EP4352537A1 - 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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EP4352537A1
EP4352537A1 EP22808741.7A EP22808741A EP4352537A1 EP 4352537 A1 EP4352537 A1 EP 4352537A1 EP 22808741 A EP22808741 A EP 22808741A EP 4352537 A1 EP4352537 A1 EP 4352537A1
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EP
European Patent Office
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optical
light beams
optical signal
substrate
actuator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22808741.7A
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Inventor
Jan Horn
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Scantinel Photonics GmbH
Original Assignee
Scantinel Photonics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Scantinel Photonics GmbH filed Critical Scantinel Photonics GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for scanning the distance to a moving or stationary object based on FMCW LiDAR technology.
  • Such devices can be used, for example, in autonomous vehicles and contain photonic integrated circuits (PIC, Photonic Integrated Circuit) that contain no moving parts.
  • PIC Photonic integrated circuits
  • Description of the prior art A measuring principle known as FMCW-LiDAR is known for optical distance measurement, in which optical signals with a time-varying frequency (FMCW stands for frequency modulated continuous wave) are directed towards a measuring device in different directions object to be measured. After reflection on the object, the signals return to the measuring device and are superimposed with a signal that was not radiated and is therefore referred to as a local oscillator.
  • FMCW-LiDAR optical distance measurement, in which optical signals with a time-varying frequency (FMCW stands for frequency modulated continuous wave) are directed towards a measuring device in different directions object to be measured. After reflection on the object, the signals return to the measuring device and are superimposed with a signal
  • the reflected signal Due to the light path covered, the reflected signal has a slightly different frequency than the non-radiated signal.
  • a comparatively low-frequency beat frequency is produced, which is detected by a detector of the measuring device and used to calculate the distance between the measuring device and the object. If the Doppler shift is also taken into account, the relative speed between the scanner and the object can also be calculated.
  • Measuring devices based on this measuring principle must be very robust and reliable if they are to be used in vehicles. This applies in particular when if the vehicles drive autonomously, since the safety of autonomous driving depends crucially on how reliably a three-dimensional image of the environment can be generated with a sufficiently high resolution.
  • measuring devices are preferred that do not require rotating scanning mirrors or other moving components.
  • a distribution matrix with a number of active or passive splitters arranged in a tree-like manner distributes the FMCW signals to different free-space couplers.
  • a deflection optics, in the focal plane of which the free space couplers are arranged collimates the optical signals emerging from the free space couplers and emits them in different directions.
  • a large number of free space couplers must be arranged in a very small space in these known solutions. However, this quickly comes up against technological limits.
  • the object of the invention is to specify a device and a method for scanning measurement of the distance to an object, with which a high spatial resolution can be achieved cost-effectively.
  • the object is achieved by a device for scanning measurement of the distance to an object, which has a light source that is set up to generate an optical signal with a varying frequency.
  • the device also includes a distribution matrix configured to simultaneously distribute the optical signal to a plurality of output optical waveguides.
  • the device also contains a number of free-space couplers, which are arranged on a common substrate and are designed to process the optical signals guided in the output waveguides as optical radiate out into the free space.
  • Deflection optics of the device are set up to deflect the optical signals emerging from the optical output waveguides in such a way that they are radiated from the device simultaneously in different directions.
  • a detector detects superimposition of the optical signal generated by the light source with an optical signal that was reflected by the object.
  • the device also includes an evaluation device that is set up to determine a distance to the object from the superimposition detected by the at least one detector.
  • the device also has a beam displacement unit, which has an actuator for generating a movement and is set up to temporarily displace the light beams emerging from the free space couplers together—preferably in parallel—before they reach the deflection optics meet.
  • the invention is based on the consideration that in measuring devices based on the FMCW-LiDAR principle, a three-dimensional image of the environment is not obtained instantaneously, but is the result of a scanning process. The three-dimensional image is thus built up successively, even if several light beams are directed onto the object at the same time at a given point in time.
  • This successive image build-up makes it possible to superimpose a mechanical movement on the scanning process, which leads to a preferably parallel offset of the light beams emerging from the free-space couplers.
  • An offset of the light beams by an amount predetermined by the movement leads to different beam angles behind the deflection optics. Consequently, the light rays impinge on the object at different points before and after the offset.
  • the beam shifting unit can be controlled in such a way that points on the object are scanned with a grid density that is twice as high as in a measuring device without a beam shifting unit. Such a doubling of the resolution could otherwise only be achieved with a corresponding increase in the integration density on the photonic integrated circuit or at the expense of very high costs.
  • the actuator is a translational actuator configured to move the substrate with the free space couplers arranged thereon.
  • a movement of the substrate changes the relative position of the substrate to the deflection optics, which leads to different beam angles.
  • the deflection optics can be moved. However, this is mechanically more complex, since the deflection optics normally have a higher weight than the photonic integrated circuit with the free-space couplers.
  • the substrate is translated back and forth along a translation direction perpendicular to an exit direction of the light beams.
  • the free-space couplers are laterally offset in the focal plane of the deflection optics, as a result of which the angular spectrum of the emitted light beams changes accordingly.
  • the translatory movement can also contain a component along the exit direction of the light rays, as disclosed in DE 102021111949 A1.
  • the movement of the substrate can be intermittent or continuous. An intermittent movement is understood to mean a movement in which two or more target positions are approached with a jerk and the substrate briefly comes to a standstill at the respective target positions. In order to avoid the high accelerations that occur, it is often more economical to generate continuous movements with the translation actuator.
  • Harmonic vibrations which can be tuned to the natural frequency of the substrate, are particularly favorable in this context.
  • the translation actuator can be set up to set the substrate in an oscillating movement along the translation direction with a frequency between 20 Hz and 100 Hz.
  • the oscillation frequency should be matched to the scanning frequency with which the light beams scan the object.
  • the translation actuator can have, for example, a plunger coil drive that acts on the substrate.
  • the use of piezoelectric actuators is also possible.
  • the beam displacement unit has a plane plate that is transparent to the light beams.
  • the actuator is a rotary actuator, which is set up to move the flat plate between at least two angular positions with respect to an axis of rotation, which runs at an angle—preferably 90°—to an exit direction of the light beams.
  • a plane plate that is tilted in the beam path of the light beams causes a parallel offset of the light beams, which increases with increasing tilting angle. Since the light beams need only be offset laterally by a small amount to increase resolution, the plane plate can be thin. As a result, the mass to be moved can be smaller in this exemplary embodiment than in the exemplary embodiment explained above, in which the entire photonically integrated circuit is moved.
  • the distribution matrix is preferably a switching matrix with a number of optical switches and is set up to selectively distribute the optical signal to the number of optical output waveguides. In this way, the optical power generated by the light source can be concentrated on a small number of simultaneously active optical channels.
  • a control device should then preferably be provided which is set up to synchronize the optical switches of the switching matrix with an offset of the light beams caused by the beam displacement unit. The control device thus takes over the coordination of the two available degrees of freedom, namely the choice of the free space coupler activated via the switching matrix on the one hand and the choice of the tilting angle of the plane plate on the other hand.
  • the distribution matrix can also contain exclusively passive beam splitters, so that the optical signal is distributed simultaneously to all optical output waveguides.
  • each output waveguide is assigned an individually controllable light amplifier.
  • individual channels can also be selectively controlled with passive beam splitters.
  • Each free-space coupler is preferably set up to convert an optical signal generated by the light source, which was fed to the free-space coupler from an output waveguide connected to the free-space coupler and exited the free-space coupler, after reflection on the object again as an optical measurement signal in to couple the same output waveguide.
  • the free space couplers are preferably all arranged in a common plane.
  • the light source is usually designed as a laser light source that generates coherent light. This can lead to the formation of speckle patterns on objects with a rough surface, with the result that no light can be received from some scanning points on the surface due to destructive interference.
  • the beam displacement unit can be set up to superimpose a further movement with smaller amplitudes on the movement. This superimposed movement causes the light rays to move slightly and continuously laterally when they hit the object.
  • the superimposed movements have such a small amplitude that the light beams essentially remain directed at the same object point, but sweep over it in such a way that no neighboring object point is reached in the scan grid.
  • These small movements which follow predetermined functions or can be (quasi) random, make it possible for the reflected laser light to interfere constructively at least temporarily when it is received by the device.
  • the task stated at the outset is achieved by a method for scanning the distance to an object, the method having the following steps: a) generating an optical signal with a varying frequency; b) distributing the optical signal to a plurality of output optical waveguides; c) decoupling of the optical signals guided in the output waveguides as light beams into the free space with the aid of free space couplers which are arranged on a common substrate; d) deflecting the optical signals emerging from the optical output waveguides in such a way that they are radiated in different directions simultaneously; e) detecting a superimposition of the optical signal generated in step a) with an optical signal which was emitted in step d) and reflected by the object; f) determining the distance to the object from the overlay detected in step e); wherein the light beams emerging from the free space couplers are displaced together in twos before they are deflected in step d).
  • the substrate with the free space couplers arranged thereon can be moved.
  • the substrate can be moved back and forth in translation along a translation direction that runs perpendicular to an exit direction of the light beams.
  • the substrate can be set in an oscillating motion along the translation direction with a frequency between 20 Hz and 100 Hz.
  • the light rays pass through a transparent plane plate that moves between at least two angular positions with respect to an axis of rotation.
  • the optical signals can be selectively distributed from a switching matrix with a plurality of optical switches to the plurality of optical output waveguides, with the optical switches of the switching matrix being synchronized with an offset of the light beams.
  • a further movement with smaller amplitudes is superimposed on the movement in order to avoid speckle patterns.
  • FIG. 3 shows the structure of the measuring device according to an exemplary embodiment in a schematic representation
  • FIG. 4 shows a graph in which the frequency of the transmitted optical signals is plotted against time
  • FIG. 5 shows a switching matrix and the deflection optics of the measuring device shown in FIG. 3
  • FIGS. 6a to 6c show a section of the measuring device shown in FIG. 3 in different operating states according to a first exemplary embodiment, in which a substrate with free-space couplers is moved in a translatory manner
  • FIGS. 7a to 7c show a detail from the measuring device shown in FIG. 3 in different operating states according to a second exemplary embodiment, in which a plane plate is tilted
  • FIG. 8 shows a schematic representation, based on FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a vehicle 10 that is approaching an object 12, which in FIG. 1 is a tree.
  • Vehicle 10 has at least one measuring device 14, which uses light beams L11, L21, L31 and L41 to scan the area ahead of vehicle 10 in order to obtain distance values. A three-dimensional image of the environment is reconstructed from the distance values.
  • the measuring device 14 determines the relative speed to the object 12. This information is particularly important when the object 12 is another vehicle or an animal and is also moving.
  • the information determined by measuring device 14 about the area ahead of vehicle 10 can be used, for example, to assist the driver of vehicle 10 in controlling the vehicle by generating warning messages if vehicle 10 collides with the object 12 threatens.
  • the vehicle 10 is driving autonomously, the information about the environment ahead is required by the control algorithms that control the vehicle 10 .
  • the measuring device 14 emits the light beams L11 to L41 in different directions in a vertical plane (this is the paper plane in FIG. 1), as a result of which the surroundings are scanned in the vertical direction. At the same time, scanning also takes place in the horizontal direction, as shown in FIG.
  • FIG. 1 a plan view of the measuring device 14 .
  • the measuring device 14 preferably emits many more light beams. For example, k*2n light beams are preferred, where n is a natural number between 7 and 13 and indicates how many beams are emitted in one of k planes, where k is a natural number between 1 and 16.
  • FIG. 1 k*2n light beams are preferred, where n is a natural number between 7 and 13 and indicates how many beams are emitted in one of k planes, where k is a natural number between 1 and 16.
  • the measuring device 14 is designed as a LiDAR system and includes an FMCW light source 16 which generates measuring light with a varying frequency fchirp when the measuring device 14 is in operation.
  • the frequency fchirp varies ("chirps") periodically over time t between a lower frequency f1 and a higher frequency fh.
  • Each measurement interval with a chirp duration T is divided into two halves of equal length T/2.
  • the frequency of the measuring light can thus be described by a periodic triangular function. However, other functional relationships can also be considered, for example sawtooth functions.
  • the light source 16 is connected to a splitter 22, which splits the measurement light into reference light (local oscillator) and output light.
  • the output light is amplified in an optical amplifier 24 and then reaches an optical circulator 26 which directs the amplified measuring light to a deflection unit 28 .
  • the optical circulator 26 can, for example, comprise a polarization-sensitive beam splitter which interacts with further polarization-optical elements, as is known per se in the prior art.
  • a 2x2 coupler can also be used instead of the circulator, but this leads to higher light losses.
  • the deflection unit 28 directs the output light onto the object 12--represented by a moving car in FIG. 3--in various directions, as explained above with reference to FIGS.
  • the optical signal emitted by the deflection unit 28 is usually at least partially reflected diffusely by the object 12 . A small part of the reflected signal returns to the measuring device 14, where it is coupled into the deflection unit 28 again.
  • the optical circulator 26 directs the coupled-in light onto a combiner 30, which superimposes the coupled-in light on the reference light, which was separated from the measuring light by the splitter 22. Since the frequencies of the superimposed light components differ slightly from one another, a beat signal is produced which is detected by a detector 32, which is preferably designed as a symmetrical photodetector. The electrical signals generated by the detector 32 are fed to a computing unit 34, which calculates the distance R to the object and the relative speed v between the scanning device 14 and the object 12 from the analysis of beat frequencies.
  • FIG. 5 shows parts of the deflection unit 28 in a simplified schematic representation.
  • the deflection unit 28 includes a switching matrix M in which a number of optical switches S11, S21 and S22 are arranged in a tree-like manner. With the aid of the optical switching matrix M, optical signals which are received at an input 36 of the switching matrix M can be successively distributed to a plurality of output waveguides 38 .
  • the optical switching matrix M in the exemplary embodiment shown has only three optical switches, so that a total of four output waveguides 38 can be controlled. In real measuring devices 14, eight or more switching levels can be arranged one behind the other, so that, for example, 256 output waveguides 38 can be selectively connected to the input 36.
  • the switching matrix M is located before the amplifier 24 or between the amplifier 24 and the circulator 26.
  • the deflection unit 28 also serves to receive the optical signals reflected on the object 12 and to couple them back into the output waveguide 38 via the free-space coupler 40 .
  • the reflected signals may be received by dedicated free space couplers 40 and fed to detector 32 via dedicated waveguides.
  • a substrate 46 can be seen which carries eight output waveguides 38 which each open into a free-space coupler 40 .
  • the free space couplers are arranged along a line.
  • the deflection optics 44 comprise two aspherical lenses L1 and L2.
  • a translation actuator 54 acts laterally on the substrate 46 and can be designed, for example, as a plunger coil drive.
  • the translation actuator 54 acts with a or a plurality of guides 56 arranged on the opposite side of the substrate 46 together.
  • the guides 56 ensure that the substrate 46 can only perform translational movements directed laterally, ie perpendicularly to the optical axis 42 .
  • FIG. 6a shows the back and forth movements brought about by the translation actuator 54.
  • the deflection optics 44 collimates the light beams R1, R2, so that they leave the deflection optics 44 parallel but inclined with respect to the optical axis 42.
  • FIG. 6 b shows the arrangement reproduced in FIG.
  • the offset ⁇ x corresponds to half the pitch between the free-space couplers 40.
  • FIG. 6a shows the light beams R1, R2 exiting from the free space couplers in front of the lateral offset.
  • the offset light beams emerge from the deflection optics 44 at a different angle, as can be seen on the right in FIG. 6b.
  • the offset means that it emerges closer to the optical axis 42, so that the angle of emergence from the deflection optics 44 becomes smaller.
  • the situation is reversed (not shown), ie the exit angle becomes larger.
  • the lateral offset of the substrate 46 thus produces two additional exit angles which cannot be obtained with the aid of the switching matrix M alone.
  • FIG. 6c shows the arrangement reproduced in FIG. 6b after the substrate has been transferred back into its starting position shown in FIG.
  • FIG. 6a corresponds to a movement of the distance - ⁇ x.
  • the switching matrix M is now in the next switching state.
  • the switching matrix M is such controlled so that the output waveguides 38 are switched through successively from one side to the opposite side, with every fourth output waveguide 38 always conducting light.
  • the substrate 46 is moved back and forth intermittently, the switching state of the switching matrix M being changed with every second movement.
  • the order in which the light beams are directed onto the object 12 is generally irrelevant.
  • the sole decisive factor is whether all points on the object 12 lying in the scanning grid are scanned within a scanning cycle. It is therefore also possible, for example, to first switch through the free space couplers 40 one after the other using the switching matrix M and only then to move the substrate 46 using the translation actuator 54 . After this offset, all free space couplers 40 are switched through again, but now the intermediate positions shown in FIG. 6b are approached.
  • Such a switching scheme requires fewer movements of the substrate 46 and is therefore advantageous in many cases.
  • the translation actuator 54 can also cause the substrate 46 to oscillate harmonically, which is synchronized with the optical switches of the switching matrix M in the desired manner (ie depending on the selected switching scheme).
  • the translation actuator 54 and the switching matrix M are preferably connected to a common control device 59 for this purpose.
  • Tilted plane plate Figures 7a, 7b and 7c show in the figures 6a to 6c based representations of a second embodiment in which a parallel offset of the free space couplers 40 exiting light emitters R1, R2 not by a movement of the substrate 46, but by tilting of a plane plate 60 which is transparent to the light beams R1, R2 and which is arranged between the substrate 46 and the deflection optics 44.
  • the plane plate 60 can also be arranged there.
  • the plane plate 60 can be tilted about an axis of rotation 63 with the aid of a rotary actuator 62 , which is only indicated schematically.
  • FIG. 7b illustrates how the beams R1′, R2′ are offset in parallel by tilting the plane plate 60 by a small angle and thus emerge from the deflection optics 44 at a different angle.
  • the beam path of the rays R1, R2 for the non-tilted state according to FIG. 7a is shown for comparison with dotted lines.
  • the beams R1′, R2′ emerging from the tilted plane plate 60 appear to come from a virtual free-space coupler 40′ which is located between two adjacent free-space couplers 40.
  • the tilting of the plane plate 60 thus essentially achieves the same effect as the lateral offset of the substrate 46 in the first exemplary embodiment. Accordingly, different switching schemes are also possible here.
  • the exemplary embodiment according to FIGS. 7a to 7c is based on the same switching scheme as in FIGS. 6a to 6c.
  • the switching state of the switching matrix M thus changes after every second tilting movement of the plane plate 60.
  • the interaction of the switching matrix M and the plane plate 60 is illustrated again in the diagram in FIG.
  • the possible light paths of the exiting light rays R1 to R4 are indicated with solid lines when the plane plate 60 is not tilted. If the plane plate 60 is tilted, the emerging light beams are laterally offset. In the exemplary embodiment shown in FIG. 8, the tilting angle of the flat plate 60 is selected such that the offset is half the lateral distance between the light beams R1 to R4. In this way, the angular resolution behind the deflection optics 44 is doubled in such a way that a uniform angular spectrum is achieved. Avoidance of speckle patterns Due to the coherence of the FMCW light source 16, speckle patterns can form on objects with a rough surface. Light cannot then be received from some sampling points on the surface due to destructive interference.
  • FIG. 9 shows this in a representation based on FIG.
  • the light beams L11 to L14 are not stationary, but instead migrate across the measurement points of the desired measurement point grid, as indicated by dashed lines.
  • Such slightly moving light beams L11 to L14 can be generated if a further movement with a smaller amplitude is superimposed on the above-described movement of the substrate 46 or the flat plate 60 . This superimposed movement causes the light beams L11 to L14 to move slightly and continuously laterally when they strike the object 12, as illustrated in FIG. In the graph of FIG.
  • the x-coordinate of the substrate 46 which is changed by the translation actuator 54 in the exemplary embodiment shown in FIGS. 6a to 6c, is plotted as a function of the time t as an example. It can be seen that the x-coordinate changes intermittently between the values x1 and x2, with the offset ⁇ x being given by x2 - x1. This movement is superimposed on another movement with a significantly smaller maximum amplitude ⁇ x', which serves to avoid speckle patterns. this movement can follow a predetermined function or—as indicated in FIG. 10—be (pseudo)random.
  • preferably applies to the amplitude ⁇ x' of this superimposed movement ⁇ 1/100

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Abstract

Bei einer Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12) erzeugt eine Lichtquelle (16) ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz. Das optische Signal wird von einer Verteilmatrix (M) gleichzeitig mehrere optische Ausgangswellenleiter (38) verteilt und von Freiraumkopplern (40) als Lichtstrahlen (L11 bis L14; R1 bis R4) in den Freiraum ausgekoppelt. Eine Ablenkoptik (44) lenkt die aus den optischen Ausgangswellenleitern (38) austretenden optischen Signale so ab, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt werden. Ein Detektor (32) erfasst eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde. Aus der Überlagerung errechnet eine Auswerteeinrichtung (34) den Abstand zu dem Objekt (12). Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Strahlverschiebeeinheit mit einem Aktor (54; 62) zur Erzeugung einer Bewegung auf. Der Aktor versetzt die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen (R1 bis R4) zeitweise gemeinsam, bevor sie auf die Ablenkoptik (44) auftreffen. Dadurch wird die Auflösung der Messung erhöht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem bewegten oder unbewegten Objekt auf Grundlage der FMCW-LiDAR- Technologie. Solche Vorrichtungen können beispielsweise bei autonom fahrenden Fahr- zeugen eingesetzt werden und photonisch integrierte Schaltkreise (PIC, Photonic In- tegrated Circuit) enthalten, die keine beweglichen Teile enthalten. Beschreibung des Standes der Technik Zur optischen Abstandsmessung ist ein als FMCW-LiDAR bezeichnetes Messprinzip be- kannt, bei dem von einer Messvorrichtung optische Signale mit zeitlich variierender Fre- quenz (FMCW steht für frequency modulated continuous wave) in unterschiedliche Richtun- gen auf ein zu vermessendes Objekt gerichtet werden. Nach Reflexion an dem Objekt ge- langen die Signale zurück zur Messvorrichtung und werden mit einem Signal überlagert, das nicht abgestrahlt wurde und deswegen als lokaler Oszillator bezeichnet wird. Auf- grund des zurückgelegten Lichtwegs hat das reflektierte Signal eine etwas andere Fre- quenz als das nicht abgestrahlte Signal. Bei Überlagerung der beiden Signale entsteht eine vergleichsweise niedrigfrequente Schwebungsfrequenz, die von einem Detektor der Mess- vorrichtung erfasst und zur Berechnung des Abstands zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt verwendet wird. Wenn zusätzlich die Doppler-Verschiebung berücksichtigt wird, lässt sich auch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Scanner und dem Objekt berechnen. Auf diesem Messprinzip beruhende Messvorrichtungen müssen sehr robust und zuverläs- sig sein, wenn sie in Fahrzeugen eingesetzt werden sollen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Fahrzeuge autonom fahren, da die Sicherheit beim autonomen Fahren entschei- dend davon abhängt, wie zuverlässig ein dreidimensionales Abbild der Umgebung mit ausreichend hoher Auflösung erzeugt werden kann. Deswegen werden zumindest für das Scannen in horizontalen Ebenen Messvorrichtungen präferiert, die ohne rotierende Scanspiegel oder andere bewegliche Bauteile auskommen. Bei solchen Lösungen, wie sie beispielsweise in der US 2017/0371227 A1 und der US 2019/0377135 A1 beschrieben sind, verteilt eine Verteilmatrix mit mehreren baumartig an- geordneten aktiven oder passiven Verzweigern die FMCW-Signale auf unterschiedliche Freiraumkoppler. Eine Ablenkoptik, in deren Brennebene die Freiraumkoppler angeordnet sind, kollimiert die aus den Freiraumkopplern austretenden optischen Signale und strahlt sie in unterschiedliche Richtungen ab. Um die benötigte hohe räumliche Auflösung in der Horizontalen zu erreichen, müssen bei diesen bekannten Lösungen sehr viele Freiraumkoppler auf engstem Raum angeordnet sein. Dies stößt jedoch rasch an technologische Grenzen. Selbst wenn die Auflösung erziel- bar ist, führt die extrem hohe Integrationsdichte zu hohem Ausschuss bei der lithographi- schen Herstellung, was sich ungünstig auf die Stückkosten auswirkt. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Mes- sung des Abstands zu einem Objekt anzugeben, mit dem sich kostengünstig eine hohe räumliche Auflösung erzielen lässt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt gelöst, die eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit einer variierenden Frequenz zu erzeugen. Die Vorrichtung weist außerdem eine Verteilmatrix auf, die dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig auf mehrere optische Ausgangswellenleiter zu verteilen. Die Vorrichtung enthält ferner mehrere Freiraumkoppler, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und dazu ein- gerichtet sind, die in den Ausgangswellenleitern geführten optischen Signale als Licht- strahlen in den Freiraum auszukoppeln. Eine Ablenkoptik der Vorrichtung ist dazu einge- richtet, die aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung ab- gestrahlt werden. Ein Detektor erfasst eine Überlagerung des von der Lichtquelle erzeug- ten optischen Signals mit einem optischen Signal, das von dem Objekt reflektiert wurde. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, aus der von dem mindestens einen Detektor erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ferner eine Strahlver- schiebeeinheit auf, die einen Aktor zur Erzeugung einer Bewegung aufweist und dazu ein- gerichtet ist, die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen zeitweise gemein- sam – und zwar vorzugsweise parallel – zu versetzen, bevor sie auf die Ablenkoptik auf- treffen. Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass in Messvorrichtungen, die auf dem FMCW- LiDAR-Prinzip beruhen, ein dreidimensionales Abbild der Umgebung nicht instantan erhal- ten wird, sondern das Ergebnis eines Scanprozesses ist. Das dreidimensionale Abbild wird somit sukzessive aufgebaut, auch wenn zu einem gegebenen Zeitpunkt gleichzeitig meh- rere Lichtstrahlen auf das Objekt gerichtet werden. Dieser sukzessive Bildaufbau ermög- licht es, dem Scanvorgang eine mechanische Bewegung zu überlagern, die zu einem vor- zugsweise parallelen Versatz der aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen führt. Ein Versatz der Lichtstrahlen um ein durch die Bewegung vorgegebenes Maß führt zu anderen Abstrahlwinkeln hinter der Ablenkoptik. Die Lichtstrahlen treffen folglich vor und nach dem Versatz an unterschiedlichen Punkten auf dem Objekt auf. Die Strahlver- schiebeeinheit kann dadurch so angesteuert werden, dass auf dem Objekt Punkte mit ei- ner Rasterdichte abgetastet werden, die doppelt so hoch ist wie bei einer Messvorrichtung ohne Strahlverschiebeeinheit. Eine solche Verdoppelung der Auflösung ließe sich ansons- ten nur mit einer entsprechenden Erhöhung der Integretationsdichte auf dem photonisch integrierten Schaltkreis oder unter Inkaufnahme sehr hoher Kosten erzielen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Aktor ein Translationsaktor, der dazu eingerichtet ist, das Substrat mit den darauf angeordneten Freiraumkopplern zu bewegen. Durch eine Bewegung des Substrats wird die Relativposition des Substrats zur Ablenkoptik verändert, was zu anderen Abstrahlwinkeln führt. Alternativ dazu kann die Ablenkoptik bewegt wer- den. Dies ist aber mechanisch aufwendiger, da die Ablenkoptik normalerweise ein höheres Gewicht als der photonisch integrierte Schaltkreis mit den Freiraumkopplern hat. Vorzugsweise wird das Substrat translatorisch entlang einer Translationsrichtung hin- und her bewegt, die senkrecht zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen verläuft. Die Frei- raumkoppler werden dadurch in der Brennebene der Ablenkoptik lateral versetzt, wodurch sich das Winkelspektrum der abgestrahlten Lichtstrahlen entsprechend verändert. Die translatorische Bewegung kann aber auch eine Komponente entlang der Austrittsrichtung der Lichtstrahlen enthalten, wie dies in der DE 102021111949 A1 offenbart ist. Für die Bewegung des Substrats kommen somit nicht nur lineare, sondern auch kreis- oder ellip- senförmige Trajektorien in Betracht. Im Prinzip denkbar ist ferner, das Substrat zu drehen. Gegenüber einer Translationsbewe- gung entstehen dabei aber komplizierte und unter Umständen unerwünschte Winkelver- änderungen hinter der Ablenkoptik. Die Bewegung des Substrats kann intermittierend oder kontinuierlich sein. Unter einer in- termittierenden Bewegung wird dabei eine Bewegung verstanden, bei der zwei oder mehr Zielpositionen ruckartig angefahren werden und das Substrat an den jeweiligen Zielpositi- onen kurzzeitig zum Stillstand kommt. Um die dabei auftretenden hohen Beschleunigungen zu vermeiden, ist es häufig günsti- ger, mit dem Translationsaktor kontinuierliche Bewegungen zu erzeugen. Besonders güns- tig sind in diesem Zusammenhang harmonische Schwingungen, die auf die Eigenfrequenz des Substrats abgestimmt sein können. Insbesondere kann der Translationsaktor dazu ein- gerichtet sein, das Substrat in eine oszillierende Bewegung entlang der Translationsrich- tung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz zu versetzen. Die Oszillationsfrequenz sollte dabei auf die Scanfrequenz abgestimmt sein, mit der die Lichtstrahlen das Objekt abtasten. Der Translationsaktor kann beispielsweise einen Tauchspulenantrieb aufweisen, der an dem Substrat angreift. Alternativ ist auch die Verwendung von piezoelektrischen Aktoren möglich. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Strahlverschiebungseinheit eine für die Lichtstrahlen transparente Planplatte auf. Der Aktor ist ein Drehaktor, der dazu eingerich- tet ist, die Planplatte zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Dreh- achse zu bewegen, die in einem Winkel – vorzugsweise von 90° – zu einer Austrittsrich- tung der Lichtstrahlen verläuft. Eine Planplatte, die im Strahlengang der Lichtstrahlen ver- kippt angeordnet ist, bewirkt einen parallelen Versatz der Lichtstrahlen, der mit zuneh- mendem Kippwinkel größer wird. Da die Lichtstrahlen nur um einen kleinen Betrag lateral versetzt werden müssen, um die Auflösung zu erhöhen, kann die Planplatte dünn sein. Dadurch kann bei diesem Ausführungsbeispiel die zu bewegende Masse kleiner sein als bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel, bei dem der gesamte photonisch inte- grierte Schaltkreis bewegt wird. Vorzugsweise ist die Verteilmatrix eine Schaltmatrix mit mehreren optischen Schaltern und dazu eingerichtet, das optische Signal wahlweise auf die mehreren optischen Ausgangs- wellenleiter zu verteilen. Auf diese Weise kann die von der Lichtquelle erzeugte optische Leistung auf wenige gleichzeitig aktive optische Kanäle konzentriert werden. Vorzugsweise ist dann eine Steuereinrichtung vorzusehen, die dazu eingerichtet ist, die optischen Schal- ter der Schaltmatrix mit einem von der Strahlverschiebeeinheit bewirkten Versatz der Lichtstrahlen zu synchronisieren. Die Steuereinrichtung übernimmt somit die Koordination der beiden zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade, nämlich die Wahl der über die Schalt- matrix aktivierten Freiraumkoppler einerseits und die Wahl des Kippwinkels der Planplatte andererseits. Die Verteilmatrix kann aber auch ausschließlich passive Strahlteiler enthalten, so dass das optische Signal gleichzeitig auf alle optischen Ausgangswellenleiter verteilt wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn jedem Ausgangswellenleiter ein individuell ansteuerbarer Licht- verstärker zugeordnet ist. Dadurch können auch mit passiven Strahlteilern einzelne Kanäle gezielt angesteuert werden. Vorzugsweise ist jeder Freiraumkoppler dazu eingerichtet, ein von der Lichtquelle erzeug- tes optisches Signal, das dem Freiraumkoppler von einem mit dem Freiraumkoppler ver- bundenen Ausgangswellenleiter zugeführt wurde und aus dem Freiraumkoppler ausgetre- ten ist, nach Reflexion an dem Objekt wieder als optisches Messsignal in den gleichen Ausgangswellenleiter einzukoppeln. Alternativ kommt jedoch auch in Betracht, für den Empfang der reflektierten optischen Signale eigene Freiraumkoppler vorzusehen, die über separate Eingangswellenleiter die empfangenen optischen Signale dem Detektor zuführen. Vorzugsweise sind die Freiraumkoppler alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Wird nur entlang einer Richtung gescannt, liegen die Freiraumkoppler auf einer Geraden. 10 Die Lichtquelle ist üblicherweise als Laserlichtquelle ausgebildet, die kohärentes Licht er- zeugt. Dadurch kann es auf Objekten mit rauer Oberfläche zur Ausbildung von Speckle- mustern kommen mit der Folge, dass von einigen Abtastpunkten auf der Oberfläche auf- grund destruktiver Interferenz kein Licht empfangen werden kann. Um solche Specklemuster zu vermeiden, kann die Strahlverschiebeeinheit dazu eingerich- 5 tet sein, der Bewegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden zu überlagern. Diese überlagerte Bewegung führt dazu, dass die Lichtstrahlen sich beim Auftreffen auf das Objekt geringfügig und kontinuierlich lateral bewegen. Während zur Erhöhung der Auflösung die Lichtstrahlen auf andere Punkte auf das Objekt gerichtet werden, haben die überlagerten Bewegungen eine so kleine Amplitude, dass die Lichtstrahlen zwar im We- 20 sentlichen auf den gleichen Objektpunkt gerichtet bleiben, diesen aber so überstreichen, dass kein benachbarter Objektpunkt im Scanraster erreicht wird. Durch diese kleinen Be- wegungen, die vorgegebenen Funktionen folgen oder (quasi-)zufällig sein können, lässt sich erreichen, dass das reflektierte Laserlicht zumindest zeitweise konstruktiv interferiert, wenn es von der Vorrichtung empfangen wird. 25 Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfah- ren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt, wobei das Verfahren die fol- genden Schritte aufweist: a) Erzeugen eines optisches Signals mit einer variierenden Frequenz; b) Verteilen des optischen Signals auf mehrere optische Ausgangswellenleiter; c) Auskoppeln der in den Ausgangswellenleitern geführten optischen Signale als Licht- strahlen in den Freiraum mit Hilfe von Freiraumkopplern, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind; d) Ablenken der aus den optischen Ausgangswellenleitern austretenden optischen Sig- nale so, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden; e) Erfassen einer Überlagerung des in Schritt a) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal, das in Schritt d) abgestrahlt und von dem Objekt reflektiert wurde; f) Bestimmen des Abstands zu dem Objekt aus der in Schritt e) erfassten Überlagerung; wobei die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen zweitweise gemeinsam versetzt werden, bevor sie in Schritt d) abgelenkt werden. Die oben bezüglich der Vorrichtung erläuterten Vorteile und bevorzugten Ausführungs- beispiele gelten für das Verfahren entsprechend. So kann bei einem Ausführungsbeispiel das Substrat mit den darauf angeordneten Frei- raumkopplern bewegt werden. Insbesondere kann das Substrat translatorisch entlang ei- ner Translationsrichtung hin- und her bewegt werden, die senkrecht zu einer Austrittsrich- tung der Lichtstrahlen verläuft. In diesem Fall kann das Substrat in eine oszillierende Bewe- gung entlang der Translationsrichtung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz ver- setzt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel durchtreten die Lichtstrahlen eine transparente Planplatte, die sich zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse bewegt. In Schritt b) können die optischen Signale von einer Schaltmatrix mit mehreren optischen Schaltern wahlweise auf die mehreren optischen Ausgangswellenleiter verteilt werden, wo- bei die optischen Schalter der Schaltmatrix mit einem Versatz der Lichtstrahlen synchroni- siert werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Bewegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden zur Vermeidung von Specklemustern überlagert. 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 Messvorrichtung erfasst wird; Figur 2 eine Draufsicht auf die in der Figur 1 gezeigte Messvorrichtung; Figur 3 den Aufbau der Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung; Figur 4 einen Graphen, in dem die Frequenz der ausgesendeten optischen Signale über der Zeit aufgetragen ist; Figur 5 eine Schaltmatrix und die Ablenkoptik der in der Figur 3 gezeigten Messvorrich- tung; Figuren 6a bis 6c einen Ausschnitt aus der in der Figur 3 gezeigten Messvorrichtung in un- terschiedlichen Betriebszuständen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Substrat mit Freiraumkopplern translatorisch bewegt wird; Figuren 7a bis 7c einen Ausschnitt aus der in der Figur 3 gezeigten Messvorrichtung in un- terschiedlichen Betriebszuständen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Planplatte verkippt wird; Figur 8 eine schematische und an die Figur 5 angelehnte Darstellung von Teilen der der Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; Figur 9 eine Draufsicht auf die in der Figur 1 gezeigte Messvorrichtung, bei der die Lichtstrahlen kleine Bewegungen zur Vermeidung von Specklemustern ausfüh- ren; und Figur 9 einen Graphen, in dem die x-Koordinate des Substrats über der Zeit aufgetra- gen ist. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Anwendungsbeispiel 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 Messvorrichtung 14, die mit Hilfe von Lichtstrahlen L11, L21, L31 und L41 die vorausliegende Umgebung des Fahrzeugs 10 abtastet, um Abstandswerte zu erhalten. Aus den Abstandswerten wird ein dreidimensionales Bild der Umgebung re- konstruiert. Außerdem bestimmt die Messvorrichtung 14 die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt 12. Diese Information ist vor allem dann wichtig, wenn das Objekt 12 ein an- deres Fahrzeug oder ein Tier ist und sich ebenfalls bewegt. Die von der Messvorrichtung 14 ermittelten Informationen über die vorausliegende Um- gebung des Fahrzeugs 10 können beispielsweise dazu verwendet werden, den Fahrer des Fahrzeugs 10 assistierend bei der Fahrzeugsteuerung zu unterstützen, indem Warnmel- dungen erzeugt werden, wenn eine Kollision des Fahrzeugs 10 mit dem Objekt 12 droht. Falls das Fahrzeug 10 autonom fährt, werden die Informationen über die vorausliegende Umgebung von den Steueralgorithmen benötigt, die das Fahrzeug 10 steuern. Wie in der Figur 1 erkennbar ist, strahlt die Messvorrichtung 14 in einer vertikalen Ebene (in der Figur 1 ist dies die Papierebene) die Lichtstrahlen L11 bis L41 in unterschiedliche Richtungen ab, wodurch die Umgebung in vertikaler Richtung abgescannt wird. Gleichzei- tig findet auch ein Abscannen in horizontaler Richtung statt, wie dies die Figur 2 in einer Draufsicht auf die Messvorrichtung 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. Bevorzugt sendet die Messvorrich- tung 14 sehr viel mehr Lichtstrahlen aus. Bevorzugt sind beispielsweise k∙2n Lichtstrahlen, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 7 und 13 ist und angibt, wie viele Strahlen in einer von k Ebenen abgestrahlt werden, wobei k eine natürliche Zahl zwischen 1 und 16 ist. Messvorrichtung Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau der Messvorrichtung 14 gemäß einem Ausführungs- beispiel der Erfindung. Die Messvorrichtung 14 ist als LiDAR-System ausgebildet und um- fasst eine FMCW-Lichtquelle 16, die im Betrieb der Messvorrichtung 14 Messlicht mit einer variierenden Frequenz fchirp erzeugt. Wie die Figur 4 illustriert, variiert ("chirps") die Fre- quenz fchirp periodisch über der Zeit t zwischen einer niedrigeren Frequenz fl und einer hö- heren Frequenz fh. Jedes Messintervall mit einer Chirp-Dauer T ist in zwei Hälften gleicher Länge T/2 geteilt. Während des ersten Intervalls steigt die Frequenz fchirp linear mit einer konstanten und po- sitiven Upchirp-Rate rchirp, d.h. dfchirp/dt = rchirp. Während des zweiten Intervalls nimmt die Frequenz fchirp linear mit einer konstanten negativen Downchirp-Rate -rchirp, d.h. dfchirp/dt = -rchirp, ab. Die Frequenz des Messlichts lässt sich somit durch eine periodische Dreieckfunk- tion beschreiben. Es kommen aber auch andere funktionale Zusammenhänge in Betracht, z.B. Sägezahnfunktionen. Wie aus der Figur 3 hervorgeht, ist die Lichtquelle 16 mit einem Verzweiger 22 verbunden, der das Messlicht in Referenzlicht (lokaler Oszillator) und Ausgangslicht aufspaltet. Im dar- gestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangslicht in einem optischen Verstärker 24 verstärkt und gelangt dann zu einem optischen Zirkulator 26, der das verstärkte Messlicht zu einer Ablenkeinheit 28 leitet. Der optische Zirkulator 26 kann beispielsweise einen pola- risationsempfindlichen Strahlteiler umfassen, der mit weiteren polarisationsoptischen Ele- menten zusammenwirkt, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Anstelle des Zirkulators kann z.B. auch ein 2x2 Koppler verwendet werden, was jedoch zu höheren Lichtverlusten führt. Die Ablenkeinheit 28 richtet das Ausgangslicht auf das Objekt 12 - in Figur 3 durch ein fahrendes Auto repräsentiert - entlang verschiedener Richtungen, wie dies oben mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 erläutert wurde. Üblicherweise wird das von der Ablenkeinheit 28 abgestrahlte optische Signals zumindest teilweise diffus vom Objekt 12 reflektiert. Ein klei- ner Teil des reflektierten Signals gelangt zurück zur Messvorrichtung 14, wo es wieder in die Ablenkeinheit 28 einkoppelt. Der optische Zirkulator 26 lenkt das eingekoppelte Licht auf einen Kombinator 30, der das Referenzlicht, das durch den Verzweiger 22 vom Messlicht getrennt wurde, mit dem ein- gekoppelten Licht überlagert. Da sich die Frequenzen der überlagerten Lichtanteile ge- ringfügig voneinander unterscheiden, entsteht ein Schwebungssignal, das von einem De- tektor 32, der vorzugsweise als symmetrischer Photodetektor ausgeführt ist, erfasst wird. Die vom Detektor 32 erzeugten elektrischen Signale werden einer Recheneinheit 34 zuge- führt, die aus der Analyse von Schwebungsfrequenzen die Entfernung R zum Objekt und die Relativgeschwindigkeit v zwischen der Abtastvorrichtung 14 und dem Objekt 12 be- rechnet. Die Figur 5 zeigt Teile der Ablenkeinheit 28 in einer vereinfachten schematischen Darstel- lung. Die Ablenkeinheit 28 umfasst eine Schaltmatrix M, in der mehrere optische Schalter S11, S21 und S22 baumartig angeordnet sind. Mithilfe der optischen Schaltmatrix M kön- nen optische Signale, die an einem Eingang 36 der Schaltmatrix M eingehen, sukzessive auf mehrere Ausgangswellenleiter 38 verteilt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit weist die optische Schaltmatrix M im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich drei opti- sche Schalter auf, sodass insgesamt vier Ausgangswellenleiter 38 angesteuert werden kön- nen. In realen Messvorrichtungen 14 können acht oder mehr Schaltebenen hintereinander angeordnet sein, so dass beispielsweise 256 Ausgangswellenleiter 38 wahlweise mit dem Eingang 36 verbunden werden können. Bei anderen Ausführungsbeispielen befindet sich die Schaltmatrix M noch vor dem Ver- stärker 24 oder zwischen dem Verstärker 24 und dem Zirkulator 26. Alternative Ausgestal- tungen für die Einbindung von Schaltmatrizen in die Messvorrichtung 14 sind der europäi- schen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen EP 20176355.4 und der DE 102020110 142 A1 entnehmbar. Die Ausgangswellenleiter 38 münden in Freiraumkopplern 40, mit denen in den Ausgangs- wellenleitern 38 geführte optische Signale in den Freiraum ausgekoppelt werden können. Derartige Koppler sind an sich im Stand der Technik bekannt und können beispielsweise als Gitterkoppler ausgebildet sein, die einen sich aufweitenden Wellenleiterbereich haben, an den sich eine Gitterstruktur anschließt. Alternativ kann es sich bei den Freiraumkopp- lern 40 um Kantenkoppler handeln, die eine höhere Koppeleffizienz als Gitterkoppler ha- ben. In der Figur 5 ist erkennbar, dass die aus den Freiraumkopplern 40 divergent austretenden Lichtbündel von einer Ablenkoptik 44 kollimiert und in unterschiedliche Richtungen abge- strahlt werden. Je weiter ein Freiraumkoppler 40 von einer optischen Achse 42 der Ab- lenkoptik entfernt angeordnet ist, desto größer ist der Winkel, unter dem die kollimierten optischen Signale von der Ablenkoptik 44 abgestrahlt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Ablenkeinheit 28 auch dazu, die am Objekt 12 reflektierten optischen Signale zu empfangen und über die Freiraumkoppler 40 wieder in die Ausgangswellenleiter 38 einzukoppeln. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die reflektierten Signale von eigenen Freiraumkoppler 40 empfangen und über eigene Wellenleiter dem Detektor 32 zugeführt werden. Substratbewegung Die Figur 6a zeigt einen Ausschnitt aus der Ablenkeinheit 28 in einer ebenfalls schemati- schen Darstellung. Erkennbar ist ein Substrat 46, das acht Ausgangswellenleiter 38 trägt, die jeweils in einen Freiraumkoppler 40 münden. Die Freiraumkoppler sind dabei entlang einer Linie angeordnet. Die Ablenkoptik 44 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei asphärische Linsen L1 und L2. An dem Substrat 46 greift seitlich ein Translationsaktor 54 an, der beispielsweise als Tauchspulenantrieb ausgebildet sein kann. Der Translationsaktor 54 wirkt mit einer oder mehreren Führungen 56 zusammen, die auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 46 angeordnet sind. Die Führungen 56 stellen sicher, dass das Substrat 46 ausschließlich laterale, d.h. senkrecht zur optischen Achse 42, gerichtete Translationsbewegungen aus- führen kann. Die vom Translationsaktor 54 bewirkten Hin- und Her-Bewegungen sind in der Figur 6a durch einen Doppelpfeil 58 angedeutet. Bei dem in der Figur 6a gezeigten Schaltzustand der Schaltmatrix M tritt aus zwei Frei- raumkopplern 40 Licht aus, was durch zwei zunächst divergierende Lichtstrahlen R1, R2 angedeutet ist. Wie oben bereits erwähnt wurde, kollimiert die Ablenkoptik 44 die Licht- strahlen R1, R2, so dass diese parallel, aber bezüglich der optischen Achse 42 geneigt die Ablenkoptik 44 verlassen. Die Figur 6b zeigt die in der Figur 6a wiedergegebene Anordnung im gleichen Schaltzu- stand, aber nach einem lateralen Versatz des Substrats 46 um einen Betrag ∆x, der von dem Translationsaktor 54 bewirkt wurde. Der Versatz ∆x entspricht dabei dem halben Ab- stand (engl. pitch) zwischen den Freiraumkopplern 40. Infolge dieser Bewegung werden die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen R1‘, R2‘ parallel versetzt. In der Figur 6a sind die vor dem lateralen Versatz aus den Freiraumkopplern austretenden Licht- strahlen R1, R2 mit gepunkteten Linien angedeutet. Die versetzten Lichtstrahlen treten aus der Ablenkoptik 44 unter einem anderen Winkel aus, wie dies in der Figur 6b rechts erkennbar ist. Für den Lichtstrahl R1‘ bedeutet der Ver- satz, dass er näher an der optischen Achse 42 austritt, so dass der Austrittswinkel aus der Ablenkoptik 44 kleiner wird. Für den Lichtstrahl R2‘ liegen die Verhältnisse umgekehrt (nicht dargestellt), d.h. der Austrittswinkel wird größer. Durch den lateralen Versatz des Substrats 46 werden also zwei zusätzliche Austrittswinkel erzeugt, die man allein mit Hilfe der Schaltmatrix M nicht erhalten kann. Die Figur 6c zeigt die in der Figur 6b wiedergegebene Anordnung, nachdem mit Hilfe des Translationsaktor 54 das Substrat wieder in seine in der Figur 6a gezeigte Ausgangsposi- tion überführt wurde. Dies entspricht einer Bewegung um die Strecke -∆x. Die Schaltmatrix M befindet sich nun aber im nächsten Schaltzustand. Wie sich aus einem Vergleich der Fi- guren 6a und 6c ergibt, wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die Schaltmatrix M so angesteuert, dass die Ausgangswellenleiter 38 sukzessive von einer Seite zur gegenüber- liegenden Seite durchgeschaltet werden, wobei immer jeder vierte Ausgangswellenleiter 38 Licht führt. Die nun austretenden Lichtstrahlen R1‘‘ und R2‘‘ haben wieder andere Aus- trittswinkel als die Lichtstrahlen R1, R2, R1‘ und R2‘. Durch die in der Figur 6b gezeigte Zwischenstellung, die allein durch Bewegen des Sub- strats 46 bewirkt wird, entsteht somit ein virtueller zusätzlicher Schaltzustand, bei dem die Strahlen R1‘, R2‘ scheinbar von Freiraumkopplern 40‘ abgestrahlt werden, die zwischen den in den Figuren 6a und 6c gezeigten Freiraumkopplern 40 angeordnet sind. Mit ande- ren Worten führt die Bewegung des Substrats 46 senkrecht zur optischen Achse 42 dazu, dass scheinbar doppelt so viele Freiraumkoppler (Freiraumkoppler 40 und Freiraumkopp- ler 40‘) zur Verfügung stehen, wie sie eigentlich vorhanden sind. Auf diese Weise wird die Auflösung der Messvorrichtung 14 verdoppelt, ohne dass die Zahl der Ausgangswellenlei- ter 38 und der Freiraumkoppler 40 erhöht werden muss. Die Verdoppelung der Auflösung wird allein durch den geringfügigen Versatz um die Strecke ∆x erzielt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Substrat 46 intermittierend hin- und her- bewegt, wobei bei jeder zweiten Bewegung der Schaltzustand der Schaltmatrix M verän- dert wird. Es sind aber auch andere Schemata denkbar, da es im Allgemeinen nicht darauf ankommt, in welcher Reihenfolge die Lichtstrahlen auf das Objekt 12 gerichtet werden. Entscheidend ist allein, ob innerhalb eines Scanzyklus alle im Abtastraster liegenden Punkte auf dem Objekt 12 abgetastet werden. Möglich ist es daher beispielsweise auch, zuerst der Reihe nach die Freiraumkoppler 40 mithilfe der Schaltmatrix M durchzuschalten und erst dann das Substrat 46 mithilfe des Translationsaktors 54 zu versetzen. Nach diesem Versatz werden alle Freiraumkoppler 40 erneut durchgeschaltet, wobei nun jedoch die in der Figur 6b gezeigten Zwischenstellun- gen angefahren werden. Ein solches Schaltschema benötigt weniger Bewegungen des Substrats 46 und ist deswegen in vielen Fällen vorteilhaft. Der Translationsaktor 54 kann das Substrat 46 auch in eine harmonische Schwingung ver- setzen, die in der gewünschten Weise (d.h. abhängig vom gewählten Schaltschema) mit den optischen Schaltern der Schaltmatrix M synchronisiert ist. Der Translationsaktor 54 und die Schaltmatrix M sind zu diesem Zweck vorzugsweise mit einer gemeinsamen Steu- ereinrichtung 59 verbunden. Verkippte Planplatte Die Figuren 7a, 7b und 7c zeigen in an die Figuren 6a bis 6c angelehnten Darstellungen ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein paralleler Versatz der aus den Freiraumkopp- lern 40 austretenden Lichtstrahlern R1, R2 nicht durch eine Bewegung des Substrats 46, sondern durch Verkippen einer für die Lichtstrahlen R1, R2 transparenten Planplatte 60 be- wirkt wird, die zwischen dem Substrat 46 und der Ablenkoptik 44 angeordnet ist. Falls die Ablenkoptik 44 über eine Zwischenbildebene verfügt, kann die Planplatte 60 auch dort an- geordnet sein. Die Planplatte 60 ist mithilfe eines lediglich schematisch angedeuteten Drehaktors 62 um eine Drehachse 63 verkippbar, die in einem Winkel von 90° zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen R1, R2 und damit parallel zur optischen Achse 42 verläuft. Die Figur 7b illustriert, wie durch eine Verkippung der Planplatte 60 um einen kleinen Win- kel die Strahlen R1‘, R2‘ parallel versetzt werden und dadurch unter einem anderen Winkel aus der Ablenkoptik 44 austreten. Mit gepunkteten Linien ist der Strahlengang der Strah- len R1, R2 für den unverkippten Zustand gemäß der Figur 7a zum Vergleich gezeigt. Aus dem strichpunktierten Strahlengang wird deutlich, dass die aus der verkippten Planplatte 60 austretenden Strahlen R1‘, R2‘ von einem virtuellen Freiraumkoppler 40‘ zu kommen scheinen, der sich zwischen zwei benachbarten Freiraumkopplern 40 befindet. Durch die Verkippung der Planplatte 60 wird somit im Wesentlichen der gleiche Effekt er- zielt wie durch den lateralen Versatz des Substrats 46 beim ersten Ausführungsbeispiel. Dementsprechend sind auch hier unterschiedliche Schaltschemata möglich. Bei dem Aus- führungsbeispiel gemäß den Figuren 7a bis 7c wurde das gleiche Schaltschema zugrunde gelegt wie bei den Figuren 6a bis 6c. Der Schaltzustand der Schaltmatrix M wechselt somit nach jeder zweiten Kippbewegung der Planplatte 60. Das Zusammenwirken der Schaltmatrix M und der Planplatte 60 ist nochmals in der der schematischen Figur 8 illustriert. Die möglichen Lichtwege der austretenden Lichtstrahlen R1 bis R4 sind bei unverkippter Planplatte 60 mit durchgezogenen Linien angedeutet. Wird die Planplatte 60 verkippt, werden die austretenden Lichtstrahlen lateral versetzt. Der Kippwinkel der Planplatte 60 ist bei dem in der Figur 8 gezeigten Ausführungsbeispiel so gewählt, dass der Versatz der Hälfte des lateralen Abstands der Lichtstrahlen R1 bis R4 be- trägt. Auf diese Weise wird die Winkelauflösung hinter der Ablenkoptik 44 so verdoppelt, dass ein gleichmäßiges Winkelspektrum erzielt wird. Vermeidung von Specklemustern Aufgrund der Kohärenz der FMCW-Lichtquelle 16 kann es auf Objekten mit rauer Oberflä- che zur Ausbildung von Specklemustern kommen. Von einigen Abtastpunkten auf der Oberfläche kann dann aufgrund destruktiver Interferenz kein Licht empfangen werden. Derartige Specklemuster lassen sich vermeiden, wenn die ausgesandten Lichtstrahlen wäh- rend der Messung nicht statisch auf den gewünschten Abtastpunkte gerichtet werden, sondern kleine Bewegungen vollführen, so dass die ausgeleuchteten Lichtflecken über den jeweiligen Abtastpunkt auf der Oberfläche wandern. Die Figur 9 zeigt dies in einer an die Figur 2 angelehnten Darstellung. Die Lichtstrahlen L11 bis L14 sind nicht stationär, sondern wandern über die Messpunkte des gewünschten Messpunktrasters, wie dies durch gestri- chelte Linien angedeutet ist. Solche sich geringfügig bewegenden Lichtstrahlen L11 bis L14 können erzeugt werden, wenn der oben geschilderten Bewegung des Substrats 46 oder der Planplatte 60 eine wei- tere Bewegung mit kleinerer Amplitude überlagert wird. Diese überlagerte Bewegung führt dazu, dass die Lichtstrahlen L11 bis L14 sich beim Auftreffen auf das Objekt 12 ge- ringfügig und kontinuierlich lateral bewegen, wie dies die Figur 9 illustriert. In dem Graphen der Figur 10 ist beispielhaft die x-Koordinate des Substrats 46, die von dem Translationsaktor 54 bei dem in den Figuren 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel verändert wird, als Funktion der t Zeit aufgetragen. Man erkennt, dass die x-Koordinate zwischen den Werten x1 und x2 intermittierend wechselt, wobei der Versatz Δx gegeben ist durch x2 – x1. Dieser Bewegung ist eine weitere Bewegung mit deutlich kleinerer maximaler Amplitude Δx´ überlagert, die der Vermeidung von Specklemustern dient. Diese Bewegung kann einer vorgegebenen Funktion folgen oder – wie in der Figur 10 angedeutet – (pseudo-)zufällig sein. Vorzugsweise gilt für die Amplitude Δx´ dieser überlagerten Bewe- gung die Beziehung |Δx´| ≤ 1/100 |Δx|, vorzugsweise |Δx´| ≤ 1/1000 |Δx|.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), mit einer Lichtquelle (16), die dazu eingerichtet ist, ein optisches Signal mit einer vari- ierenden Frequenz zu erzeugen, einer Verteilmatrix (M), die dazu eingerichtet ist, das optische Signal gleichzeitig auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (38) zu verteilen, mehreren Freiraumkopplern (40), die auf einem gemeinsamen Substrat (46) ange- ordnet und dazu eingerichtet sind, die in den Ausgangswellenleitern (38) geführ- ten optischen Signale als Lichtstrahlen (L11 bis L14; R1 bis R4) in den Freiraum auszukoppeln, einer Ablenkoptik (44), die dazu eingerichtet ist, die aus den optischen Ausgangs- wellenleitern (38) austretenden optischen Signale so abzulenken, dass sie gleich- zeitig in unterschiedliche Richtungen von der Vorrichtung (14) abgestrahlt wer- den, mindestens einem Detektor (32), der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung des von der Lichtquelle (16) erzeugten optischen Signals mit einem optischen Signal zu erfassen, das von dem Objekt (12) reflektiert wurde, eine Auswerteeinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, aus der von dem mindes- tens einen Detektor (32) erfassten Überlagerung einen Abstand zu dem Objekt (12) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strahlverschiebeeinheit aufweist, die einen Aktor (54; 62) zur Erzeugung einer Bewegung aufweist und dazu eingerichtet ist, die aus den Frei- raumkopplern austretenden Lichtstrahlen (R1 bis R4) zeitweise gemeinsam zu versetzen, bevor sie auf die Ablenkoptik (44) auftreffen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Translati- onsaktor (54) ist, der dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) mit den darauf angeord- neten Freiraumkopplern (40) zu bewegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Translationsaktor (54) dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) translatorisch entlang einer Translations- richtung (x) hin- und her zu bewegen, die senkrecht zu einer Austrittsrichtung (z) der Lichtstrahlen verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Translations- aktor (54) dazu eingerichtet ist, das Substrat (46) in eine oszillierende Bewegung ent- lang der Translationsrichtung (x) mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und 100 Hz zu versetzen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Translationsaktor (48) einen Tauchspulenantrieb (520, 54) aufweist, der an dem Substrat (46) angreift.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlverschiebeeinheit eine für die Lichtstrahlen transparente Planplatte (60) aufweist und dass der Aktor ein Drehaktor (62) ist, der dazu eingerichtet ist, die Plan- platte (60) zwischen mindestens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse (63) zu bewegen, die in einem Winkel zu einer Austrittsrichtung (z) der Lichtstrahlen (R1, R2) verläuft.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilmatrix eine Schaltmatrix (M) mit mehreren optischen Schaltern (S111, S21, S22) und dazu eingerichtet ist, das optische Signal wahlweise auf die mehreren optischen Ausgangswellenleiter (38) zu verteilen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (59), die dazu eingerichtet ist, die optischen Schalter (S11, S21, S22) der Schaltmatrix (M) mit einem von der Strahlverschiebeeinheit bewirkten Versatz der Lichtstrahlen (R1, R2) zu synchronisieren.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumkoppler (40) in einer Ebene angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlverschiebeeinheit dazu eingerichtet ist, der Bewegung eine weitere Be- wegung mit kleineren Amplituden (Δx´) zur Vermeidung von Specklemustern zu über- lagern.
11. Verfahren (14) zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt (12), wobei das Verfahren die folgenden Schritt aufweist: a) Erzeugen eines optisches Signals mit einer variierenden Frequenz; b) Verteilen des optischen Signals auf mehrere optische Ausgangswellenleiter (38); c) Auskoppeln der in den Ausgangswellenleitern (38) geführten optischen Signale als Lichtstrahlen in den Freiraum mit Hilfe von Freiraumkopplern (40), die auf ei- nem gemeinsamen Substrat (46) angeordnet sind; d) Ablenken der aus den optischen Ausgangswellenleitern (38) austretenden opti- schen Signale so, dass sie gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden; e) Erfassen einer Überlagerung des in Schritt a) erzeugten optischen Signals mit ei- nem optischen Signal, das in Schritt d) abgestrahlt und von dem Objekt (12) re- flektiert wurde; f) Bestimmen des Abstands zu dem Objekt (12) aus der in Schritt e) erfassten Über- lagerung; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die aus den Freiraumkopplern austretenden Lichtstrahlen zweitweise gemeinsam ver- setzt werden, bevor sie in Schritt d) abgelenkt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (46) mit den darauf angeordneten Freiraumkopplern (40) bewegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen eine transparente Planplatte (60) durchtreten, die sich zwischen mindes- tens zwei Winkelstellungen bezüglich einer Drehachse (59) )bewegt, die in einem Win- kel zu einer Austrittsrichtung der Lichtstrahlen (R1, R2) verläuft.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Be- wegung eine weitere Bewegung mit kleineren Amplituden (Δx´) zur Vermeidung von Specklemustern überlagert wird.
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