WO2015165663A1 - 3d-laserscanner - Google Patents

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WO2015165663A1
WO2015165663A1 PCT/EP2015/056584 EP2015056584W WO2015165663A1 WO 2015165663 A1 WO2015165663 A1 WO 2015165663A1 EP 2015056584 W EP2015056584 W EP 2015056584W WO 2015165663 A1 WO2015165663 A1 WO 2015165663A1
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primary beam
mirror structure
generated
distance
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PCT/EP2015/056584
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Christoph Delfs
Frank Fischer
Reiner Schnitzer
Heiko Ridderbusch
Niklas Dittrich
Gael Pilard
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18341—Intra-cavity contacts

Definitions

  • the invention is based on a module according to the preamble of claim 1.
  • Laser scanners are well known. For example, laser scanners can be used to capture a three-dimensional (3D) shape of an object. Such laser scanners are also referred to as 3D scanners.
  • Measurement of an object positioned in a detection zone has the advantage over the prior art that the object is measured by the use of a semiconductor laser component with comparatively high precision and the module nevertheless has a comparatively compact construction, since the
  • Semiconductor laser device is configured both for generating the primary beam and for detecting the secondary signal. This is preferred
  • Semiconductor laser device a monolithic semiconductor device.
  • a laser light source and an optical Detection device are monolithically integrated in the semiconductor laser device, wherein the optical detection device comprises a photodetector whose signal is preferably used for distance and / or speed measurement.
  • a measurement of the object is to be understood to mean data acquisition in order to produce a three-dimensional shape - ie. a spatial body geometry or shape - to capture the object.
  • the term module preferably comprises a component that can be integrated in a multiplicity of different electrical devices in an adapted manner.
  • the object is a spatial-physical object that is positioned in the location zone.
  • the location information preferably refers to a location of a point on a surface of the object, where location here means in particular that a position coordinate of the point on the surface of the object is detected.
  • the position coordinate refers to a position of the point relative to the module and / or to a position of the point relative to another position of another point on the surface of the object, in particular the point and the further point along a scanning line associated with the scanning movement are arranged on the surface of the object.
  • the secondary signal is in particular by
  • the secondary signal is, in particular, the portion of the reflection signal that can be detected by the module, which returns to the module.
  • the semiconductor laser component is a laser light source for generating the radiated into the detection zone primary beam, the primary beam having, for example, visible light and / or infrared light.
  • the scanning movement of the primary beam is preferably a line-like and / or raster-like movement of the primary beam, wherein the scanning movement preferably takes place along a radiating surface.
  • the scanning movement is preferably a periodic pivoting movement between two
  • the module can be integrated in a variety of different electrical devices according to the modular principle in a flexible manner.
  • that is Module configured such that the module in smart phones, tablet computers, Pikoesseoren and / or other portable electrical devices can be integrated.
  • Advantageous embodiments and developments of the invention are the dependent claims, as well as the description with reference to the
  • Semiconductor laser device is a Doppler sensor, wherein the Doppler sensor is in particular a surface-emitting laser with vertical cavity (VCSEL) or surface-emitting laser with external vertical cavity (VeCSEL).
  • VCSEL surface-emitting laser with vertical cavity
  • VeCSEL surface-emitting laser with external vertical cavity
  • the primary beam is a Gaussian beam, so that in particular a comparatively simply constructed collimating optics is used for the module for collimation of the primary beam generated by the VCSEL.
  • the VCSEL is in a multi-wavelength laser module - i. a red-green-blue (RGB) module or infrared (I R) module or RGB-I R module - integrated.
  • the scanning mirror structure is a microelectromechanical system (M EMS).
  • M EMS microelectromechanical system
  • the module is configured for measuring the object in a distance operating mode and / or in a speed operating mode, wherein the module is configured such that in the distance operating mode and / or in the distance operating mode
  • the detection occurs at very high scanning speeds - i. Scan speeds in the
  • the module is configured in the distance mode for generating the image information as a function of a distance detection with respect to a distance between the module and the object, wherein the module is configured in particular for distance detection as a function of a modulation of the primary signal with a modulation signal is.
  • the three-dimensional measurement of the surface (or shape or contour) of the object (object surface) to take place in the distance operating mode (which is also referred to as the distance mode) such that a location or projection point is hit by the primary laser beam or is illuminated so that the secondary signal is generated and in response to a detection of the secondary signal (with the Doppler sensor) the location information is generated, so that the location information information with respect to a distance (distance value) has.
  • the distance operating mode which is also referred to as the distance mode
  • Secondary signal is configured, wherein the module is in particular configured such that the image information is generated as a function of the Doppler frequency and a scan speed of the scanning movement of the primary beam.
  • Speed - of the generated during the scanning movement on the object surface projection point - is detected by the Doppler sensor, wherein the object surface with the (moving) primary beam is scanned (scanned).
  • the Doppler sensor wherein the object surface with the (moving) primary beam is scanned (scanned).
  • Main direction of extension of the primary beam - is the distance of the
  • Projection point to the Doppler sensor - i. substantially parallel to the main extension direction of the primary beam - modified such that a detection signal (measurement signal) generated as a function of the detected secondary signal has information regarding the movement of the projection point along the contour of the object, wherein the movement of the
  • the projection point is detected as the effective velocity (i.e., the effective velocity of the object relative to the module due to the movement of the point along the contour of the object) (Doppler effect).
  • the module is preferably configured such that a distance change or distance change between two different projection points on the object surface is detected as a function of the detected Doppler frequency and the distance change can be derived from the detection signal.
  • the Doppler frequency depends on a scan speed of the primary beam (i.e., an angular velocity or rate of change) and the geometry of the object surface
  • the module for generating position data is configured with respect to a position of the module, wherein the module for measuring the object is configured in dependence of the position data and / or
  • the module for measuring the object is configured by feature recognition.
  • the module has a
  • microelectromechanical inertial sensor for generating the position data.
  • Another object of the present invention is an electrical device with a module according to the invention, wherein the electrical device a
  • Laser scanner for measuring the object with respect to a three-dimensional shape of the object.
  • Object surface for example, edges
  • the module prefferably be operated in a distance operating mode and / or in a speed operating mode in such a way that image information relating to a three-dimensional shape of the object is generated, with the image information being dependent on the location information and the deflection position of the object Scan mirror structure is generated.
  • Object surface profile of the object is detected by distance detection, wherein during the distance detection, the primary signal is modulated with a modulation signal.
  • an object surface profile of the object is dependent on frequency detection a Doppler frequency of the secondary signal is detected, wherein the
  • Image information is generated as a function of the detected Doppler frequency, wherein the image information is generated in particular as a function of the scanning speed of the scanning movement of the primary beam.
  • FIGS. 4 to 7 show a semiconductor laser component of a module according to FIG.
  • the module 1 shows a module 2 according to an embodiment of the present invention in a schematic view.
  • the module 2 is configured here for locating an object 4 arranged in a radiating surface 30.
  • the module 2 is configured such that the primary beam 3 is a scanning movement in the
  • Substantially along the radiating surface 30 performs, wherein a secondary signal 5 is detected when the primary beam 3 with the positioned in the radiating surface 30 object 4 interacts such that the secondary signal 5 is generated.
  • the secondary signal 5 by reflection of the
  • Location of the object 4 here means a position determination of the entire object or only one point on an object surface (for example, a projection point generated by the primary beam 3 on a surface of the object 4), wherein the position determination on a determination of a distance or a distance between module. 2 and object 4 or
  • Object surface refers and / or to a determination of a position of the (with the point on the object surface related) projection point relative to a (with another point on the object surface
  • the module 2 preferably has a first submodule 21, a second submodule 22, a third submodule 23, a fourth submodule 24, a fifth submodule 25, a sixth submodule 26, a seventh submodule 27, an eighth submodule 28 and / or further submodules.
  • a modularized module 2 is provided, which is flexibly adaptable to a variety of different electrical devices 1 and / or applications, for example, according to the modular principle.
  • the first submodule 21 is a light module 21 configured to generate the primary beam 3 and / or a further primary beam 3 'and / or the second submodule 22 is a to
  • the light module 21 has a semiconductor laser component 6 (hereinafter also referred to as a light source) for generating a primary beam 3.
  • the light source is preferably a light-emitting diode, particularly preferably a laser diode or a surface emitter, for example a VCSEL.
  • the primary beam 3 generated by the light source 6 is a visible light beam 3 - i. Light from about 380 nanometers (nm) to 780 nm wavelength - or an infrared (IR) light beam.
  • the scan module 22 here has the scanning mirror structure 7, 7 'with the
  • the module 2 is configured such that the primary beam 3 is deflected by the scanning mirror structure 7 in such a way that the primary beam 3 extends substantially along the (planar) radiating surface 30.
  • the scanning mirror element 7 is adjustable into a plurality of deflection positions in a region between two maximum deflection positions (of the scanning mirror element 7 and of the further scanning mirror element 7 ').
  • a first maximum deflection position of the two maximum deflection positions the primary beam 3 is emitted by the scanning mirror structure 7 in a first emission direction 101 'along the emission surface 30.
  • the location limits 101', 101" of the location zone 30 are defined here.
  • the terms locating zone 30 and radiating surface 30 have the same meaning.
  • the micromechanical scanning mirror element 7 is configured in such a way that the scanning mirror element 7 executes a deflection movement between the two maximum deflection positions when a control signal is applied to the scanning mirror element 7.
  • the primary beam 3 is a laser beam 3.
  • the primary beam 3 is moved during the scanning movement at a scanning frequency, wherein the scanning frequency is associated with a scanning period of the scanning movement.
  • the primary beam 3 is converted from the first detection limit 101 '(represented by a primary beam with reference number 3') to the second detection limit 101 ".
  • the scanning frequency is in particular between 1 hertz (Hz) and 100 kilohertz (kHz), particularly preferably between 1 Hz and 50 kHz, especially preferably between 1 Hz and 30 kHz.
  • the primary beam 3 is emitted in a radiation direction 101.
  • an object 4 such as a user's finger 4
  • the radiating surface 30 such that the object 4 contacts the radiating surface 30, it is caused by interaction - i.
  • reflection of the primary beam 3 with the object 4 generates the secondary signal 5.
  • the object 4 is moved into the emission surface 30 by an object movement of the object 4 along a projection direction 103 perpendicular to the emission surface 30, so that the object 4 is arranged or positioned in the emission surface 30.
  • the secondary signal 5 is generated when the primary beam 3 (during the scanning movement) is radiated in the emission direction 101.
  • the light source 6 is configured both to generate the primary beam 3 and to detect the secondary signal 3 (ie, the light source 6 includes an optical detection element monolithically integrated with the light source).
  • the light source 6 is a VCSEL.
  • the module 2 is preferably configured to generate a detection signal as a function of the secondary signal 5 detected by the optical detection element 9.
  • the module 2 is configured to generate location information as a function of the detection signal.
  • the module 2 is configured to generate a position detection signal with respect to a deflection position of the scanning mirror element 7 and / or a further deflection position of the further scanning mirror element 7 'during the detection of the secondary signal 5 in such a way that the Positioning information is generated time-resolved in response to the detection signal and the location detection signal.
  • the module 2 is configured to generate a position detection signal with respect to a deflection position of the scanning mirror element 7 and / or a further deflection position of the further scanning mirror element 7 'during the detection of the secondary signal 5 in such a way that the Positioning information is generated time-resolved in response to the detection signal and the location detection signal.
  • the module 2 is configured to generate a position detection signal with respect to a deflection position of the scanning mirror element 7 and / or a further deflection position of the further scanning mirror element 7 'during the detection of the secondary signal 5 in such a way that the Positioning information is generated time-resolved in response to the
  • Location information a distance information with respect to a distance of the object 4 to the module 2 and / or an orientation information with respect to an orientation direction of the object 4 relative to the module 2 and / or a
  • FIG. 2 shows a module 2 according to an embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown here corresponds to
  • the module 2 here has the first submodule 21, the second submodule 22, the third submodule 23, the fourth submodule 24 and the fifth submodule 25.
  • the first sub-module 21 (light module) has a light source 6 and a
  • the light source 6 is a (VCSEL or VeCSEL) Doppler sensor, wherein the Doppler sensor is configured such that a
  • Primary beam 3 (see, for example, Figure 2) is sent to the second sub-module 22 (MEMS scan module).
  • the primary beam is an infrared (IR) laser beam.
  • the second sub-module 22 includes here a
  • the scanning mirror structure 7, 7 ' with at least one MEMS scanning mirror element 7.
  • the scanning mirror structure comprises a further mirror element 7'.
  • the scanning mirror structure 7, 7 ' is adjustable - i. a position of the at least one MEMS scanning mirror element 7 can be changed and detected by means of a position detection sensor element (not shown here).
  • the module 2 preferably has a wide-angle optical system 8 (for example a lens optic or a concave mirror structure or convex mirror structure, in particular cylindrical).
  • the Doppler sensor 6 is electrically conductive with a third sub-module 23 (First control and / or
  • Submodule 23 in particular for controlling the Doppler sensor 6 and / or for generating a detection signal in response to a detection of the
  • the scan module 22 is electrically conductively connected (connected) to a fifth submodule 25 (second control and / or detection module) of the module 2, wherein the fifth sub-module 25 in particular for driving and / or
  • Generation of a position detection signal (depending on a location detection of a layer of the MEMS mirror element 7) is configured so that the
  • Location detection signal in particular information relating to a
  • Angular position of the scanning mirror element 7 includes.
  • a fourth sub-module 24 (evaluation module), wherein the evaluation module 24 is in particular configured such that a location information - in particular with respect to a distance and / or speed of
  • Detection signal and the position detection signal determines - i. in particular clearly assigned to an angular position - is.
  • the location information i.e., an evaluated position signal, in particular a raw data signal having image information relating to the measured three-dimensional shape of the object 4) is transmitted to an application processor (not shown).
  • the application processor is integrated in the module 2 or an application processor of an electrical device (in which the module 2 is integrated) or another external electrical device.
  • the third, fourth and fifth sub-modules 23, 24, 25 are integrated in the same circuit or separate circuit elements.
  • FIG. 3 shows a module 2 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 With reference to Figure 3 below is the
  • the semiconductor laser component 6 (VCSEL or VeCSEL Doppler sensor) of the first submodule 21 becomes the primary beam
  • the scanning mirror structure 7, 7 comprises the MEMS scanning mirror element 7, wherein the MEMS scanning mirror element 7 either a one-dimensional
  • a secondary signal 5 is detected by the semiconductor laser device 6, if in the Deflection of the scanning mirror structure 7, 7 'of the primary beam 3 interacts with the object 4.
  • the primary beam 3 is shown at different angular positions (deflecting positions of the scanning mirror structure 7, 7 ') during the scanning movement.
  • the primary beam strikes different points on the object surface of the object 4 (here a face) at different times during the scan motion, so that each point on the object surface is assigned a distance between the point and the Doppler module 6.
  • location information is detected as a function of (time-resolved)
  • the distance between projection point 4' and Doppler sensor 6 is preferably in
  • Speed mode of operation of module 2 is determined. Further preferably, a movement of the object 4 along a connecting line between the module 2 and the object 4 is detected if the detection of a speed of a projection point along the surface of the object 4
  • (Surface speed) in a period of time is less than a period with respect to a scanning frequency of the scanning movement.
  • FIG. 4 shows a semiconductor laser component 6 of a module 2 according to FIG.
  • the semiconductor laser device 6 - preferably a Doppler sensor - is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • Semiconductor laser device 6 is applied here on a substrate 610.
  • the semiconductor laser device 6 has a layered structure along a normal direction 103 perpendicular to a main plane 100 of the substrate 610, the semiconductor laser device 6 having a mirror layer 620 (i.e.
  • Lower mirror element with a reflectivity of more than 99.9 percent another mirror layer 620 '(ie, a top mirror element with a Reflectivity of about 99 percent) and a resonator layer 630 (ie an optical resonator or a laser cavity) arranged between the mirror layer 620 and the further mirror layer 620 ', wherein the
  • Resonator layer 630 extends along a layer thickness, in particular along the normal direction 103, wherein the layer thickness substantially equal to one
  • the resonator layer 630 here has a reinforcing element 631, wherein the reinforcing element 631 is arranged between two oxide layers 632 of the resonator layer 630.
  • Semiconductor device 6 is configured to generate the primary beam 3, the primary beam 3 here being a laser beam 3, the laser beam 3
  • Semiconductor laser device in response to an injection current signal 601 'is controllable.
  • FIGS. 5 to 7 show a semiconductor laser component 6 of a module 2 according to different embodiments of the present invention
  • the semiconductor laser device 6 is configured as a VCSEL Doppler sensor. Basically, at least three
  • the detection signal is generated by power detection outside the optical resonator 630 as a function of reflection or absorption.
  • a second detection variant see FIG. 5
  • the detection signal is generated by power detection outside the optical resonator 630 as a function of reflection or absorption.
  • FIG. 5 illustrates a detection according to the first detection variant, wherein a light signal reflected by a cover element 603 is detected by a silicon photodetector 610 'outside the semiconductor laser component 6.
  • FIG. 6 shows a detection according to FIG illustrated the second detection variant, here the
  • FIG. 7 illustrates a detection according to the third detection variant, in which case the semiconductor laser component 6 has the n-doped internal contact means 604 (intracavity contact) and another contact means 605 '(here an intracavity photodiode contact)

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Abstract

Es wird ein Modul (2) zur Vermessung eines in einer Ortungszone (30) positionierten Objekts (4) vorgeschlagen, wobei das Modul (2) zur Erzeugung eines Primärstrahls (3, 3', 3'') konfiguriert ist, wobei das Modul (2) eine Scanspiegelstruktur (22) aufweist, wobei die Scanspiegelstruktur (22) derart steuerbar ist, dass von dem Primärstrahl (3, 3', 3'') eine Scanbewegung (31) in der Ortungszone durchgeführt wird, wobei das Modul (2) derart konfiguriert ist, dass ein Sekundärsignal (5) detektierbar ist, wenn das Sekundärsignal (5) durch Wechselwirkung des Primärstrahls (3, 3', 3'') mit dem Objekt (4) in einer Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur (22) erzeugt wird, wobei das Modul (2) zur Erzeugung einer Ortungsinformation in Abhängigkeit der Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur (22) konfiguriert ist, wobei das Modul (2) ein Halbleiterlaserbauelement (6) aufweist, wobei das Halbleiterlaserbauelement (6) zur Erzeugung des Primärstrahls (3, 3', 3'') und zur Detektion des Sekundärsignals (5) konfiguriert ist.

Description

Beschreibung Titel
3D-Laserscanner Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Laserscanner sind allgemein bekannt. Beispielsweise können Laserscanner dazu verwendet werden, eine dreidimensionale (3D) Form eines Objekts zu erfassen. Solche Laserscanner werden auch als 3D-Scanner bezeichnet.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Modul vorzuschlagen, welches im Vergleich zum Stand der Technik die Bereitstellung eines
kompakteren und kostengünstigeren Aufbaus eines 3D-Scanners erlaubt und darüber hinaus insbesondere eine vergleichsweise präzise Vermessungen des Objekts ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Modul und das erfindungsgemäße Verfahren zur
Vermessung eines in einer Ortungszone positionierten Objekts gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Objekt durch die Verwendung eines Halbleiterlaserbauelement mit vergleichsweise hoher Präzision vermessen wird und das Modul dennoch einen vergleichsweise kompakten Aufbau aufweist, da das
Halbleiterlaserbauelement sowohl zur Erzeugung des Primärstrahls als auch zur Detektion des Sekundärsignals konfiguriert ist. Bevorzugt ist das
Halbleiterlaserbauelement ein monolithisches Halbleiterbauelement. Das bedeutet insbesondere, dass eine Laserlichtquelle und eine optische Detektionsanordnung in dem Halbleiterlaserbauelement monolithisch integriert sind, wobei die optische Detektionsanordnung einen Photodetektor umfasst, dessen Signal bevorzugt zur Distanz- und/oder Geschwindigkeitsmessung verwendet wird. .
Insbesondere soll unter einer Vermessung des Objekts eine Datenerfassung verstanden werden, um eine dreidimensionale Form - d.h. eine räumlichkörperliche Geometrie oder Gestalt - des Objektes zu erfassen. Bevorzugt umfasst der Begriff Modul ein in eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Geräte in angepasster Weise integrierbares Bauelement. Beispielsweise ist das Objekt ein räumlich-körperlicher Gegenstand, der in der Ortungszone positioniert ist. Die Ortungsinformation bezieht sich bevorzugt auf eine Ortung eines Punktes auf einer Oberfläche des Objekts, wobei Ortung hier insbesondere bedeutet, dass eine Positionskoordinate des Punktes auf der Oberfläche des Objekts detektiert wird. Die Positionskoordinate bezieht sich insbesondere auf eine Position des Punktes relativ zum Modul und/oder auf einer Position des Punktes relativ zu einer weiteren Position eines weiteren Punktes auf der Oberfläche des Objekts, wobei insbesondere der Punkt und der weitere Punkt entlang einer mit der Scanbewegung zusammenhängenden Scanlinie auf der Oberfläche des Objekts angeordnet sind. Das Sekundärsignal wird insbesondere durch
Wechselwirkung (Reflexion) des Objekts mit dem in der Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur abgestrahlten Primärstrahls erzeugt. Das Sekundärsignal ist insbesondere der durch das Modul detektierbare Anteil des Reflexionssignals, welches zum Modul zurückgelangt. Bevorzugt ist das Halbleiterlaserbauelement eine Laserlichtquelle zur Erzeugung des in die Ortungszone abgestrahlten Primärstrahls, wobei der Primärstrahl beispielsweise sichtbares Licht und/oder Infrarotlicht aufweist. Die Scanbewegung des Primärstrahls ist bevorzugt eine zeilenartige und/oder rasterartige Bewegung des Primärstrahls, wobei die Scanbewegung bevorzugt entlang einer Abstrahlfläche erfolgt. Bevorzugt ist die Scanbewegung eine periodische Schwenkbewegung zwischen zwei
Ortungsgrenzen der Ortungszone.
Bevorzugt ist das Modul in eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Geräte nach dem Baukastenprinzip in flexibler Weise integrierbar. Beispielsweise ist das Modul derart konfiguriert, dass das Modul in Smartphones, Tablet-Computern, Pikoprojektoren und/oder in andere tragbare elektrische Geräte integrierbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das
Halbleiterlaserbauelement ein Dopplersensor ist, wobei der Dopplersensor insbesondere ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) oder oberflächenemittierender Laser mit externer, vertikaler Kavität (VeCSEL) ist.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, mittels des Dopplersensors berührungslose eine Geschwindigkeit - beispielsweise eines Projektionspunktes auf der
Oberfläche des Objekts - und/oder eine Entfernung bzw. einen Abstand - beispielsweise des Projektionspunktes auf der Oberfläche des Objekts zum Modul - zu detektieren. Bevorzugt ist der Primärstrahl ein Gaußstrahl, sodass insbesondere eine vergleichsweise einfach konstruierte Kollimationsoptik für das Modul zur Kollimation des von dem VCSEL erzeugten Primärstrahls verwendet wird. Bevorzugt ist der VCSEL in einem Mehrere-Wellenlängen-Laser-Modul - d.h. einem Rot-Grün-Blau (RGB-)Modul oder Infrarot (I R-)Modul oder RGB-I R Modul - integriert. Durch Verwendung des VCSEL Dopplersensors ist es weiterhin vorteilhaft möglich, auch ein Sekundärsignal mit vergleichsweise geringer Intensität zu detektieren, sodass ein Modul mit vergleichsweise geringer Empfindlichkeit gegenüber störendem Hintergrundlicht und/oder gegenüber Temperaturschwankungen bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Scanspiegelstruktur ein mikroelektromechanisches System (M EMS) ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, einen MEMS-Mikrospiegel als
Scanspiegelstruktur zur Ablenkung des Primärstrahls bzw. als Ablenkeinheit zu verwenden, wobei insbesondere die Scanbewegung des Primärstrahls durch Verstellung des MEMS-Mikrospiegels erzeugt wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Modul zur Vermessung des Objekts in einem Distanzbetriebsmodus und/oder in einem Geschwindigkeitsbetriebsmodus konfiguriert ist, wobei das Modul derart konfiguriert ist, dass in dem Distanzbetriebsmodus und/oder in dem
Geschwindigkeitsbetriebsmodus eine Bildinformation bezüglich einer
dreidimensionalen Form des Objekts erzeugt wird.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, vergleichsweise große Höhenunterschiede (Profiländerungen) und/oder Kanten entlang der Objektoberfläche mit relativ hoher Präzision zu detektieren. Besonders bevorzugt erfolgt die Detektion bei sehr hohen Scangeschwindigkeiten - d.h. Scangeschwindigkeiten im
Zusammenhang mit Scanfrequenzen im Kilohertzbereich. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass entsprechend hohe Dopplerfrequenzen vergleichsweise effizient und schnell detektiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Modul in dem Distanzmodus zur Erzeugung der Bildinformation in Abhängigkeit einer Distanzdetektion bezüglich einer Distanz zwischen dem Modul und dem Objekt konfiguriert ist, wobei das Modul insbesondere zur Distanzdetektion in Abhängigkeit einer Modulation des Primärsignals mit einem Modulationssignal konfiguriert ist.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass im Distanzbetriebsmodus (welcher auch als Distanzmodus bezeichnet wird) die dreidimensionale Vermessung der Oberfläche (bzw. Form oder Kontur) des Objekts (Objektoberfläche) derart erfolgt, dass ein Ort - bzw. Projektionspunkt - vom Primärlaserstrahl getroffen bzw. derart angeleuchtet wird, dass das Sekundärsignal erzeugt wird und in Abhängigkeit einer Detektion des Sekundärsignals (mit dem Dopplersensor) die Ortungsinformation erzeugt wird, sodass die Ortungsinformation eine Information bezüglich einer Distanz (Distanzwert) aufweist. Bevorzugt wird dabei durch
Detektion einer Vielzahl solcher Distanzwerte bezüglich einer Vielzahl unterschiedlicher Projektionspunkte auf der Objektoberfläche die
dreidimensionale Form des Objekts rekonstruiert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Modul in dem Geschwindigkeitsbetriebsmodus zur Erzeugung der Bildinformation in Abhängigkeit einer Frequenzdetektion einer Dopplerfrequenz des
Sekundärsignals konfiguriert ist, wobei das Modul insbesondere derart konfiguriert ist, dass die Bildinformation in Abhängigkeit der Dopplerfrequenz und einer Scangeschwindigkeit der Scanbewegung des Primärstrahls erzeugt wird.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, in einem Betriebsmodus, in dem eine
Geschwindigkeit - des während der Scanbewegung auf der Objektoberfläche erzeugten Projektionspunktes - durch den Dopplersensor detektiert wird, wobei die Objektoberfläche mit dem (bewegten) Primärstrahl abgetastet (gescannt) wird. In Abhängigkeit der lateralen Bewegung des Projektionspunktes entlang der Kontur des Objektes - d.h. im Wesentlichen senkrecht zur
Haupterstreckungsrichtung des Primärstrahls - wird der Abstand des
Projektionspunktes zum Dopplersensor - d.h. im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Primärstrahls - derart verändert, dass ein in Abhängigkeit des detektierten Sekundärsignals erzeugtes Detektionssignal (Messsignal) eine Information bezüglich der Bewegung des Projektionspunktes entlang der Kontur des Objektes aufweist, wobei die Bewegung des
Projektionspunktes bevorzugt als effektive Geschwindigkeit (d.h. als effektive Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Modul auf Grund der Bewegung des Punktes entlang der Kontur des Objektes) erfasst wird (Doppler- Effekt).
Bevorzugt wird die effektive Geschwindigkeit in Abhängigkeit einer
Frequenzmessung der mit dem Doppler- Effekt zusammenhängenden
Dopplerfrequenz detektiert, sodass aus dem Detektionssignal die Bildinformation ableitbar ist. Erfindungsgemäß bevorzugt ist das Modul derart konfiguriert, dass in Abhängigkeit der detektierten Dopplerfrequenz eine Entfernungsänderung bzw. Abstandänderung zwischen zwei unterschiedlichen Projektionspunkten auf der Objektoberfläche detektiert wird und die Entfernungsänderung aus dem Detektionssignal ableitbar ist. Bevorzugt hängt die Dopplerfrequenz von einer Scangeschwindigkeit des Primärstrahls (d.h. einer Winkelgeschwindigkeit bzw. Richtungsänderungsrate) und von der Geometrie der Objektoberfläche
(Objektgeometrie) ab.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass -- das Modul zur Erzeugung von Positionsdaten bezüglich einer Position des Moduls konfiguriert ist, wobei das Modul zur Vermessung des Objekts in Abhängigkeit der Positionsdaten konfiguriert ist und/oder
-- das Modul zur Vermessung des Objekts mittels Merkmalserkennung konfiguriert ist.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, verschiedene Verfahren zur Vermessung des Objekts zu verwenden. Beispielsweise weist das Modul einen
mikroelektromechanischen Inertialsensor zur Erzeugung der Positionsdaten auf.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Gerät mit einem erfindungsgemäßen Modul, wobei das elektrische Gerät ein
Laserscanner zur Vermessung des Objekts bezüglich einer dreidimensionalen Form des Objekts ist.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, ein elektrisches Gerät bereitzustellen, mit dem eine vergleichsweise präzise Detektion von Strukturen auf der
Objektoberfläche (beispielsweise Kanten) in effizienter Weise möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Modul in einem Distanzbetriebsmodus und/oder in einem Geschwindigkeitsbetriebsmodus derart betrieben wird, dass eine Bildinformation bezüglich einer dreidimensionalen Form des Objekts erzeugt wird, wobei insbesondere die Bildinformation in Abhängigkeit der Ortungsinformation und der Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Distanzmodus ein
Objektoberflächenprofil des Objekts durch Distanzdetektion erfasst wird, wobei während der Distanzdetektion das Primärsignal mit einem Modulationssignal moduliert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Geschwindigkeitsbetriebsmodus ein Objektoberflächenprofil des Objekts in Abhängigkeit einer Frequenzdetektion einer Dopplerfrequenz des Sekundärsignals erfasst wird, wobei die
Bildinformation in Abhängigkeit der detektierten Dopplerfrequenz erzeugt wird, wobei die Bildinformation insbesondere in Abhängigkeit der Scangeschwindigkeit der Scanbewegung des Primärstrahls erzeugt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
Figuren 1 bis 3 ein Modul gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figuren 4 bis 7 ein Halbleiterlaserbauelement eines Moduls gemäß
unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in
schematischer Ansicht.
Ausführungsform (en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist ein Modul 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Das Modul 2 ist hier zur Ortung eines in einer Abstrahlfläche 30 angeordneten Objekts 4 konfiguriert. Das Modul 2 ist derart konfiguriert, dass der Primärstrahl 3 eine Scanbewegung im
Wesentlichen entlang der Abstrahlfläche 30 durchführt, wobei ein Sekundärsignal 5 detektiert wird, wenn der Primärstrahl 3 mit dem in der Abstrahlfläche 30 positionierten Objekt 4 derart wechselwirkt, dass das Sekundärsignal 5 erzeugt wird. Beispielsweise wird das Sekundärsignal 5 durch Reflexion des
Primärstrahls 3 an dem Objekt 4 erzeugt, wenn der Primärstrahl 3 in eine
Abstrahlrichtung 101 abgestrahlt wird und auf das Objekt 4 trifft und wenn das Objekt vom Modul 2 aus betrachtet in der Abstrahlfläche 30 in Abstrahlrichtung 101 positioniert ist. Ortung des Objekts 4 bedeutet hier eine Positionsbestimmung des gesamten Objekts oder lediglich eines Punktes auf einer Objektoberfläche (beispielsweise eines vom Primärstrahl 3 erzeugten Projektionspunktes auf einer Oberfläche des Objekts 4), wobei sich die Positionsbestimmung auf eine Bestimmung einer Entfernung bzw. eines Abstands zwischen Modul 2 und Objekt 4 bzw.
Objektoberfläche bezieht und/oder auf eine Bestimmung einer Position des (mit dem Punkt auf der Objektoberfläche zusammenhängenden) Projektionspunktes relativ zu einem (mit einem weiteren Punkt auf der Objektoberfläche
zusammenhängenden) weiteren Projektionspunkt, wobei insbesondere der Projektionspunkt und weitere Projektionspunkt jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Scanbewegung erzeugt werden.
Bevorzugt weist das Modul 2 ein erstes Teilmodul 21 , ein zweites Teilmodul 22, ein drittes Teilmodul 23, ein viertes Teilmodul 24, ein fünftes Teilmodul 25, ein sechstes Teilmodul 26, ein siebtes Teilmodul 27 ein achtes Teilmodul 28 und/oder weitere Teilmodule auf. Hierdurch wird ein modularisiert aufgebautes Modul 2 bereitgestellt, welches beispielsweise nach dem Baukastenprinzip an eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Geräte 1 und/oder Anwendungsfälle flexibel anpassbar ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Moduls 2 ist das erste Teilmodul 21 ein zur Erzeugung des Primärstrahls 3 und/oder eines weiteren Primärstrahls 3' konfiguriertes Lichtmodul 21 und/oder das zweite Teilmodul 22 ein zur
Erzeugung einer Scanbewegung des Primärstrahls 3 und/oder einer weiteren Scanbewegung des weiteren Primärstrahls 3' konfiguriertes Scanmodul 22 und/oder das dritte Teilmodul 23 ein zur Erzeugung eines Detektionssignals in Abhängigkeit des Sekundärsignals 5 und/oder weiteren Sekundärsignals 5' konfiguriertes erstes Steuer- und/oder Detektionsmodul 23 und/oder das vierte Teilmodul 24 ein Auswertemodul 24 zur Erzeugung einer Ortungsinformation und/oder das fünfte Teilmodul 25 ein zweites Steuer- und/oder Detektionsmodul 25 und/oder das sechste Teilmodul 26 ein Steuermodul 26 zur Steuerung einer Energieversorgung und/oder das siebte Teilmodul 27 ein Kameramodul und/oder das achte Teilmodul 28 ein zur Kommunikation mit einem elektrischen Gerät 1 und/oder Datenübertragung an das elektrische Gerät 1 konfiguriertes
Kommunikationsmodul 28.
Das Lichtmodul 21 weist ein Halbleiterlaserbauelement 6 (nachfolgend auch als Lichtquelle bezeichnet) zur Erzeugung eines Primärstrahls 3 auf. Die Lichtquelle ist bevorzugt eine Leuchtdiode, besonders bevorzugt eine Laserdiode oder ein Oberflächenemitter, beispielsweise ein VCSEL. Der von der Lichtquelle 6 erzeugte Primärstrahl 3 ist insbesondere ein sichtbarer Lichtstrahl 3 - d.h. Licht von etwa 380 Nanometer (nm) bis 780 nm Wellenlänge - oder ein Infrarot (IR) Lichtstrahl.
Das Scanmodul 22 weist hier die Scanspiegelstruktur 7, 7' mit dem
mikroelektromechanischen Scanspiegelelement 7 auf. Insbesondere ist das Modul 2 derart konfiguriert, dass der Primärstrahl 3 durch die Scanspiegelstruktur 7 in der Weise abgelenkt wird, dass der Primärstrahl 3 sich im Wesentlichen entlang der (ebenen) Abstrahlfläche 30 erstreckt. Das mikromechanische
Scanspiegelelement 7 ist in mehrere Ablenkstellungen in einem Bereich zwischen zwei maximalen Auslenkstellungen (des Scanspiegelelements 7 bzw. des weiteren Scanspiegelelements 7') einstellbar. In einer ersten maximalen Auslenkstellung der zwei maximalen Auslenkstellungen wird der Primärstrahl 3 durch die Scanspiegelstruktur 7 in eine erste Abstrahlrichtung 101 ' entlang der Abstrahlfläche 30 abgestrahlt. In einer zweiten maximalen Auslenkstellung der zwei maximalen Auslenkstellungen wird der Primärstrahl 3 durch die
Scanspiegelstruktur 7 in eine zweite Abstrahlrichtung 101 ' entlang der
Abstrahlfläche 30 abgestrahlt. Durch die erste Abstrahlrichtung 101 ' und die zweite Abstrahlrichtung 101 " werden hier die Ortungsgrenzen 101 ', 101 " der Ortungszone 30 definiert. Insbesondere haben in dieser Ausführungsform die Begriffe Ortungszone 30 und Abstrahlfläche 30 dieselbe Bedeutung. Das mikromechanische Scanspiegelelement 7 ist insbesondere derart konfiguriert, dass das Scanspiegelelement 7 eine Auslenkungsbewegung zwischen den zwei maximalen Auslenkstellungen ausführt, wenn das Scanspiegelelement 7 mit einem Steuersignal beaufschlagt wird. Insbesondere ist der Primärstrahl 3 ein Laserstrahl 3. Insbesondere wird der Primärstrahl 3 während der Scanbewegung mit einer Scanfrequenz bewegt, wobei die Scanfrequenz mit einer Scanperiode der Scanbewegung zusammenhängt. Insbesondere wird der Primärstrahl 3 während der Scanperiode aus der ersten Ortungsgrenze 101 ' (dargestellt durch einen Primärstrahl mit Bezugszeichen 3') bis zur zweiten Ortungsgrenze 101 "
(dargestellt durch einen Primärstrahl mit Bezugszeichen 3") und wieder zurück zur ersten Ortungsgrenze 101 ' gescannt bzw. verschwenkt. Die Scanfrequenz beträgt insbesondere zwischen 1 Hertz (Hz) und 100 Kilohertz (kHz), besonders bevorzugt zwischen 1 Hz und 50 kHz, besonders bevorzugt zwischen 1 Hz und 30 kHz.
In einer Ablenkstellung in einem Bereich zwischen den maximalen
Auslenkstellungen des Scanspiegelelements 7 wird der Primärstrahl 3 in eine Abstrahlrichtung 101 abgestrahlt. Wenn ein Objekt 4 - beispielsweise ein Finger 4 eines Benutzers - so in der Abstrahlfläche 30 angeordnet bzw. positioniert wird, dass das Objekt 4 die Abstrahlfläche 30 berührt bzw. schneidet, wird durch Wechselwirkung - d.h. beispielsweise Reflexion - des Primärstrahls 3 mit dem Objekt 4 das Sekundärsignal 5 erzeugt. Beispielsweise wird das Objekt 4 durch eine Objektbewegung des Objekts 4 entlang einer zur Abstrahlfläche 30 senkrechten Projektionsrichtung 103 in die Abstrahlfläche 30 hinein bewegt, sodass das Objekt 4 in der Abstrahlfläche 30 angeordnet bzw. positioniert ist. Hier wird das Sekundärsignal 5 erzeugt, wenn der Primärstrahl 3 (während der Scanbewegung) in die Abstrahlrichtung 101 abgestrahlt wird.
Hier ist die Lichtquelle 6 sowohl zur Erzeugung des Primärstrahls 3 als auch zur Detektion des Sekundärsignals 3 konfiguriert (d.h. die Lichtquelle 6 umfasst ein mit der Lichtquelle monolithisch integriertes optisches Detektionselement). Bevorzugt ist die Lichtquelle 6 ein VCSEL ist. Bevorzugt ist das Modul 2 zur Erzeugung eines Detektionssignals in Abhängigkeit des durch das optische Detektionselement 9 detektierten Sekundärsignals 5 konfiguriert. Insbesondere ist das Modul 2 zur Erzeugung einer Ortungsinformation in Abhängigkeit des Detektionssignals konfiguriert. Bevorzugt ist das Modul 2 zur Erzeugung eines Lagedetektionssignals bezüglich einer Ablenkstellung des Scanspiegelelements 7 und/oder einer weiteren Ablenkstellung des weiteren Scanspiegelelements 7' während der Detektion des Sekundärsignals 5 in derart konfiguriert, dass die Ortungsinformation zeitaufgelöst in Abhängigkeit des Detektionssignals und des Lagedetektionssignals erzeugt wird. Insbesondere umfasst die
Ortungsinformation eine Entfernungsinformation bezüglich einer Entfernung des Objekts 4 zum Modul 2 und/oder eine Orientierungsinformation bezüglich einer Orientierungsrichtung des Objekts 4 relativ zum Modul 2 und/oder eine
Positionskoordinate bezüglich einer Position eines Projektionspunktes auf der Objektoberfläche des Objekts 4.
In Figur 2 ist ein Modul 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im
Wesentlichen der in Figur 1 beschriebenen Ausführungsform. Das Modul 2 weist hier das erste Teilmodul 21, zweite Teilmodul 22, dritte Teilmodul 23, vierte Teilmodul 24 und fünfte Teilmodul 25 auf. Das erste Teilmodul 21 (Lichtmodul) weist eine Lichtquelle 6 und eine
Kollimationsoptik 15 auf. Hier ist die Lichtquelle 6 ein (VCSEL oder VeCSEL) Dopplersensor, wobei der Dopplersensor derart konfiguriert ist, dass ein
Primärstrahl 3 (siehe beispielsweise Figur 2) auf das zweite Teilmodul 22 (MEMS-Scanmodul) gesendet wird. Beispielsweise ist der Primärstrahl ein Infrarot (I R-) Laserstrahl. Das zweite Teilmodul 22 umfasst hier eine
Scanspiegelstruktur 7, 7' mit wenigstens einem MEMS-Scanspiegelelement 7. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Scanspiegelstruktur ein weiteres Spiegelelement 7'. Bevorzugt ist die Scanspiegelstruktur 7, 7' verstellbar - d.h. eine Lage des wenigstens einen MEMS-Scanspiegelelements 7 ist veränderbar und mittels eines Lagedetektionssensorelements (hier nicht dargestellt) detektierbar. Bevorzugt weist das Modul 2 eine Weitwinkeloptik 8 (beispielsweise eine Linsenoptik oder eine - insbesondere zylindrische - Konkavspiegelstruktur oder Konvexspiegelstruktur) auf. Bevorzugt ist der Dopplersensor 6 elektrisch leitfähig mit einem dritten Teilmodul 23 (Erstes Steuer- und/oder
Detektionsmodul) des Moduls 2 verbunden (angeschlossen), wobei das dritte
Teilmodul 23 insbesondere zur Steuerung des Dopplersensors 6 und/oder zur Erzeugung eines Detektionssignals in Abhängigkeit einer Detektion des
Sekundärsignals durch den Dopplersensor 6 konfiguriert ist. Bevorzugt ist das Scanmodul 22 elektrisch leitfähig mit einem fünften Teilmodul 25 (Zweites Steuer- und/oder Detektionsmodul) des Moduls 2 verbunden (angeschlossen), wobei das fünfte Teilmodul 25 insbesondere zur Ansteuerung und/oder
Erzeugung eines Lagedetektionssignals (in Abhängigkeit einer Lagedetektion einer Lage des MEMS-Spiegelelements 7) konfiguriert ist, sodass das
Lagedetektionssignal insbesondere eine Information bezüglich einer
Winkelposition des Scanspiegelelements 7 umfasst. Bevorzugt weist das Modul
2 ein viertes Teilmodul 24 (Auswertemodul) auf, wobei das Auswertemodul 24 insbesondere derart konfiguriert ist, dass eine Ortungsinformation - insbesondere bezüglich einer Distanz und/oder Geschwindigkeit eines
Projektionspunktes 4' auf der Objektoberfläche - in Abhängigkeit des
Detektionssignals und des Lagedetektionssignals (zeitaufgelöst) bestimmt - d.h. insbesondere eindeutig einer Winkelposition zugeordnet - wird. Bevorzugt wird über eine Schnittstelle 24' des Moduls 2 die Ortungsinformation (d.h. ein ausgewertetes Positionssignal, insbesondere ein Rohdatensignal, welches eine Bildinformation bezüglich der vermessenen dreidimensionalen Form des Objekts 4 aufweist) an einen Anwendungsprozessor (hier nicht dargestellt) übertragen.
Bevorzugt ist der Anwendungsprozessor in dem Modul 2 integriert oder ein Anwendungsprozessor eines elektrischen Geräts (in dem das Modul 2 integriert ist) oder ein anderes externes elektrisches Gerät. Insbesondere sind das dritte, vierte und fünfte Teilmodul 23, 24, 25 in demselben Schaltkreis integriert oder separate Schaltkreiselemente.
In Figur 3 ist ein Modul 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Anhand von Figur 3 wird nachfolgend das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Moduls 2 beschrieben.
In einem ersten Betriebsschritt wird durch das Halbleiterlaserbauelement 6 (VCSEL oder VeCSEL Dopplersensor) des ersten Teilmoduls 21 der Primärstrahl
3 erzeugt, wobei der Primärstrahl 3 auf die Scanspiegelstruktur 7, 7' des zweiten Teilmoduls 22 gerichtet wird. In einem zweiten Betriebsschritt wird die
Scanspiegelstruktur 7, 7' derart verstellt bzw. angesteuert, dass der Primärstrahl
3 eine Scanbewegung in der Ortungszone 30 durchführt. Insbesondere umfasst die Scanspiegelstruktur 7, 7' das MEMS-Scanspiegelelement 7, wobei das MEMS-Scanspiegelelement 7 entweder ein eindimensionales
Scanspiegelelement 7 - d.h. ein zur Erzeugung einer einzeiligen Scanbewegung konfiguriertes Scanspiegelelement 7 - oder ein zweidimensionales Scanspiegelelement 7 - d.h. zur (sukzessiven) Abtastung der (gesamten) Objektoberfläche des Objekts 4 konfiguriertes Scanspiegelelement 7. In einem dritten Betriebsschritt wird, in einer Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur 7, 7', ein Sekundärsignal 5 durch das Halbleiterlaserbauelement 6 detektiert wird, wenn in der Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur 7, 7' der Primärstrahl 3 mit dem Objekt 4 wechselwirkt. In Figur 2 ist der Primärstrahl 3 bei unterschiedlichen Winkelpositionen (Ablenkstellungen der Scanspiegelstruktur 7, 7') während der Scanbewegung dargestellt. Hier trifft der Primärstrahl zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Scanbewegung auf unterschiedliche Punkte auf der Objektoberfläche des Objekts 4 (hier ein Gesicht) auf, sodass jedem Punkt auf der Objektoberfläche ein Abstand bzw. eine Entfernung zwischen dem Punkt und dem Dopplermodul 6 zugeordnet wird. In einem vierten Betriebsschritt wird eine Ortungsinformation in Abhängigkeit des (zeitaufgelöst) detektierten
Sekundärsignals 5 erzeugt. Für jeden Projektionspunkt 4' wird der Abstand zwischen Projektionspunkt 4' und Dopplersensor 6 bevorzugt im
Distanzbetriebsmodus des Moduls 2 und/oder im
Geschwindigkeitsbetriebsmodus des Moduls 2 bestimmt. Weiterhin bevorzugt wird eine Bewegung des Objekts 4 entlang einer Verbindungslinie zwischen dem Modul 2 und dem Objekt 4 detektiert, wenn die Detektion einer Geschwindigkeit eines Projektionspunktes entlang der Oberfläche des Objekts 4
(Oberflächengeschwindigkeit) in einem Zeitraum erfolgt der kleiner ist als eine Periodendauer bezüglich einer Scanfrequenz der Scanbewegung.
In Figur 4 ist ein Halbleiterlaserbauelement 6 eines Moduls 2 gemäß
unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in
schematischer Ansicht dargestellt. Hier ist das Halbleiterlaserbauelement 6 - bevorzugt ein Dopplersensor - ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL). Das
Halbleiterlaserbauelement 6 ist hier auf einem Substrat 610 aufgebracht. Das Halbleiterlaserbauelement 6 weist insbesondere einen schichtartigen Aufbau entlang einer zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 610 senkrechten Normalrichtung 103 auf, wobei das Halbleiterlaserbauelement 6 eine auf dem Substrat 610 aufgebrachte Spiegelschicht 620 (d.h. ein
Unterteilspiegelelement mit einer Reflektivität von mehr als 99,9 Prozent), eine weitere Spiegelschicht 620' (d.h. ein Oberteilspiegelelement mit einer Reflektivität von ungefähr 99 Prozent) und eine zwischen der Spiegelschicht 620 und der weiteren Spiegelschicht 620' angeordnete Resonatorschicht 630 (d.h. ein optischer Resonator bzw. eine Laserkavität) umfasst, wobei sich die
Resonatorschicht 630 insbesondere entlang der Normalrichtung 103 entlang einer Schichtdicke erstreckt, wobei die Schichtdicke im Wesentlichen gleich einer
Wellenlänge des Primärstrahls 3 ist. Die Resonatorschicht 630 weist hier ein Verstärkungselement 631 auf, wobei das Verstärkungselement 631 zwischen zwei Oxidschichten 632 der Resonatorschicht 630 angeordnet ist. Das
Halbleiterbauelement 6 ist zur Erzeugung des Primärstrahls 3 konfiguriert, wobei der Primärstrahl 3 hier ein Laserstrahl 3 ist, wobei der Laserstrahl 3
insbesondere sichtbares Licht oder Infrarotlicht aufweist. Hier weist das
Halbleiterlaserbauelement 6 ein Kontaktmittel 601 zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Halbleiterlaserbauelements 6 auf, wobei das
Halbleiterlaserbauelement in Abhängigkeit eines Injektionsstromsignals 601' steuerbar ist.
In Figuren 5 bis 7 ist ein Halbleiterlaserbauelement 6 eines Moduls 2 gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in
schematischer Ansicht dargestellt, wobei hier das Halbleiterlaserbauelement 6 als VCSEL Dopplersensor konfiguriert ist. Grundsätzlich sind wenigstens drei
(insbesondere miteinander kombinierbare) Implementierungsoptionen einer Detektion des Sekundärsignals 5 (Leistungsdetektion) dargestellt. Gemäß einer ersten Detektionsvariante (siehe Figur 5) wird das Detektionssignal durch Leistungsdetektion außerhalb des optischen Resonators 630 in Abhängigkeit einer Reflexion oder Absorption erzeugt. Gemäß einer zweiten
Detektionsvariante (siehe Figur 6) wird das Detektionssignal durch
Leistungsdetektion außerhalb des optischen Resonators 630 in Abhängigkeit einer Emission durch ein Unterteil des Halbleiterbauelements 6
(Unterteilemission, engl, bottom emission) erzeugt. Gemäß einer dritten
Detektionsvariante (siehe Figur 7) wird das Detektionssignal durch
Leistungsdetektion innerhalb des optischen Resonators 630 in Abhängigkeit von Absorptionsverlusten erzeugt. In Figur 5 ist eine Detektion gemäß der ersten Detektionsvariante illustriert, wobei ein von einem Abdeckelement 603 reflektiertes Lichtsignal durch einen Silizium-Photodetektor 610' außerhalb des Halbleiterlaserbauelement 6 detektiert wird. In Figur 6 ist eine Detektion gemäß der zweiten Detektionsvariante illustriert, wobei hier das
Halbleiterlaserbauelement 6 ein n-dotiertes internes Kontaktmittel 604
(Intrakavitätskontakt) und ein externes Kontaktmittel 605 (Extrakavität- Photodiodenkontakt) zur Kontaktierung einer in dem Halbleiterlaserbauelement 6 integrierten Photodiode aufweist, wobei die integrierte Photodiode hier zwischen dem optischen Resonator 630 (d.h. außerhalb) und dem Substrat 610 des Halbleiterlaserbauelements 6 angeordnet ist. In Figur 7 ist eine Detektion gemäß der dritten Detektionsvariante illustriert, wobei hier das Halbleiterlaserbauelement 6 das n-dotiertes internes Kontaktmittel 604 (Intrakavitätskontakt) und ein weiteres Kontaktmittel 605' (hier ein Intrakavitäts-Photodiodenkontakt) zur
Kontaktierung einer in dem Halbleiterlaserbauelement 6 integrierten Photodiode aufweist, wobei die integrierte Photodiode hier insbesondere eine mit dem optischen Resonator 630 integrierte Photodiode ist.

Claims

Ansprüche
1. Modul (2) zur Vermessung eines in einer Ortungszone (30) positionierten Objekts (4), wobei das Modul (2) zur Erzeugung eines Primärstrahls (3) konfiguriert ist, wobei das Modul (2) eine Scanspiegelstruktur (7, 7') aufweist, wobei die Scanspiegelstruktur (7, 7') derart steuerbar ist, dass von dem Primärstrahl (3) eine Scanbewegung in der Ortungszone (30) durchgeführt wird, wobei das Modul (2) derart konfiguriert ist, dass ein Sekundärsignal (5) detektierbar ist, wenn das Sekundärsignal (5) durch Wechselwirkung des Primärstrahls (3) mit dem Objekt (4) in einer Ablenkstellung der
Scanspiegelstruktur (7, 7') erzeugt wird, wobei das Modul (2) zur Erzeugung einer Ortungsinformation in Abhängigkeit der Ablenkstellung der
Scanspiegelstruktur (7, 7') konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (2) ein Halbleiterlaserbauelement (6) aufweist, wobei das
Halbleiterlaserbauelement (6) zur Erzeugung des Primärstrahls (3) und zur Detektion des Sekundärsignals (5) konfiguriert ist.
2. Modul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Halbleiterlaserbauelement (6) ein Dopplersensor ist, wobei der
Dopplersensor insbesondere ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) oder oberflächenemittierender Laser mit externer, vertikaler Kavität (VeCSEL) ist.
3. Modul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Scanspiegelstruktur (7, 7') ein
mikroelektromechanisches System (ME MS) ist.
4. Modul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Modul (2) zur Vermessung des Objekts (4) in einem Distanzbetriebsmodus und/oder in einem
Geschwindigkeitsbetriebsmodus konfiguriert ist, wobei das Modul (2) derart konfiguriert ist, dass in dem Distanzbetriebsmodus und/oder in dem
Geschwindigkeitsbetriebsmodus eine Bildinformation bezüglich einer dreidimensionalen Form des Objekts (4) erzeugt wird.
Modul (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (2) in dem Distanzmodus zur Erzeugung der Bildinformation in Abhängigkeit einer Distanzdetektion bezüglich einer Distanz zwischen dem Modul (2) und dem Objekt (4) konfiguriert ist, wobei das Modul (2) insbesondere zur
Distanzdetektion in Abhängigkeit einer Modulation des Primärsignals (3) mit einem Modulationssignal konfiguriert ist.
Modul (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (2) in dem Geschwindigkeitsbetriebsmodus zur Erzeugung der
Bildinformation in Abhängigkeit einer Frequenzdetektion einer
Dopplerfrequenz des Sekundärsignals (5) konfiguriert ist, wobei das Modul (2) insbesondere derart konfiguriert ist, dass die Bildinformation in
Abhängigkeit der Dopplerfrequenz und einer Scangeschwindigkeit der Scanbewegung des Primärstrahls (3) erzeugt wird.
Modul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
-- das Modul (2) zur Erzeugung von Positionsdaten bezüglich einer Position des Moduls (2) konfiguriert ist, wobei das Modul (2) zur Vermessung des Objekts (4) in Abhängigkeit der Positionsdaten konfiguriert ist und/oder
-- das Modul (2) zur Vermessung des Objekts (4) mittels
Merkmalserkennung konfiguriert ist.
Elektrisches Gerät (1) mit einem Modul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Gerät (1) ein Laserscanner zur Vermessung des Objekts (4) bezüglich einer
dreidimensionalen Form des Objekts (4) ist.
Verfahren zum Betrieb eines Moduls (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsschritt durch das Halbleiterlaserbauelement (6) der Primärstrahl (3) erzeugt wird, wobei der Primärstrahl (3) auf die Scanspiegelstruktur (7, 7') gerichtet wird, wobei in einem zweiten Betriebsschritt die Scanspiegelstruktur (7, 7') derart gesteuert wird, dass von dem Primärstrahl (3) eine Scanbewegung in der Ortungszone (30) durchgeführt wird, wobei in einem dritten Betriebsschritt, in einer Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur (7, 7'), ein Sekundärsignal (5) durch das Halbleiterlaserbauelement (6) detektiert wird, wenn in der Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur (7, 7') der Primärstrahl (3) mit dem Objekt (4) wechselwirkt, wobei in einem vierten Betriebsschritt eine
Ortungsinformation in Abhängigkeit des detektierten Sekundärsignals (5) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (2) in einem Distanzbetriebsmodus und/oder in einem
Geschwindigkeitsbetriebsmodus derart betrieben wird, dass eine
Bildinformation bezüglich einer dreidimensionalen Form des Objekts (4) erzeugt wird, wobei insbesondere die Bildinformation in Abhängigkeit der Ortungsinformation und der Ablenkstellung der Scanspiegelstruktur (7, 7') erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Distanzmodus ein Objektoberflächenprofil des Objekts (4) durch Distanzdetektion erfasst wird, wobei während der Distanzdetektion das Primärsignal (3) mit einem Modulationssignal moduliert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Geschwindigkeitsbetriebsmodus ein Objektoberflächenprofil des Objekts (4) in Abhängigkeit einer Frequenzdetektion einer Dopplerfrequenz des Sekundärsignals (5) erfasst wird, wobei die Bildinformation in
Abhängigkeit der detektierten Dopplerfrequenz erzeugt wird, wobei die Bildinformation insbesondere in Abhängigkeit der Scangeschwindigkeit der Scanbewegung des Primärstrahls (3) erzeugt wird.
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