sondern passive Verzweiger 40 aufweist.
70. Zehntes Ausführungsbeispiei
Die Figur 13 zeigt eine Variante des in der Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem ein zusätzliches Wellenlängenmultiplexing vorgesehen ist, wie dies oben bereits im Zusammenhang mit den Figuren 6 bis 8 erläutert wurde. Die Lichtquelle 16' umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel vier DBR-Laser 171 bis 174, deren optische Signale in unter schiedlichen Frequenzbändern liegen und über eine Sammelmatrix 84 mit Schaltern 86a, 86b, 86c sequentiell auf einen Wellenleiter 88 aufgeschaltet werden können. Auf diese Weise wird zusätzlich ein Zeitmultiplexen erzielt.
Demultiplexer 50, wie sie bei dem in der Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel im Licht weg der empfangenen optischen Signale angeordnet sind, werden bei diesem Ausfüh rungsbeispiel nicht benötigt, da zu einem gegebenen Zeitpunkt nur optische Signale eines der vier von den DBR-Lasern 171 bis 174 erzeugten Frequenzbänder von der Scanvorrich- tung 14 verarbeitet werden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden die unterschiedlichen Frequenzbänder dazu genutzt, zusammen mit einem Gitter 60 oder einem anderen dispersiven optischen Ele ment die Umgebung in vertikaler Richtung zu scannen, wie dies oben im Zusammenhang mit dem in den Figur 6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.
77. Elftes Ausführungsbeispiel Bei dem in der in der Figur 14 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die von der Licht quelle 16 erzeugten optischen Signale zunächst in einem Verstärker 176 verstärkt und dann in der Verteilmatrix 20 von mehreren optischen Schaltern 22a, 22b, 22c auf insge samt vier Ausgangskanäle K1 bis K4 verteilt. Der Ausgangskanal K1 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel einen Wellenleiter 241 ', in den seriell vier erste 2x2 Richtkoppler 781 - 1 bis 781-4 integriert sind. Diese ersten Richtkoppler 781-1 bis 781-4 führen einen Teil der im Wellenleiter 241 ' geführten optischen Signale über Ausgangswellenleiter 241-1 bis 241-4 jeweils einem Koppler 791-1 bis 791-4 zu, aus dem die optischen Signale austreten und nach der Reflexion am Objekt 12 wieder eintreten können. Die Richtkoppler 781-1 bis 781-4 haben zu diesem Zweck jeweils ein erstes und ein zwei tes Paar von Eingängen und eine Koppelstrecke 44, die zwischen den Paaren von Eingän gen angeordnet ist. Beim Richtkoppler 781-1 ist ein erster Eingang des ersten Paars mit einem Abschnitt des Ausgangswellenleiters 241 und ein zweiter Eingang des ersten Paars mit dem Detektor 381-1 verbunden. Ein erster Eingang des zweiten Paars ist mit einem da- rauf folgenden Richtkoppler 781-2 und ein zweiter Eingang des zweiten Paars ist über ei nen Ausgangswellenleiter 241-1 mit dem Koppler 791-1 verbunden. Entsprechendes gilt für die übrigen Richtkoppler 781-2 bis 781-5 des Kanals K1.
Die Detektoren 381-1 bis 381-4 sind auch hier als symmetrische Photodetektoren ausge bildet und erhalten deswegen wie in den anderen Ausführungsbeispielen zusätzlich das optische Signal von der Lichtquelle 16. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels be steht darin, dass diese Zuführung über den gleichen Wellenleiter 24T erfolgt, der auch mit den Richtkopplern 781-1 bis 781-4 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist der Wellenleiter 24T mit zweiten 1x2 Richtkopplern 901-1 bis 901-4 verbunden, die einen Teil des in dem Wellenleiter 241 geführten Lichts den Detektoren 381-1 bis 381-4 zuleiten. Am Ende eines jeden Wellenleiters 24T bis 244' befindet sich ein Absorber 92, der das restliche Licht ab sorbiert.
Die übrigen Ausgangskanäle K2 bis K4 sind entsprechend aufgebaut.
Auch bei dem in der Figur 14 gezeigten Ausführungsbeispiel werden somit die vom Ob jekt 12 reflektierten Signale über die Koppler 791-1 bis 791-4, 792-1 bis 792-4 usw. in den gleichen Ausgangswellenleiter 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4 usw. eingekoppelt, aus dem die Signale vorher ausgekoppelt wurden.
Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass jeder Ausgangswellen leiter 241 bis 244 eines Ausgangskanals K1 bis K4 über die darin integrierten Richtkoppler sowohl mit Kopplern zum Auskoppeln der optischen Signale in den freien Raum als auch mit mehreren Detektoren verbunden ist.
Vorzugsweise haben die in den Ausgangswellenleitern 241 bis 244 integrierten Richtkopp ler 781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4 usw. jeweils Kopplungskoeffizienten, die derart aufei- nander abgestimmt sind, dass an allen Kopplern 79i-1 bis 79i-4 eines Ausgangskanals Ki ein optisches Signal der gleichen Intensität ausgekoppelt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit einer Lichtquelle (16; 16'), die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit zeit lich variierender Frequenz zu erzeugen, einer optischen Verteilmatrix (20), die mehrere optische Schalter (22a, 22b, 22c) und/oder optische Verzweiger aufweist und dazu eingerichtet ist, das optische
Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (241 bis 244; 241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243- 1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) verteilen, einer Ablenkoptik (28), die dazu eingerichtet ist, die aus den optischen Ausgangs- Wellenleitern austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie in unter schiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden, mehrere Detektoren (381 bis 384), die dazu eingerichtet sind, eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16; 16') erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde, zu erfassen, wobei von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale den Detektoren (381 bis 384) unter Um gehung der optischen Verteilmatrix (20) zuführbar sind, eine Auswerteeinrichtung (42), die dazu eingerichtet ist, aus der von den Detekto ren (381 bis 384) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale (RL11 bis RL14) entweder a) über die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241 b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind oder b) über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleiter (361 bis 364) den Detekto ren (381 bis 384) zuführbar sind, wobei die Eingangswellenleiter b1) entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) ange ordnet sind und/oder b2) so relativ zu den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) angeordnet sind, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Re flexion an dem Objekt (12) in einen Eingangswellenleiter (361 bis 364) ein- tritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellenleiter (241 bis 244) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244- 1 bis 244-4) jeweils einen Ausgangskoppler (261 bis 264; 79; 791-1 bis 791-4, 792-1 bis 792-4, 793-1 bis 793-4, 794-1 bis 794-4) haben, der dazu eingerichtet ist, ein in dem Ausgangswellenleiter geführtes optisches Signal in den freien Raum auszukop peln.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg hinter den Ausgangskopplern (261 bis 264) jeweils eine Kollimatorlinse (62) zum Zwecke der Kol limation angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkoptik (28) eine Sammellinse (30) enthält, die eine vordere Brennebene (29) hat, und dass die Ausgangskoppler (261 bis 264) oder Bilder der Ausgangskoppler in der vorderen Brennebene (29) der Sammellinse (30) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16') dazu eingerichtet ist, gleichzeitig mehrere optische Signale mit zeitlich variierender Frequenz in unterschiedlichen Frequenzbändern zu erzeugen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkoptik (28) ein dispersives optisches Element (60) aufweist, das die optischen Signale in einer ersten Ebene wellenlängenabhängig aufspaltet, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Ebene angeordnet ist, innerhalb derer die sich aus den Ausgangswellen- leitern austretenden optischen Signale ausbreiten.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale über von den Ausgangswellen leitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleiter (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswellenleiter (361 bis 364) jeweils einen Eingangskoppler (341 bis 344) haben, der dazu eingerichtet ist, sich im freien Raum ausbreitende Lichtstrahlen (RL11 bis RL14) in die Eingangswel lenleiter (361 bis 364) einzukoppeln.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg vor den Ein- gangskopplern (361 bis 344) jeweils eine Kollimatorlinse (62) zum Zwecke der Kollima tion angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) und der Ablenkoptik (28) ein gemeinsamer optischer Zirkulator (52) angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale ausschließlich auf die Eingangskopp ler (341 bis 344) der Eingangswellenleiter (361 bis 364) zu richten.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale über die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244- 4) den Detektoren (381 bis 384) zuführbar sind, und dass im optischen Weg zwischen der Verteilmatrix (20) und den Ausgangswellenleitern Verzweiger (781 bis 784; 781 - bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4, 784-1 bis 784-4) angeordnet sind, die in den Ausgangswellenleitern geführte und vom Objekt (12) reflektierte optische Signale den Detektoren (381 bis 384) zuleiten.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweiger 2x2 Richtkoppler (781 bis 784) mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen umfassen, wobei der Richtkoppler eine Koppelstrecke (44) hat, die zwischen dem ers ten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist, und wobei ein erster Eingang des ers ten Paars mit der Verteilmatrix (20), ein zweiter Eingang des ersten Paars mit einem der Detektoren (381 bis 384), ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem ersten Ausgangswellenleiter (241a bis 244a) und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem zweiten Ausgangswellenleiter (241 b bis 244b) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen dem Richtkoppler (781 bis 784) und dem ersten Ausgangswellenleiter (241a bis 244a) ein Phasenschieber (82) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der opti- sehen Signale von der Lichtquelle (16; 16') zu den Detektoren (381-1 bis 381-4, 382-1 bis 382-4, 383-1 bis 383-4, 384-1 bis 384-4) und zu den Ausgangswellenleitern (241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) über den gleichen Wel lenleiter (241 ' bis 244') erfolgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweiger 2x2 Richtkoppler (781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4) mit einem ersten und einem zweiten Paar von Eingängen umfassen, wobei der Richtkoppler eine Koppelstre cke (44) hat, die zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar angeordnet ist, und wobei ein erster Eingang des ersten Paars direkt oder über andere Richtkoppler (781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4) mit der Verteilmatrix (20), ein zweiter Ein- gang des ersten Paars mit einem der Detektoren (381-1 bis 381-4, 382-1 bis 382-4,
383-1 bis 383-4, 384-1 bis 384-4), ein erster Eingang des zweiten Paars mit einem an deren Richtkoppler (781-1 bis 781-4, 782-1 bis 782-4, 783-1 bis 783-4, 784-1 bis 784- 4) und ein zweiter Eingang des zweiten Paars mit einem Ausgangswellenleiter (241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtkoppler Kopp lungskoeffizienten haben, die derart ausgelegt sind, dass an allen Ausgangswellenlei tern (241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) ein von der Lichtquelle erzeugtes optisches Signal der gleichen Intensität anliegt.
17. Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit folgenden
Schritten: eine Lichtquelle (16; 16') erzeugt ein optisches Signal mit zeitlich variierender Fre quenz; eine optische Verteilmatrix (20), die mehrere optische Schalter (22a, 22b, 22c) und/oder optische Verzweiger aufweist, verteilt das optische Signal gleichzeitig oder sukzessive auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (241 bis 244; 241a bis 244a, 241b bis 244b; 241-1 bis 241-4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4); eine Ablenkoptik (28) lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern austre- tenden optischen Signale so ab, dass sie in unterschiedliche Richtungen abge strahlt werden; mehrere Detektoren (381 bis 384) erfassen eine Überlagerung des von der Licht quelle (16; 16') erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert und den Detektoren (381 bis 384) unter Umgehung der optischen Verteilmatrix (22) zugeführt wurde; eine Auswerteeinrichtung (42) bestimmt aus der von den Detektoren (381 bis 384) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12); von dem Objekt (12) reflektierte optische Signale (RL11 bis RL14) werden entwe der a) über die Ausgangswellenleiter (241a bis 244a, 241 b bis 244b; 241-1 bis 241 -
4, 242-1 bis 242-4, 243-1 bis 243-4, 244-1 bis 244-4) den Detektoren (381 bis 384) zugeführt oder b) über von den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) unabhängige und nicht mit der Lichtquelle (16; 16') verbundene Eingangswellenleiter (361 bis 364) den Detektoren (381 bis 384) zugeführt, wobei die Eingangswellenleiter b1) entweder verschränkt mit den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) an geordnet sind oder b2) so relativ zu den Ausgangswellenleitern (241 bis 244) angeordnet sind, das ein aus einem Ausgangswellenleiter austretendes optisches Signal nach Reflexion an dem Objekt (12) in einen Eingangswellenleiter (361 bis 364) eintritt, der unmittelbar benachbart zu dem Ausgangswellen leiter (241 bis 244) angeordnet ist.
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