WO2018224468A1 - Verfahren zur bereitstellung eines detektionssignals für zu detektierende objekte - Google Patents

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WO2018224468A1
WO2018224468A1 PCT/EP2018/064697 EP2018064697W WO2018224468A1 WO 2018224468 A1 WO2018224468 A1 WO 2018224468A1 EP 2018064697 W EP2018064697 W EP 2018064697W WO 2018224468 A1 WO2018224468 A1 WO 2018224468A1
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wavelength
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photons
packets
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PCT/EP2018/064697
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Fabian Utermoehlen
Peter Degenfeld-Schonburg
Stefan Leidich
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a detection signal for objects to be detected.
  • the invention also relates to a sensor device for providing a
  • the invention also relates to a LIDAR scanner, in particular a microscanner.
  • known LiDAR macro scanners have a rotor on which optical elements such as light source and detector are arranged.
  • Other known scanners have only one mirror for beam deflection as a rotating element.
  • a pulsed light source for. B. in the form of a laser emits a light beam and its reflection detected on an object to determine the distance of the object based on the reflected light.
  • the macroscanner may have a so-called coaxial arrangement of transmit and receive paths, in which the reflected light is conducted via the light path of the emitting optics.
  • the optical components, in particular the mirror of the receiving path are selected to be correspondingly large.
  • biaxial arrangements When using biaxial arrangements, a large detector array is used due to the lens size and the image scale in order to reduce the optical noise power, for example by sunlight or other extraneous light sources.
  • Biaxial arrangements with static receive channels are usually illuminated from a wide range of angles and have a low signal-to-noise ratio and hence range.
  • eye safety may also be relevant.
  • a security scanner for monitoring a scan plane for entry of objects in the scan plane has become known with a light transmitter, a light deflection unit for deflecting the light in the scan plane, a receiver for providing received signals as a function of in Viewing area of the scanner existing objects remitted light, and one
  • Evaluation unit for evaluating the received signals and for providing a
  • the light emitter emits light having a wavelength between 1200 nm and 1700 nm.
  • US 2015/0177128 A1 has disclosed a method for imaging using photons in quantum-mechanical states with two different wavelengths.
  • photons of a first wavelength are used to illuminate sample material and photons of a second wavelength are fed to a detector, wherein the photons are not emitted and thus separated from the light path.
  • the invention provides a method for providing a
  • Photons of one of the first photon packets are emitted to an object, wherein the photon packet reflected by the object then interacts by means of quantum entanglement with the second first photon packet and wherein
  • the detection signal is generated based on the time difference of emission of the first photon packet to the object and detection of an interaction between the two photon packets.
  • the invention provides a sensor device
  • Providing a detection signal for objects to be detected comprising a generating device for generating two first photon packets of different wavelengths with entangled photon pairs, a transmitting device for transmitting one of the first photon packets to the object, a receiving device for
  • a entanglement device for quantum entanglement of received photon packet Receiving the photon packet reflected by the object, a entanglement device for quantum entanglement of received photon packet and a first
  • Photon packet and a detector for generating the detection signal based on the Time difference of emission of the first photon packet to the object and detection of an interaction between the two photon packets.
  • the invention provides a LIDAR scanner, in particular a micro-scanner, with at least one sensor device according to one of claims 5-12, wherein the LIDAR scanner has a micromechanical mirror for deflecting one of the first photon packets.
  • embodiments of the invention provide a sensor device that uses entangled photonic pairs of two wavelengths and splits them into two photon packets - sensor packet and observer packet - of which the sensor packet at a first wavelength matches that of
  • the photons of the sensor packet transmit information of the quanta of the sensor packet from the sensor package to the quanta of the second photon packet, ie the observer packet with a second wavelength.
  • black silicon is to be understood as meaning black silicon.
  • the eye safety can be improved, in particular in that the transmission power and / or the wavelength of the emitted packet can be increased or generally selected independently of the design and / or the spectral sensitivity of the detector.
  • Another advantage is the high
  • Sensitivity since a completely different noise performance path is used.
  • a further advantage is increased flexibility, since it is also possible, for example, to use a planar detector in a biaxial arrangement.
  • Another advantage is that the installation space can be reduced because smaller detectors or detection devices can be used with the same signal-to-noise ratio.
  • simpler wavelength filters can be used because narrow-band, angle-independent wavelength filters, which are expensive to manufacture, can be omitted.
  • photons of the second circulate
  • Wavelength of the first photon packet in a circulation device for a certain period of time. This can be achieved in a simple manner that the observer package is kept ready until the sensor package has been reflected by the object and detected by the receiving path. Possible time periods are, for example, between 1 ns and 200 ns,
  • the polarization of a photon packet is rotated and / or filtered before the emission and / or before the detection.
  • the generation device and / or the entanglement device comprise a non-linear optical crystal.
  • One of the advantages achieved with this is that two light beams with entangled photon pairs can be generated in a simple and reliable manner simultaneously. If the generation device and the entanglement device together comprise a non-linear optical crystal, that is to say if a light beam, photon packet or the like is passed through it several times, this is particularly cost-effective.
  • the non-linear optical crystal is made of in particular periodically poled potassium titanyl phosphate, lithium niobate and / or linear geometric lithium tantalate and / or barium borate, lithium triborate, bismuth borate and / or potassium dihydrogen phosphate.
  • the light source is designed to generate pulsed light. By means of a light pulse generating light source photon packets can be generated in a simple manner, which are easier resolved in time and thus can be measured.
  • the light source can be controlled by means of a pulse-shaped modulated current source.
  • the light source can be easily controlled.
  • a circulation device is arranged for circulating the light beam with photons of the second wavelength of one of the first photon packets for a certain period of time, in particular in the form of an optical gyroscope. This makes it easy to achieve that
  • Observer photon packet is kept ready until the sensor photon packet from the object is reflected and detected by the receiving path.
  • a coupler is arranged in each case for coupling and decoupling a photon package from the circulation device. This makes it easy to achieve a coupling and decoupling of a light beam from the circulation device.
  • the coupler for decoupling on an adaptive coupling factor such that the intensity of the coupled light is substantially constant.
  • the intensity of the coupled-out light is independent of the energy stored in the circulation means.
  • the circulation device and coupler for decoupling have an adjustable distance from one another for adaptation of the coupling factor. This allows a simple and effective adaptation of the
  • an adaptation of the coupling factor is electro-optically possible, for example by changing optical
  • Attenuation can be introduced alternatively or additionally. It is also possible to form the coupler according to the coupling, so for example.
  • the coupling factor adjust by adjusting the distance between the circulation device and coupler for coupling. Alternatively or additionally, an adaptation of the
  • the coupling factor of the coupler for decoupling by changing its optical properties is adaptable. This can, for example, by changing the ambient temperature, a current, a
  • Carrier density and / or refractive index occur. This makes it possible to achieve a fast and flexible adaptation of the coupling factor.
  • an absorber is arranged at least for photons of the received photon packet from the entanglement device.
  • the absorber is made of black silicone. This allows light to be absorbed effectively.
  • a receiving device for receiving objects of reflected light beams which has a
  • Frequency filter in particular a bandpass filter, which is designed to suppress the first reference beam and the transmission of the object beam.
  • the bandpass filter for transmitting light of the wavelength of the object beam +/- lOnm in particular +/- 5nm, preferably +/- 2.5nm and / or preferably +/- 5%,
  • a time difference device which has a digital counter, in particular controlled by clock sources with high frequency, and / or a series connection of several digital gates,
  • a digital counter in particular controlled by clock sources with high frequency, and / or a series connection of several digital gates,
  • frequencies are in the GHz range, preferably between 1-300 GHz, in particular between 5-100 GHz.
  • the detector device has a non-linear detection characteristic. Thus, an override of the detector can be avoided.
  • 1 is a sensor device according to a first embodiment of the
  • Fig. 1 shows a sensor device according to a first embodiment of the present invention.
  • a beam 1 consisting of coherent photons of wavelength ⁇ , for example 531 nm, is generated by means of a laser 11.
  • the laser power of the laser 11 is controlled by a pulse-shaped modulated current source 10 with the continuous level Ii and the pulse level b.
  • the laser 11 accordingly emits a continuous power Pi, for example 1 mW and a pulse power P2, for example 50 W.
  • the pulse length is for example between 1 ns and 10 ns, preferably between 2 ns and 8 ns, in particular between 4 ns and 6 ns.
  • the laser beam 1 is then fed to a beam splitter 20.
  • a beam splitter 20 There are two
  • the beam 1a is supplied to a nonlinear crystal 30a in a first step.
  • This may be made of periodically poled potassium titanyl phosphate, periodically poled lithium niobate, periodically poled stoichiometric lithium tantalate, barium borate, lithium triborate, bismuth borate and / or potassium dihydrogen phosphate.
  • the beam 4 with the wavelength ⁇ and the beam 5 with the wavelength K2 by means of a wavelength-selective beam splitter 60, for example.
  • a wavelength-selective beam splitter 60 for example.
  • a dichroic mirror spatially separated. Due to the pulsed excitation of the laser 11, the beam 4 to the sensor (photon) packet ⁇ and the beam 5 to
  • An absorber for the photons of the laser 11 can optionally be used.
  • the beam 5 of the observer package is fed via a waveguide and a first coupler 111 to an optical resonator 110.
  • the photons circulate for a period of about 1-200 ns, preferably 10-150 ns, in particular 50-100 ns, in particular 75-95 ns.
  • a particularly small part of the photons is continuously coupled out.
  • the coupling factor is chosen so that for the duration of the sensor package from the device to the object 70 and back (TTOF) a sufficient number of photons remain in the resonator 110 (-20 to -80 dB).
  • the coupler 112 has an adaptive coupling factor, so that the intensity of the coupled-out light is constant and does not depend on the energy stored in the resonator. This is made possible, for example, by an adaptive change in the distance of the coupler 112 from the resonator 110 or else electro-optically by changing the optical material properties of the coupler 112 as a result of an electrical signal. Alternatively or additionally, amplifiers or Attenuators are arranged. The same applies accordingly to the coupler 111.
  • the light 5 coupled out by means of the coupler 112 is supplied to a beam combiner 90 via the deflection mirror 56.
  • the waveguides, the couplers 111, 112 and the resonator 110 are transparent in the wavelength range around the wavelength ⁇ 2. Suitable materials for their preparation are, for example, SiN or SiO.
  • the waveguide here has, for example, a width of about 1 ⁇ m and a thickness of about 500 nm.
  • the resonator 110 has a
  • the photons of the light beam 4 of the sensor package are optionally rotated in their polarization by means of a retardation plate 65, in particular an X / 4 plate, and fed by means of a transmitting device optionally or additionally with a deflection device 68 to the measurement object 70.
  • the photons of the sensor package 4 are diffused by the measurement object 70, reflected and received by a receiving optics 67 proportionately.
  • the receiving optic 67 optionally has one
  • the wavelength filter 66 is preferably a bandpass filter with high transmission at z. B. ⁇ + / _ 10nm, in particular Ai +/- 5nm, preferably Ai +/- 2.5nm or Ai +/- l, 5nm and / or preferably ⁇ +/- 5%, in particular Ki +/- 2%, preferably ⁇ + / _ 1% and less transmission at ⁇ 2, preferably in a range +/- K2 lOnm, in particular A2 +/- 5nm, preferably A2 + / _ 2.5 nm or +/- A2 l, 5 nm and / or preferably ⁇ 2 +/- 5%, in particular ⁇ 2 +/- 2%.
  • the photons received by the receiving optics 67 are supplied from the beam 4 to a beam combiner 80 and superimposed there with the light lb of the coherent laser 11.
  • the superimposed beams 4, 1b are supplied to a second nonlinear crystal 30b.
  • Photons of the first wavelength ⁇ of the beam 4 are indistinguishable from the previously generated photons of the first wavelength ⁇ and are thus further designated by reference numeral 4 in FIG.
  • the photons of the beam 4 are no longer needed for the detection and can be supplied to an absorber 96.
  • An absorber for the photons of the laser 11 can optionally be used in addition.
  • Polarization filter 95 is fed to the detector 100 and converted into an electrical signal.
  • the detector 100 may include a photodiode that detects the intensity of the photon current or a SPAD diode that responds to individual photons. The latter enables reliable detection even at low light intensity.
  • the embodiment of the sensor device illustrated in FIG. 1 represents a LiDAR system which delivers a detection signal corresponding to FIG. 2.
  • the base level of the laser Pi results in a detection signal level Si.
  • the detection signal at level S2 will greatly increase. It is possible to prevent overloading by a non-linear detector characteristic.
  • the time of arrival of the reflected quantum 4 of the sensor packet and the generation of the other entangled quanta in the third step takes place by means of
  • Quantum entanglement an interaction between the quantum 5 of the
  • Observer Pact can be measured by means of a time measuring device 200 and converted by means of an evaluation device 300 in the sought object distance d over the equation: where Co represents the speed of light.
  • the time span can be determined by known methods of electrical time measurement. Particularly suitable are digital counters, which are incremented by high-frequency clock sources or the
  • Fig. 3 shows steps of a method according to a third embodiment of present invention.
  • Tl entangled photon pairs with two different wavelengths ⁇ , ⁇ 2 are generated by means of a coherent laser 11 and a first non-linear crystal 30a.
  • a second step T2 these are separated into two photon packets, of which the first packet - sensor packet - interacts with an object 70 with a first wavelength ⁇ and the second packet - observer packet - with a second wavelength ⁇ 2 in an optical gyro 110 for a period of time circulating in the range of -100 ns.
  • Photons of the sensor package are rotated after the generation and entanglement by means of a retardation plate 65, in particular in the form of a ⁇ / 4 plate in the polarization in a third step T3.
  • photons of the sensor pact are then supplied to the measurement object 70 in a fourth step T4.
  • the photons of the sensor package are diffusely reflected by the measurement object in a fifth step T5 and partially received by the receiving optics in a sixth step T6.
  • a seventh step T7 the received photons are supplied to a second nonlinear crystal 30b and superimposed there with the light of the coherent laser 11 in an eighth step T8.
  • the newly generated photons of the first wavelength ⁇ are indistinguishable from the photons of the first wavelength ⁇ previously generated in the second step T2.
  • photons of the second wavelength ⁇ 2 which were generated in the first step Tl is coupled by means of a coupler 12 a particular small part in a ninth step T9 and in the tenth step T10 with the photons generated in the eighth step T8 of second wavelength ⁇ 2 indistinguishable superimposed.
  • the superimposed photons of the second wavelength ⁇ 2 are supplied to a detector 110 in an eleventh step TU and converted into an electrical signal.
  • a time-measuring device 200 can be in a twelfth step T12 the time t ⁇ ROF measured between generation of the pulse and the detection of the interference of the quantum of the observer by means of the Pact and an evaluation device 300 in the sought object distance d in a thirteenth step T13 be converted.
  • Low cost and reliable LiDAR sensor system provided with high sensitivity and high eye safety.
  • Detection path arranged spectral filter no longer determine the power of noise and thus in particular independent of sunlight.
  • a planar detector can be used in a biaxial detection path or the entire light collected by the receiving optics can be fed to a single detector by means of a suitable structure in the integrated photonics, thus avoiding a receiving array.
  • At the same time can be dispensed with a very narrow-band, angle-independent, but complicated wavelength filter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte (70), wobei zwei erste Photonenpakete (4, 5) unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2) mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden und wobei Photonen eines der ersten Photonenpakete (4, λ1) auf ein Objekt (70) ausgesendet werden wobei das vom Objekt (70) reflektierte Photonenpaket (λ1) dann mittels Quantenverschränkung mit dem zweiten ersten Photonenpaket (5, λ2) wechselwirkt und wobei das Detektionssignal basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des ersten Photonenpakets (4, λ1) auf das Objekt (70) und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen (λ1, λ2) erzeugt wird.

Description

Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines
Detektionssignals für zu detektierende Objekte.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen LIDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner.
Obwohl auf beliebige Sensorvorrichtungen anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf LiDAR-Makroscanner erläutert.
Bekannte LiDAR Makroscanner weisen beispielsweise einen Rotor auf, auf dem optische Elemente wie Lichtquelle und Detektor angeordnet sind. Weitere bekannte Scanner weisen nur einen Spiegel zur Strahlablenkung als rotierendes Element auf. In bekannter Weise wird mit einer gepulsten Lichtquelle, z. B. in Form eines Lasers ein Lichtstrahl ausgesandt und dessen Reflexion an einem Objekt detektiert, um den Abstand des Objekts anhand des reflektierten Lichts zu bestimmten. Hierzu kann der Makroscanner eine so genannte koaxiale Anordnung von Sende- und Empfangspfad aufweisen, bei der das reflektierte Licht über den Lichtpfad der aussendenden Optik geleitet wird. Um dann ausreichend Licht im Empfänger detektieren zu können, sind die optischen Komponenten insbesondere der Spiegel des Empfangspfads entsprechend groß gewählt. Bei einer Verwendung von biaxialen Anordnungen wird aufgrund der Linsengröße und des Abbildungsmaßstabs ein großes Detektorarray eingesetzt, um die optische Rauschleistung, bspw. durch Sonnenlicht oder anderen Fremdlichtquellen, zu reduzieren. Biaxiale Anordnungen mit statischen Empfangskanälen werden üblicherweise aus einem großen Winkelbereich beleuchtet und weisen ein niedriges Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit Reichweite auf. Bei der Auslegung einer LiDAR-Sensorvorrichtung für Consumer- und Automotive-Produkte kann auch die Augensicherheit relevant sein.
Aus der DE 20 2009 015 194 Ul ist ein Sicherheitsscanner zur Überwachung einer Scanebene auf Eintritt von Objekten in die Scanebene bekannt geworden mit einem Lichtsender, einer Lichtablenkeinheit zur Ablenkung des Lichtes in die Scanebene, einem Empfänger zur Bereitstellung von Empfangssignalen in Abhängigkeit von an im Sichtbereich des Scanners vorhandenen Objekten remittiertem Licht, und einer
Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale und zur Bereitstellung eines
Sicherheitssignals, wobei der Lichtsender Licht mit einer Wellenlänge zwischen 1200 nm und 1700 nm aussendet.
Aus der DE 10 2007 032 997 AI ist ein Laserscanner zur Bestimmung von
Fahrbahneigenschaften bekannt geworden, der zwei Wellenlängen - 900 nm und 1550 nm - verwendet, um unterschiedliche Reflexionen erkennen zu können.
Aus der US 2015/0177128 AI ist darüber hinaus eine Methode zur Bildgebung mithilfe von Photonen in quantenmechanischen Zuständen mit zwei verschiedenen Wellenlängen bekannt geworden. Dabei werden Photonen einer ersten Wellenlänge zur Beleuchtung von Probenmaterial verwendet und Photonen einer zweiten Wellenlänge einem Detektor zugeführt, wobei die Photonen nicht ausgesendet werden und somit vom Lichtpfad getrennt werden.
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines
Detektionssignals für zu detektierende Objekte bereit, wobei
zwei erste Photonenpakete unterschiedlicher Wellenlänge mit verschränkten
Photonenpaaren erzeugt werden und wobei
Photonen eines der ersten Photonenpakete auf ein Objekt ausgesendet werden wobei das vom Objekt reflektierte Photonenpaket dann mittels Quantenverschränkung mit dem zweiten ersten Photonenpaket wechselwirkt und wobei
das Detektionssignal basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des ersten Photonenpakets auf das Objekt und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen erzeugt wird.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur
Bereitstellung eines Detektionssignals für zu detektierende Objekte bereit, umfassend eine Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung zweier erster Photonenpakete unterschiedlicher Wellenlänge mit verschränkten Photonenpaaren, eine Sendeeinrichtung zur Aussendung eines der ersten Photonenpakete auf das Objekt, eine Empfangseinrichtung zum
Empfangen des vom Objekt reflektierten Photonenpakets, eine Verschränkungseinrichtung zur Quantenverschränkung von empfangenem Photonenpaket und einem ersten
Photonenpaket, und einen Detektor zur Erzeugung des Detektionssignals basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des einen ersten Photonenpakets auf das Objekt und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen LIDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, bereit mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-12, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines der ersten Photonenpakete aufweist.
Mit anderen Worten stellen Ausführungsformen der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereit, bei der verschränkte Photonenpaare mit zwei Wellenlängen verwendet bzw. genutzt werden und diese in zwei Photonenpakete - Sensorpaket und Beobachterpaket - aufgeteilt werden, von denen das Sensorpaket mit einer ersten Wellenlänge mit dem zu
detektierenden Objekt wechselwirkt. Die Photonen des Sensorpakets übertragen mittels Quanten-Verschränkung Informationen der Quanten des Sensorpakets vom Sensorpaket auf die Quanten des zweiten Photonenpakets, also dem Beobachterpaket mit einer zweiten Wellenlänge. Die Zeit zwischen Aussendung des Sensorpakets und Detektion der
Änderung des physikalischen Parameters im Beobachterpaket dient als Messsignal zur Bestimmung des Objektabstandes. Unter dem Begriff„Black Silicon" ist schwarzes Silizium zu verstehen.
Einer der erzielten Vorteile ist, dass die Augensicherheit verbessert werden kann, insbesondere in dem die Sendeleistung und/oder die Wellenlänge des ausgesendeten Pakets unabhängig von der Auslegung und/oder der spektralen Empfindlichkeit des Detektors erhöht oder allgemein gewählt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die hohe
Sensitivität, da ein völlig anderer Rausch-Leistungspfad genutzt wird. Ein weiterer Vorteil ist eine erhöhte Flexibilität, da auch ein bspw. flächiger Detektor bei einer biaxialen Anordnung verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bauraum verkleinert werden kann, da kleinere Detektoren bzw. Detektionseinrichtungen bei gleichem Signal-zu-Rausch- Verhältnis verwendet werden können. Ebenso können einfachere Wellenlängenfilter verwendet werden, da schmalbandige, winkelunabhängige Wellenlängenfilter, die aufwendig zu fertigen sind, entfallen können.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im
Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar: Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden Photonen des vom Objekt reflektierten Photonenpakets mit erster Wellenlänge und Photonen eines
Ausgangslichtstrahls mit Ausgangswellenlänge überlagert zur Erzeugung zweier zweiter Photonenpakete, eines mit erster Wellenlänge, eines mit zweiter Wellenlänge, mit jeweils verschränkten Photonenpaaren, wobei die beiden Photonenpakete mit Photonen zweiter Wellenlänge überlagert werden. Damit wird eine zuverlässige Wechselwirkung zwischen Photonenpaketen ermöglicht. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung zirkulieren Photonen der zweiten
Wellenlänge des ersten Photonenpakets in einer Zirkulationseinrichtung für eine bestimmte Zeitspanne. Damit lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass das Beobachterpaket bereitgehalten wird, bis das Sensorpaket vom Objekt reflektiert und vom Empfangspfad detektiert wurde. Mögliche Zeitspannen sind bspw. zwischen 1 ns und 200 ns,
insbesondere zwischen 2 und 100ns, vorzugsweise zwischen 5 und 75ns.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird vor der Aussendung und/oder vor der Detektion die Polarisation eines Photonenpakets gedreht und/oder gefiltert. Damit lässt sich erreichen, dass nur Photonen einer bestimmten Polarisation in den Detektor gelangen bzw. ausgesendet werden, was die Detektion der Wechselwirkung zwischen
Photonenpaketen gleicher Wellenlänge verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Erzeugungseinrichtung und/oder die Verschränkungseinrichtung einen nicht-linearen optischen Kristall. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und gleichzeitige zuverlässige Weise zwei Lichtstrahlen mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden können. Umfassen die Erzeugungseinrichtung und die Verschränkungseinrichtung gemeinsam einen nicht-linearen optischen Kristall, wird also ein Lichtstrahl, Photonenpaket oder dergleichen mehrfach durch diesen geleitet, ist dies besonders kostengünstig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der nicht-lineare optische Kristall aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lithiumniobat und/oder strichgeometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismutborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt. Auf diese Weise lässt sich in flexibler Weise ein nicht-linearer optischer Kristall herstellen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle zur Erzeugung von gepulstem Licht ausgebildet. Mittels einer Lichtpulse erzeugenden Lichtquelle können auf einfache Weise Photonenpakete erzeugt werden, die einfacher zeitlich aufgelöst und damit gemessen werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Lichtquelle mittels einer pulsförmig modulierten Stromquelle steuerbar. Damit kann die Lichtquelle auf einfache Weise gesteuert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Zirkulationseinrichtung angeordnet, zur Zirkulation des Lichtstrahls mit Photonen der zweiten Wellenlänge eines der ersten Photonenpakete für eine bestimmte Zeitspanne, insbesondere in Form eines optischen Kreisels. Damit lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass das
Beobachterphotonenpaket bereitgehalten wird, bis das Sensorphotonenpaket vom Objekt reflektiert und vom Empfangspfad detektiert wurde.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zur Einkopplung und Auskopplung eines Photonenpakets aus der Zirkulationseinrichtung jeweils ein Koppler angeordnet. Damit lässt sich auf einfache Weise eine Ein- und Auskopplung eines Lichtstrahls aus der Zirkulationseinrichtung erreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Koppler zur Auskopplung einen adaptiven Kopplungsfaktor auf, derart, dass die Intensität des gekoppelten Lichts im Wesentlichen konstant haltbar ist. Damit ist die Intensität des ausgekoppelten Lichts von der in der Zirkulationseinrichtung gespeicherten Energie unabhängig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen Zirkulationseinrichtung und Koppler zur Auskopplung einen anpassbaren Abstand zueinander zur Anpassung des Kopplungsfaktors auf. Damit lässt sich eine einfache und effektive Anpassung des
Kopplungsfaktors erreichen. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anpassung des Kopplungsfaktors elektro-optisch möglich, bspw. durch veränderte optische
Materialeigenschaften des Kopplers. Darüber hinaus können auf Verstärker oder
Abschwächung alternativ oder zusätzlich eingebracht werden. Es ist ebenso möglich, den Koppler zur Einkopplung entsprechend auszubilden, also bspw. den Einkopplungsfaktor anzupassen durch Anpassen des Abstands zwischen Zirkulationseinrichtung und Koppler zur Einkopplung. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anpassung des
Einkopplungsfaktors elektro-optisch möglich, bspw. durch veränderte optische
Materialeigenschaften des Kopplers zur Einkopplung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Kopplungsfaktor des Kopplers zur Auskopplung mittels Veränderung seiner optischen Eigenschaften anpassbar. Dies kann bspw. durch Veränderung der Umgebungstemperatur, eines Stroms, einer
Ladungsträgerdichte und/oder Brechungsindex erfolgen. Damit lässt sich eine schnelle und flexible Anpassung des Kopplungsfaktors erreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein Absorber zumindest für Photonen des empfangenen Photonenpakets aus der Verschränkungseinrichtung angeordnet. Einer der erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache und zuverlässige Weise der Objektstrahl, also die Photonenpakete, die auf das Objekt ausgesendet werden und/oder von diesem reflektiert wurden, der aus der Verschränkungseinrichtung austritt, ausgeblendet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Absorber aus Black Silicon hergestellt. Damit kann Licht effektiv absorbiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von Objekten reflektierten Lichtstrahlen angeordnet, welche einen
Frequenzfilter, insbesondere einen Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung des ersten Referenzstrahls und zur Transmission des Objektstrahls ausgebildet ist. Ein möglicher Vorteil ist, dass Fremdlicht zuverlässig ausgeblendet werden kann. Dabei kann der Bandpassfilter zur Transmission von Licht der Wellenlänge des Objektstrahls +/- lOnm, insbesondere +/- 5nm, vorzugsweise +/- 2,5nm und/oder vorzugsweise +/-5%,
insbesondere +/-2%, vorzugsweise +/- 1% ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Zeitdifferenzeinrichtung angeordnet, die einen digitalen Zähler aufweist, insbesondere gesteuert durch Taktquellen mit hoher Frequenz, und/oder eine Serienschaltung mehrerer digitaler Gatter, Damit ist eine besonders zuverlässige Messung der Zeitspanne möglich. Unter hohen Frequenzen sind hier Frequenzen im GHz-Bereich, vorzugsweise zwischen 1-300 GHz, insbesondere zwischen 5-100 GHz zu verstehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektoreinrichtung eine nichtlineare Detektionscharakteristik auf. Damit kann eine Übersteuerung des Detektors vermieden werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Dabei zeigen in schematischer Form
Fig. 1 eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Messsignal einer Detektoreinrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung mit Komponenten gezeigt. Zunächst wird ein Strahl 1 bestehend aus kohärenten Photonen der Wellenlänge λο, bspw. 531 nm, mittels eines Lasers 11 erzeugt. Die Laserleistung des Lasers 11 wird durch eine pulsförmig modulierte Stromquelle 10 mit dem Dauerpegel Ii und dem Pulspegel b gesteuert. Der Laser 11 emittiert entsprechend eine Dauerleistung Pi, bspw. 1 mW und eine Pulsleistung P2, bspw. 50 W. Die Pulslänge beträgt beispielsweise zwischen 1 ns bis 10 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 8 ns, insbesondere zwischen 4 ns und 6 ns.
Der Laserstrahl 1 wird dann einem Strahlteiler 20 zugeführt. Es entstehen zwei
Laserstrahlen la und lb. Der Strahl la wird einem ersten Schritt einem nicht-linearen Kristall 30a zugeführt. Dieser kann aus periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, periodisch gepoltem Lithiumniobat, periodisch gepoltem stöchiometrischen Lithiumtantalat, Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein. Dabei entstehen in einem ersten Schritt in zwei überlagerten Strahlen 4 und 5 verschränkte Photonenpaare mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, bspw. λι=1550 nm und A2=810 nm.
In einem zweiten Schritt werden der Strahl 4 mit der Wellenlänge λι und der Strahl 5 mit der Wellenlänge K2 mittels eines wellenlängenselektiven Strahlteilers 60, bspw. in Form eines dichroitischen Spiegels, räumlich getrennt. Aufgrund der pulsförmigen Erregung des Lasers 11 werden der Strahl 4 zum Sensor(photonen)paket λι und der Strahl 5 zum
Beobachter(photonen)paket K2. Ein Absorber für die Photonen des Lasers 11 kann optional eingesetzt werden.
Der Strahl 5 des Beobachterpakets wird über einen Wellenleiter und einen ersten Koppler 111 einem optischen Resonator 110 zugeführt. Dort zirkulieren die Photonen für eine Zeitspanne von circa 1-200 ns, vorzugsweise 10-150 ns, insbesondere 50 -100 ns, insbesondere 75-95 ns. Mit Hilfe eines zweiten Kopplers 112 wird ein insbesondere geringer Teil der Photonen kontinuierlich ausgekoppelt. Der Kopplungsfaktor ist dabei so gewählt, dass für die Laufzeit des Sensorpakets von der Vorrichtung zum Objekt 70 und zurück (TTOF) eine ausreichende Anzahl von Photonen im Resonator 110 verbleiben (-20 bis -80 dB). In einer besonders vorteilhaften Ausführung weist der Koppler 112 einen adaptiven Kopplungsfaktor auf, so dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts konstant ist und nicht von der im Resonator gespeicherten Energie abhängig ist. Dies wird bspw. durch eine adaptive Abstandsänderung des Kopplers 112 vom Resonator 110 ermöglicht oder aber elektro-optisch durch veränderte optische Materialeigenschaften des Kopplers 112 in Folge eines elektrischen Signals. Alternativ oder zusätzlich können auch Verstärker oder Abschwächer angeordnet werden. Gleiches gilt entsprechend auch für den Koppler 111.
Das mittels des Kopplers 112 ausgekoppelte Licht 5 wird über den Umlenkspiegel 56 einem Strahlvereiniger 90 zugeführt. Die Wellenleiter, die Koppler 111, 112 und der Resonator 110 sind im Wellenlängenbereich um die Wellenlänge λ2 transparent. Geeignete Materialien zu deren Herstellung sind beispielsweise SiN oder SiO. Der Wellenleiter hat hier bspw. eine Breite von ca. 1 μηι und eine Dicke von ca. 500 nm. Der Resonator 110 hat einen
Durchmesser von bspw. 10 μηι und eine Dämpfung von bspw. < 0,9 dB/cm. Die Photonen des Lichtstrahls 4 des Sensorpakets werden nach der Erzeugung und Verschränkung optional mittels einer Verzögerungsplatte 65, insbesondere ein X/4- Plättchen, in ihrer Polarisation gedreht und mittels einer Sendevorrichtung optional oder zusätzlich mit einer Ablenkvorrichtung 68 dem Messobjekt 70 zugeführt. Die Photonen des Sensorpakets 4 werden vom Messobjekt 70, hier diffus, reflektiert und anteilig von einer Empfangsoptik 67 aufgenommen. Die Empfangsoptik 67 weist optional ein
Wellenlängenfilter 66 auf. Das Wellenlängenfilter 66 ist vorzugsweise ein Bandpassfilter mit hoher Transmission bei z. B. λι+/_ 10nm, insbesondere Ai+/-5nm, vorzugsweise Ai+/-2,5nm oder Ai+/-l,5nm und/oder vorzugsweise λι+/-5%, insbesondere Ki+/-2%, vorzugsweise λι+/_ 1% und geringer Transmission bei λ2, vorzugsweise in einem Bereich K2+/- lOnm, insbesondere A2+/-5nm, vorzugsweise A2+/_2,5nm oder A2+/-l,5nm und/oder vorzugsweise λ2+/-5%, insbesondere λ2+/-2%.
Im dritten Schritt werden die von der Empfangsoptik 67 aufgenommen Photonen aus dem Strahl 4 einem Strahlvereiniger 80 zugeführt und dort mit dem Licht lb des kohärenten Lasers 11 überlagert. Die überlagerten Strahlen 4, lb werden einem zweiten nicht-linearen Kristall 30b zugeführt. Dabei entstehen weitere verschränkte Photonenpaare 4, 5' mit der ersten und der zweiten Wellenlänge 5', bspw. λι = 1550 nm und λ2 = 810nm oder auch jede beliebige Wellenlänge zwischen 700nm und 1600nm. Dabei sind die neu erzeugten
Photonen der ersten Wellenlänge λι des Strahls 4 von den zuvor erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λι nicht unterscheidbar und werden somit weiterhin mit Bezugszeichen 4 in Fig. 1 bezeichnet. Die Photonen des Strahls 4 werden für die Detektion nicht weiter benötigt und können einem Absorber 96 zugeführt werden. Ein Absorber für die Photonen des Lasers 11 kann optional zusätzlich eingesetzt werden. Im vierten Schritt werden die aus dem Resonator ausgekoppelten Photonen des Lichtstrahls 5 des Beobachterpakets mit den in Schritt drei erzeugten Photonen
ununterscheidbar überlagert und im fünften Schritt mittels eines optionalen
Polarisationsfilters 95 dem Detektor 100 zugeführt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Detektor 100 kann eine Photodiode, die die Intensität des Photonenstroms detektiert oder um eine SPAD-Diode, welche auf einzelne Photonen reagiert, aufweisen. Letztere ermöglicht eine zuverlässige Detektion auch bei geringer Lichtstärke.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Sensorvorrichtung stellt ein LiDAR-System dar, welches ein Detektionssignal entsprechend Fig. 2 liefert. Der Grundpegel des Lasers Pi führt zu einem Detektionssignalpegel Si. Zum Zeitpunkt der Pulserzeugung to wird das Detektionssignal auf den Pegel S2 stark ansteigen. Es ist möglich, durch eine nicht-lineare Detektorcharakteristik eine Übersteuerung zu verhindern. In der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Pulses und dem Eintreffen des reflektierten Lichts t~roF sind am Detektor genau wie vor der Pulserzeugung nur Quanten der Lichtstrahlen 5 und 5' zu detektieren, welche in keiner Wechselwirkung mit den Quanten des Lichtstrahls 4 des Sensorpakets stehen. Zum Zeitpunkt des Eintreffens der reflektierten Quanten 4 des Sensorpakets und der Erzeugung der weiteren verschränkten Quanten im dritten Schritt findet mittels
Quantenverschränkung eine Wechselwirkung zwischen den Quanten 5 des
Beobachterpakets und den Quanten 4 des Sensorpakets statt. Durch die entsprechende ununterscheidbare Überlagerung und ggf. Filterung mittels eines Polarisationsfilters wird eine Veränderung des Detektionssignals Sd erzeugt. Die Zeitspanne t~roF zwischen der Erzeugung des Pulses und der Detektion der Beeinflussung der Quanten des
Beobachterpaktes kann mittels einer Zeitmesseinrichtung 200 gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung 300 in den gesuchten Objektabstand d umgerechnet werden über die Gleichung:
Figure imgf000012_0001
wobei Co die Lichtgeschwindigkeit darstellt. Die Zeitspanne kann mit bekannten Methoden der elektrischen Zeitmessung bestimmt werden. Besonders geeignet sind digitale Zähler, welche von hochfrequenten Taktquellen inkrementiert werden oder die
Hintereinanderschaltung von digitalen Gattern, wobei das Signal to die Messung
auslöst und die Detektion von Sd die Messung beendet.
Fig. 3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Schritt Tl werden verschränkte Photonenpaare mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen λι, λ2 mittels eines kohärenten Lasers 11 und eines ersten nicht-linearen Kristalls 30a erzeugt.
In einem zweiten Schritt T2 werden diese in zwei Photonenpakete getrennt, von denen das erste Paket - Sensorpaket - mit einer ersten Wellenlänge λι mit einem Objekt 70 wechselwirkt und das zweite Paket - Beobachterpaket - mit einer zweiten Wellenlänge λ2 in einem optischen Kreisel 110 für eine Zeitspanne im Bereich von -100 ns zirkuliert. Die
Photonen des Sensorpakets werden nach der Erzeugung und Verschränkung mittels einer Verzögerungsplatte 65, insbesondere in Form eines λ /4-Plättchens in der Polarisation in einem dritten Schritt T3 gedreht.
Mittels einer Sendevorrichtung und zusätzlich oder alternativ mit einer Ablenkvorrichtung werden dann Photonen des Sensorpaktes dem Messobjekt 70 in einem vierten Schritt T4 zugeführt. Die Photonen des Sensorpakets werden vom Messobjekt diffus in einem fünften Schritt T5 reflektiert und anteilig von der Empfangsoptik in einem sechsten Schritt T6 aufgenommen.
In einem siebten Schritt T7 werden die aufgenommen Photonen einem zweiten nichtlinearen Kristall 30b zugeführt und dort mit dem Licht des kohärenten Lasers 11 in einem achten Schritt T8 überlagert. Dabei entstehen weitere verschränkte Photonenpaare mit der ersten und der zweiten Wellenlänge λι, λ2. Dabei sind die neu erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λι von den zuvor im zweiten Schritt T2 erzeugten Photonen der ersten Wellenlänge λι nicht unterscheidbar. Von den im optischen Kreisel 110 zirkulierenden Photonen der zweiten Wellenlänge λ2, welche im ersten Schritt Tl erzeugt wurden, wird mittels eines Kopplers 12 ein insbesondere kleiner Teil in einem neunten Schritt T9 ausgekoppelt und im zehnten Schritt T10 mit den im achten Schritt T8 erzeugten Photonen der zweiten Wellenlänge λ2 ununterscheidbar überlagert. Die überlagerten Photonen der zweiten Wellenlänge λ2 werden in einem elften Schritt TU einem Detektor 110 zugeführt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Mittels einer Zeitmesseinrichtung 200 kann in einem zwölften Schritt T12 die Zeitspanne t~roF zwischen der Erzeugung des Pulses und der Detektion der Beeinflussung der Quanten des Beobachterpaktes gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung 300 in den gesuchten Objektabstand d in einem dreizehnten Schritt T13 umgerechnet werden.
Zusammenfassend wird durch die Erfindung und insbesondere ihre Ausführungsformen und insbesondere durch die beschriebenen Ausführungsformen ein kompaktes,
kostengünstiges und zuverlässiges LiDAR-Sensorsystem mit hoher Sensitivität und hoher Augensicherheit bereitgestellt. Im Detail ist dabei durch Trennung der Wellenlänge für die Beleuchtung des Objekts und die Detektion, beispielweise eine Optimierung auf
Augensicherheit und/oder Maximierung der zulässigen Sendeleistung unabhängig von der Realisierung eines geeigneten Detektors möglich. Weiterhin ist eine Bandbreite eines im
Detektionspfad angeordneten spektralen Filters nicht mehr rauschleistungsbestimmend und insbesondere damit unabhängig vom Sonnenlicht. Damit kann bspw. in einem biaxialen Detektionspfad ein flächiger Detektor verwendet werden bzw. mittels einer geeigneten Struktur in der integrierten Photonik das gesamte von der Empfangsoptik eingesammelte Licht einem Einzeldetektor zugeführt werden und somit ein Empfangsarray vermieden werden. Gleichzeitig kann auf einen sehr schmalbandigen, winkelunabhängigen jedoch komplizierten Wellenlängenfilter verzichtet werden.
Darüber wird eine hohe Sensitivität ermöglicht, da vollständig anderer Rauschleistungspfad verwendet wird, was ein kompaktes LiDAR-System mit kleineren Linsen und ggf. mit Mikrospiegelablenkung ermöglicht, um komplexe Empfangsarrays verwendet werden können. Ebenso kann das LiDAR-System auch mit optischen Phasearrays kombiniert werden Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Bereitstellung eines Detektionssignals (SD) für zu detektierende Objekte (70), wobei
zwei erste Photonenpakete (4, 5) unterschiedlicher Wellenlänge (λι, λ2) mit verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden und wobei
Photonen eines der ersten Photonenpakete (λι) auf ein Objekt (70) ausgesendet werden wobei
das vom Objekt (70) reflektierte Photonenpaket dann mittels
Quantenverschränkung mit dem zweiten ersten Photonenpaket (λ2) wechselwirkt und wobei
das Detektionssignal (SD) basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des ersten Photonenpakets (4) auf das Objekt (70) und Detektion einer
Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen (λι, λ2) erzeugt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei
Photonen des vom Objekt (70) reflektierten Photonenpakets (4) mit erster Wellenlänge (λι) und Photonen eines Ausgangslichtstrahls (1) mit
Ausgangswellenlänge (λο) überlagert werden zur Erzeugung zweier zweiter Photonenpakete (4, 5'), eines mit erster Wellenlänge (λι), eines mit zweiter Wellenlänge (λ2), mit jeweils verschränkten Photonenpaaren und wobei die beiden Photonenpakete (5, 5') mit Photonen zweiter Wellenlänge (λ2) überlagert werden.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Photonen der zweiten Wellenlänge (λ2) des ersten Photonenpakets (5) in einer Zirkulationseinrichtung (110) für eine bestimmte Zeitspanne zirkulieren.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei vor der Aussendung und/oder vor der Detektion die Polarisation eines Photonenpakets gedreht und/oder gefiltert wird.
5. Sensorvorrichtung zur Bereitstellung eines Detektionssignals (Sd) für zu
detektierende Objekte (70), umfassend eine Erzeugungseinrichtung (10, 11, 30a) zur Erzeugung zweier erster Photonenpakete (4, 5) unterschiedlicher Wellenlänge (λι, λ2) mit verschränkten Photonenpaaren,
eine Sendeeinrichtung (60, 65, 68) zur Aussendung eines der ersten Photonenpakete (4) auf das Objekt,
eine Empfangseinrichtung (66, 67, 80) zum Empfangen des vom Objekt reflektierten Photonenpakets (4),
eine Verschränkungseinrichtung (30b, 90) zur Quantenverschränkung von empfangenem Photonenpaket (4) und einem ersten Photonenpaket (5), und
einen Detektor zur Erzeugung des Detektionssignals (SD) basierend auf der Zeitdifferenz von Aussendung des einen ersten Photonenpakets (4) auf das Objekt (70) und Detektion einer Wechselwirkung zwischen den beiden Photonenpaketen (4, 5).
6. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Erzeugungseinrichtung (10, 11, 60) und/oder die Verschränkungseinrichtung (30b, 90) einen nicht-linearen optischen Kristall (30a, 30b) umfassen, wobei der nicht-lineare optische Kristall (30a, 30b) aus insbesondere periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat, Lihtiumniobat, und/oder stöchiometrischem Lithiumtantalat und/oder Bariumborat, Lithiumtriborat, Bismuthborat und/oder Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt sein kann.
7. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei eine
Zirkulationseinrichtung (110) angeordnet ist zur Zirkulation des Lichtstrahls mit Photonen der zweiten Wellenlänge (λ2) eines der ersten Photonenpakete (5) für eine bestimme Zeitspanne, insbesondere in Form eines optischen Kreisels.
8. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei zur Einkopplung und zur Auskopplung eines Photonenpakets aus der Zirkulationseinrichtung (110) jeweils ein Koppler (111, 112) angeordnet ist, der einen adaptiven Kopplungsfaktor aufweisen, derart, dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts im Wesentlichen konstant ist.
9. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei Zirkulationseinrichtung (110) und
Koppler zur Auskopplung (112) einen anpassbaren Abstand zueinander zur Anpassung des Kopplungsfaktors aufweisen.
10. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der Kopplungsfaktor des Kopplers zur Auskopplung (112) mittels Veränderung seiner optischen Eigenschaften anpassbar ist.
11. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-10, wobei ein Absorber (96) zumindest für Photonen des empfangenen Photonenpakets (4) aus der
Verschränkungseinrichtung (30b) angeordnet ist, wobei dieser aus Black Silicon hergestellt sein kann.
12. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-11, wobei eine
Empfangseinrichtung (66, 67, 68) zum Empfangen von von Objekten (70) reflektierten Lichtstrahlen (4) angeordnet ist, welche einen Frequenzfilter, insbesondere einen
Bandpassfilter, aufweist, der zur Unterdrückung von Licht einer der Wellenlängen und zur Transmission der anderen Wellenlänge ausgebildet ist.
13. LIDAR-Scanner, insbesondere Mikroscanner, mit zumindest einer Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5-12, wobei der LIDAR-Scanner einen mikromechanischen Spiegel zur Umlenkung eines der ersten Photonenpakete (4) aufweist.
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