WO2019145242A1 - Device and method for determining a distance to a moving object - Google Patents

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WO2019145242A1
WO2019145242A1 PCT/EP2019/051320 EP2019051320W WO2019145242A1 WO 2019145242 A1 WO2019145242 A1 WO 2019145242A1 EP 2019051320 W EP2019051320 W EP 2019051320W WO 2019145242 A1 WO2019145242 A1 WO 2019145242A1
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wgm resonator
frequency
laser
signal
free spectral
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PCT/EP2019/051320
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Vladimir Davydenko
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Carl Zeiss Smt Gmbh
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    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/491Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912Receivers
    • G01S7/4917Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a distance of a moving object, as well as a light source for emitting an optical signal with a time-varying frequency, in particular for use in such a device.
  • LIDAR optical distance measurement of objects u.a.
  • a measurement principle also known as LIDAR in which an optical signal, which is temporally changed in its frequency, is emitted towards the object in question and evaluated after back reflection on the object.
  • Fig. 1 a shows only a schematic representation of a known per se basic structure in which a signal emitted by a light source 110 with time-varying frequency (also referred to as "chirp") in two Partial signals is split, this splitting is done for example via a partially transparent mirror, not shown.
  • the two sub-signals are coupled via a signal coupler 150 and superimposed on one another at a detector 160, wherein the first sub-signal 111 reaches the signal coupler 150 and the detector 160 as reference signal without reflection at the object labeled "140".
  • the second partial signal 121 which arrives at the signal coupler 150 or at the detector 160, on the other hand, passes to the object 140 via an optical circulator 130, is reflected back by the latter and thus arrives at the signal coupler with a time delay and a correspondingly changed frequency in comparison to the first partial signal 111 150 and the detector 160.
  • the measuring signal supplied by the detector 160 is evaluated relative to the measuring device or the light source 110 via an evaluation device (not shown), wherein the difference frequency 131 between the sub-signals 111, 121 detected at a specific instant in the diagram of FIG is characteristic of the distance of the object 140 from the measuring device or the light source 110.
  • the time-dependent frequency profile of the signal emitted by the light source 110 can also be such that two sections are present. in which the time derivative of the frequency generated by the light source 110 is opposite to each other.
  • WGMR "whispering gallery mode resonator
  • this frequency sweep of the light source in the case of the structure shown in FIG. by applying to the WGM resonator 510 (made of electro-optical crystal material) with electrical voltage.
  • the tunable frequency range (“sweep ranks”) is limited by the maximum permissible electrical voltage as well as the dimensions of the WGM resonator 510.
  • the low free spectral range (FSR) of the WGM resonator 510 in turn requires a correspondingly strong limitation of the amplification bandwidth of the laser 501, because to ensure a one-mode operation, the free spectral range (FSR) of the WGM resonator 510 must be greater than the gain bandwidth For this reason, in the structure of Fig. 5, as the laser 501, a DFB ("distributed feedback laser") laser with a low spectral amplification bandwidth is typically used.
  • An apparatus according to the invention for determining a distance of a moving object has:
  • a light source for emitting an optical signal having a time-varying frequency
  • the light source comprises a laser, a first WGM resonator which is optically coupled to the laser, and a second WGM resonator, which is optically coupled to the laser, having;
  • a detector for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal and a second partial signal, wherein the first partial signal and the second partial signal have arisen by decomposing the optical signal emitted by the light source, wherein the first partial signal without prior reflection on the object the second sub-signal passes to the detector after reflection at the object, wherein the detector signal for the difference frequency between the frequency of the second sub-signal and the frequency of the first sub-signal is characteristic;
  • the invention is based on the concept that in a tunable light source for use in a device for distance measurement, two WGM resonators with free spectral ranges (FSR) that can be set independently of one another (in particular to slightly, eg by 10% mutually different values) operate. In this way, as described in more detail below, in comparison to the concept described at the outset with reference to FIG.
  • the provision according to the invention of two WGM resonators achieves, in particular, that by changing the free spectral range (FSR) of one of the WGM resonators or both WGM resonators (ie setting different FSR combinations), shifts of the frequencies coinciding in the frequency spectrum Modes of the two WGM resonators and thus the frequency of the emitted light across the entire amplification bandwidth of the laser medium can be realized with the result that in comparison to the use of a single WGM resonator considerably enlarged tuning range is realized.
  • FSR free spectral range
  • the use according to the invention of two WGM resonators in the tunable light source further achieves the requirement described at the beginning of the conventional concept described with reference to FIG. 5 of limiting the gain bandwidth of the laser (eg by using a DFB Laser) deleted. While in the conventional approach using only a single WGM resonator, the circumstance of the comparatively small free spectral range (FSR) of this WGM resonator must be taken into account by correspondingly limiting the amplification bandwidth of the laser must, this limitation can be avoided by the inventive use of two WGM resonators.
  • FSR free spectral range
  • the free spectral range of the first WGM resonator and / or the free spectral range of the second WGM resonator can be varied in order to vary the frequency of the transmitted optical signal.
  • this variation of the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator is a frequency at which modes of the first WGM resonator and the second WGM resonator coincide over the entire gain bandwidth of the laser displaceable.
  • the laser has an optical semiconductor amplifier. This advantageously makes it possible to take advantage of the fact that the use of two WGM resonators according to the invention eliminates the need for limiting the gain bandwidth of the laser (for example by using a DFB laser).
  • the light source has a tuning range which comprises at least the wavelength range from 20 nm to 100 nm, in particular at least the wavelength range from 5 nm to 150 nm.
  • the optical coupling of the first WGM resonator and / or the second WGM resonator to the laser is realized via at least one prism.
  • the optical coupling of the first WGM resonator and / or the second WGM resonator to the laser is realized via at least one optical waveguide.
  • the invention also relates to a method for determining a distance of a moving object, the method comprising the following steps:
  • the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator are varied to vary the frequency of the optical signal emitted by the light source.
  • the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator may be at least temporarily increased by at least 5%, in particular at least 10%, in each case based on the greater value, different values can be set.
  • the invention further relates to a light source for emitting an optical signal with a time-varying frequency, in particular for use in a device for determining a distance of a moving object, with • a laser;
  • a first WGM resonator which is optically coupled to the laser
  • a second WGM resonator which is optically coupled to the laser
  • the free spectral range of the first WGM resonator and / or the free spectral range of the second WGM resonator is variable;
  • objects measured in the context of the distance may be only examples (and without the invention being limited thereto) of objects that are relevant in the road traffic or automobile sector (eg foreign vehicles), but also robot components such as robot arms.
  • robot arms on the one hand, a distance measurement for the purpose of position tracking (“tracking") can take place.
  • robot arms can themselves also be designed for the three-dimensional scanning of components (in a 3D scanner) and for this purpose be equipped with a light source according to the invention.
  • the light source according to the invention or the tuning of the WGM resonators can also be used in telecommunications for rapid switching to another frequency range or in optical coherence tomography (OCT). Further embodiments of the invention are described in the description and the dependent claims.
  • Figure 1a-b is a schematic representation ( Figure 1 a) and a diagram
  • Figure 2a-b are schematic representations for explaining the basic possible structure of a light source according to the invention in exemplary embodiments
  • Figure 3-4 are schematic diagrams for explaining the operation of a light source according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic representation for explaining the structure and operation of a conventional light source in a device for distance measurement.
  • FIG. 2a shows a merely schematic illustration for explaining the possible structure of a light source according to the invention.
  • the light source has a laser 201, a first WGM resonator 210, which is optically coupled to the laser 201, and a second WGM resonator 220, which is likewise optically coupled to the laser 201.
  • the optical coupling takes place (without the invention being restricted thereto) according to FIG. 2 a via a respective prism 215 or 225.
  • the optical coupling may also be done in any other suitable manner (e.g., via optical fibers).
  • Fig. 2b shows a schematic representation of an exemplary embodiment thereof.
  • both WGM resonators 260, 270 are arranged on one and the same side of the laser 251 (possibly in an advantageous manner under production aspects).
  • the respective free spectral ranges of the two WGM resonators 210, 220 can be adjusted in a targeted manner by modifying the respective physical parameters of the respective electro-optical material, such as the refractive index or the geometric dimensions (corresponding to FIG "Tuning" of the WGM resonators 210, 220), wherein this modification of the physical parameters in turn can be done by applying an electrical voltage, by pressure and / or heat or in any other suitable manner.
  • the laser 201 emits photons, which cause resonance excitation of both the first WGM resonator 210 and the second WGM resonator 220.
  • the frequency at which the modes of the two WGM resonators 210, 220 coincide and at which the laser 201 emits can thus be determined over the entire amplification bandwidth of the laser 201 be moved.
  • the effect achieved by varying the free spectral range (FSR) of the WGM resonators 210, 220 is illustrated in the diagrams of FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows the corresponding modes for a first setting or combination of the two free spectral ranges (FSR) of the WGM resonators 210, 220 for the two WGM resonators 210, 220 used in the light source according to the invention
  • Fig. 3 shows a portion of the (in arbitrary units) applied frequencies is enlarged accordingly.
  • the frequency of the light emitted by the laser 201 corresponds to the frequency at which the modes of the two WGM resonators 210, 220 coincide, as shown in FIG. 3 at the frequency of slightly less than 16 (arbitrary) frequency units highlighted by the drawn circle Case is.
  • a tuning of the frequency over the entire gain bandwidth of the laser 201 can be achieved, thus using the light source in the arrangement of FIG correspondingly large tuning range, which can comprise, for example, at least the wavelength range from 20 nm to 100 nm, preferably from 5 nm to 150 nm.

Abstract

The invention relates to a device and a method for determining a distance to a moving object, and to a light source for emitting an optical signal of temporally varying frequency, in particular for use in such a device. A device according to the invention comprises: a light source (110) for emitting an optical signal of temporally varying frequency, wherein the light source comprises a laser (201, 251), a first WGM resonator (210, 260), which is optically coupled to the laser, and a second WGM resonator (220, 270), which is optically coupled to the laser, a detector (160) for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal (111) and a second partial signal (121), wherein the first partial signal and the second partial signal are obtained by splitting the optical signal emitted by the light source (110), wherein the first partial signal reaches the detector without prior reflection at the object, and wherein the second partial signal reaches the detector (160) after reflection at the object, wherein the detector signal is characteristic of the frequency difference between the frequency of the second partial signal and the frequency of the first partial signal, and an evaluation unit for determining a distance to the object on the basis of this frequency difference.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum  Apparatus and method for
Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts  Determining a distance of a moving object
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent- anmeldung DE 10 2018 201 318.7, angemeldet am 29. Januar 2018. Der Inhalt dieser DE-Anmeldung wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen. The present application claims the priority of German Patent Application DE 10 2018 201 318.7, filed on January 29, 2018. The content of this DE application is incorporated by reference into the present application text ("incorporation by reference").
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, sowie eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, insbesondere zur Verwendung in einer solchen Vorrichtung. The invention relates to a device and a method for determining a distance of a moving object, as well as a light source for emitting an optical signal with a time-varying frequency, in particular for use in such a device.
Stand der Technik State of the art
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR be- zeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. For optical distance measurement of objects u.a. a measurement principle also known as LIDAR, in which an optical signal, which is temporally changed in its frequency, is emitted towards the object in question and evaluated after back reflection on the object.
Fig. 1 a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 110 ausgesandtes Signal mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als„Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 150 gekoppelt und an einem Detektor 160 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal 111 als Referenzsignal ohne Reflexion an dem mit„140“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 150 und zum Detek- tor 160 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 150 bzw. am Detektor 160 ein- treffende Teilsignal 121 verläuft hingegen über einen optischen Zirkulator 130 zum Objekt 140, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Ver- gleich zum ersten Teilsignal 111 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 150 und zum Detektor 160. Fig. 1 a shows only a schematic representation of a known per se basic structure in which a signal emitted by a light source 110 with time-varying frequency (also referred to as "chirp") in two Partial signals is split, this splitting is done for example via a partially transparent mirror, not shown. The two sub-signals are coupled via a signal coupler 150 and superimposed on one another at a detector 160, wherein the first sub-signal 111 reaches the signal coupler 150 and the detector 160 as reference signal without reflection at the object labeled "140". The second partial signal 121 which arrives at the signal coupler 150 or at the detector 160, on the other hand, passes to the object 140 via an optical circulator 130, is reflected back by the latter and thus arrives at the signal coupler with a time delay and a correspondingly changed frequency in comparison to the first partial signal 111 150 and the detector 160.
Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 160 gelieferte Messsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 aus- gewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von Fig. 1 b dargestellte Differenzfrequenz 131 zwischen den Teilsignalen 111 , 121 charakteristisch für den Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ist. Gemäß Fig. 1 b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 140 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 der zeitabhängige Fre- quenzverlauf des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals auch so be- schaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 110 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist. The measuring signal supplied by the detector 160 is evaluated relative to the measuring device or the light source 110 via an evaluation device (not shown), wherein the difference frequency 131 between the sub-signals 111, 121 detected at a specific instant in the diagram of FIG is characteristic of the distance of the object 140 from the measuring device or the light source 110. According to FIG. 1b, in order to obtain additional information regarding the relative speed between the object 140 and the measuring device or the light source 110, the time-dependent frequency profile of the signal emitted by the light source 110 can also be such that two sections are present. in which the time derivative of the frequency generated by the light source 110 is opposite to each other.
Zur Realisierung der hinsichtlich der Frequenz des ausgesandten Lichtes durchstimmbaren Lichtquelle 110 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ein Laser 501 über einen optischen Koppler 515 z.B. in Form eines Prismas an einen WGM-Resonator 510 (WGMR = „whispering gallery mode resonator“) optisch gekoppelt ist, wobei aufgrund der Verwendung des WGM-Resonators 510 eine vergleichsweise hohe Resonator- güte, eine geringe Linienbreite und eine große Kohärenzlänge erzielt werden können. Über die Bereitstellung einer möglichst hohen Kohärenzlänge hinaus besteht jedoch auch für die Durchführung hochgenauer Abstandsmessungen (z.B. mit Genauigkeiten im Mikrometer-Bereich über Entfernungen von mehreren Metern) der Bedarf nach einem möglichst großen durchstimmbaren Frequenz- bereich der Lichtquelle 1 10. To realize the tunable with respect to the frequency of the emitted light source 110, an arrangement is known in which as shown schematically in Fig. 5, a laser 501 via an optical coupler 515, for example in the form of a prism to a WGM resonator 510 (WGMR = "whispering gallery mode resonator ") is optically coupled, wherein due to the use of the WGM resonator 510 a comparatively high resonator quality, a small line width and a large coherence length can be achieved. In addition to providing the highest possible coherence length, however, there is also a need for the largest possible tunable frequency range of the light source 110 for carrying out high-precision distance measurements (eg with accuracies in the micrometer range over distances of several meters).
Grundsätzlich erfolgt diese Frequenzdurchstimmung („sweep“) der Lichtquelle im Falle des in Fig. 5 dargestellten Aufbaus z.B. durch Beaufschlagung des (aus elektrooptischem Kristallmaterial gefertigten) WGM-Resonators 510 mit elektrischer Spannung. Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass der für den durchstimmbaren Frequenzbereich maßgebliche freie Spektralbe- reich (FSR= „free spectral range“= „freier Spektralbereich“) des WGM- Resonators 510 gering ist. Insbesondere ist der durchstimmbare Frequenz- bereich („sweep ränge“) durch die maximal zulässige elektrische Spannung sowie die Abmessungen des WGM-Resonators 510 begrenzt. Basically, this frequency sweep of the light source in the case of the structure shown in FIG. by applying to the WGM resonator 510 (made of electro-optical crystal material) with electrical voltage. A problem which arises in practice in this case is that the free spectral range (FSR = "free spectral range") of the WGM resonator 510 which is relevant for the tunable frequency range is low. In particular, the tunable frequency range ("sweep ranks") is limited by the maximum permissible electrical voltage as well as the dimensions of the WGM resonator 510.
Der geringe freie Spektralbereich (FSR) des WGM-Resonators 510 erfordert wiederum eine entsprechend starke Begrenzung der Verstärkungsbandbreite des Lasers 501 , da zur Sicherstellung eines Ein-Moden-Betriebs der freie Spektralbereich (FSR) des WGM-Resonators 510 größer sein muss als die Verstärkungsbandbreite des Lasers 501. In dem Aufbau von Fig. 5 wird aus diesem Grund als Laser 501 typischerweise ein DFB-Laser („Distributed Feed- back Laser“) mit geringer spektraler Verstärkungsbandbreite eingesetzt. The low free spectral range (FSR) of the WGM resonator 510 in turn requires a correspondingly strong limitation of the amplification bandwidth of the laser 501, because to ensure a one-mode operation, the free spectral range (FSR) of the WGM resonator 510 must be greater than the gain bandwidth For this reason, in the structure of Fig. 5, as the laser 501, a DFB ("distributed feedback laser") laser with a low spectral amplification bandwidth is typically used.
Vor dem obigen Hintergrund ergibt sich ein vergleichsweise geringer Durch- stimmbereich hinsichtlich der Frequenz des von der Lichtquelle 110 ausge- sandten Lichtes von größenordnungsmäßig einigen 100 MHz bis zu wenigen GHz, was sich für die vorstehend genannten hochgenauen Messanwendungen als unzureichend erweisen kann. In view of the above background, a comparatively small tuning range results with respect to the frequency of the light emitted by the light source 110 of the order of magnitude of a few hundred MHz to a few GHz, which may prove inadequate for the abovementioned high-precision measurement applications.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 verwiesen. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG For the state of the art, reference is made, by way of example only, to US 2016/0299228 A1. SUMMARY OF THE INVENTION
Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines be- wegten Objekts bereitzustellen, womit insbesondere bei der Abstands- ermittlung von bewegten Objekten mit Abständen in der Größenordnung von mehreren Metern eine hochgenaue Abstandsermittlung auf wenige Mikrometer (m m) realisierbar ist. In view of the above background, it is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for determining a distance of a moving object, thus providing highly accurate distance detection particularly in the distance detection of moving objects having distances of several meters a few microns (mm) can be realized.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unab- hängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8 gelöst. This object is achieved by the device according to the features of the independent patent claim 1 and the method according to the features of the independent claim 8.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines be- wegten Objekts weist auf: An apparatus according to the invention for determining a distance of a moving object has:
- eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, wobei die Lichtquelle einen Laser, einen ersten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekoppelt ist, und einen zweiten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekop- pelt ist, aufweist;  a light source for emitting an optical signal having a time-varying frequency, wherein the light source comprises a laser, a first WGM resonator which is optically coupled to the laser, and a second WGM resonator, which is optically coupled to the laser, having;
- einen Detektor zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Über- lagerung eines ersten Teilsignals und eines zweiten Teilsignals, wobei das erste Teilsignal und das zweite Teilsignal durch Zerlegung des von der Lichtquelle ausgesandten optischen Signals hervorgegangen sind, wobei das erste Teilsignal ohne vorherige Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt und wobei das zweite Teilsignal nach Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt, wobei das Detektorsignal für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals charakteristisch ist; und  a detector for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal and a second partial signal, wherein the first partial signal and the second partial signal have arisen by decomposing the optical signal emitted by the light source, wherein the first partial signal without prior reflection on the object the second sub-signal passes to the detector after reflection at the object, wherein the detector signal for the difference frequency between the frequency of the second sub-signal and the frequency of the first sub-signal is characteristic; and
- einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis dieser Differenzfrequenz. Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer durchstimm- baren Lichtquelle zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Abstandsmessung zwei WGM-Resonatoren mit unabhängig voneinander (insbesondere auf ge- ringfügig, z.B. um 10% voneinander verschiedene Werte) einstellbaren freien Spektralbereichen (FSR) zu betreiben. Auf diese Weise kann, wie im Weiteren noch detaillierter beschrieben, im Vergleich zu dem eingangs anhand von Fig. 5 beschriebenen Konzept bei weiterhin hoher Kohärenz des ausgesandten Lichtes eine signifikante Vergrößerung des Durchstimmbereichs der Lichtquelle hinsichtlich der Frequenz des ausgesandten Lichtes erzielt werden, so dass auch für Objekte in einer Entfernung von mehreren Metern hochgenaue Ab- standsmessungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich realisierbar sind. - An evaluation device for determining a distance of the object based on this difference frequency. In particular, the invention is based on the concept that in a tunable light source for use in a device for distance measurement, two WGM resonators with free spectral ranges (FSR) that can be set independently of one another (in particular to slightly, eg by 10% mutually different values) operate. In this way, as described in more detail below, in comparison to the concept described at the outset with reference to FIG. 5, with a further high coherence of the emitted light, a significant enlargement of the tuning range of the light source with respect to the frequency of the emitted light can be achieved, so that as well For objects at a distance of several meters, highly accurate distance measurements with accuracies in the micrometer range can be realized.
Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung von zwei WGM-Resonatoren wird insbesondere erreicht, dass durch Änderung des freien Spektralbereichs (FSR) von einem der WGM-Resonatoren oder beider WGM-Resonatoren (d.h. Ein- stellung unterschiedlicher FSR-Kombinationen) Verschiebungen der im Fre- quenzspektrum zusammenfallenden Moden der beiden WGM-Resonatoren und damit der Frequenz des ausgesandten Lichtes über die gesamte Verstär- kungsbandbreite des Lasermediums hinweg realisierbar sind mit der Folge, dass ein im Vergleich zum Einsatz eines einzigen WGM-Resonator erheblich vergrößerter Durchstimmbereich realisiert wird. The provision according to the invention of two WGM resonators achieves, in particular, that by changing the free spectral range (FSR) of one of the WGM resonators or both WGM resonators (ie setting different FSR combinations), shifts of the frequencies coinciding in the frequency spectrum Modes of the two WGM resonators and thus the frequency of the emitted light across the entire amplification bandwidth of the laser medium can be realized with the result that in comparison to the use of a single WGM resonator considerably enlarged tuning range is realized.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von zwei WGM-Resonatoren in der durchstimmbaren Lichtquelle wird weiter erreicht, dass das eingangs beschrie- bene, beim herkömmlichen, anhand von Fig. 5 beschriebenen Konzept beste- hende Erfordernis einer Begrenzung der Verstärkungsbandbreite des Lasers (z.B. durch Verwendung eines DFB-Lasers) entfällt. Während nämlich bei dem herkömmlichen Ansatz unter Verwendung lediglich eines einzigen WGM- Resonators dem Umstand des vergleichsweise kleinen freien Spektralbereichs (FSR) dieses WGM-Resonators dadurch Rechnung getragen werden muss, dass die Verstärkungsbandbreite des Lasers entsprechend beschränkt werden muss, kann diese Einschränkung durch den erfindungsgemäßen Einsatz von zwei WGM-Resonatoren vermieden werden. The use according to the invention of two WGM resonators in the tunable light source further achieves the requirement described at the beginning of the conventional concept described with reference to FIG. 5 of limiting the gain bandwidth of the laser (eg by using a DFB Laser) deleted. While in the conventional approach using only a single WGM resonator, the circumstance of the comparatively small free spectral range (FSR) of this WGM resonator must be taken into account by correspondingly limiting the amplification bandwidth of the laser must, this limitation can be avoided by the inventive use of two WGM resonators.
Gemäß einer Ausführungsform sind zur Variation der Frequenz des ausge- sandten optischen Signals der freie Spektralbereich des ersten WGM- Resonators und/oder der freie Spektralbereich des zweiten WGM-Resonators variierbar. According to one embodiment, the free spectral range of the first WGM resonator and / or the free spectral range of the second WGM resonator can be varied in order to vary the frequency of the transmitted optical signal.
Gemäß einer Ausführungsform ist durch diese Variation des freien Spektral- bereichs (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder des freien Spektral- bereichs (FSR) des zweiten WGM-Resonators eine Frequenz, bei welcher Moden des ersten WGM-Resonators und des zweiten WGM-Resonators zusammenfallen, über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers ver- schiebbar. According to one embodiment, by this variation of the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator is a frequency at which modes of the first WGM resonator and the second WGM resonator coincide over the entire gain bandwidth of the laser displaceable.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Laser einen optischen Halbleiterver- stärker auf. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der Umstand ausgenutzt werden, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von zwei WGM- Resonatoren das Erfordernis einer Begrenzung der Verstärkungsbandbreite des Lasers (z.B. durch Verwendung eines DFB-Lasers) entfällt. According to one embodiment, the laser has an optical semiconductor amplifier. This advantageously makes it possible to take advantage of the fact that the use of two WGM resonators according to the invention eliminates the need for limiting the gain bandwidth of the laser (for example by using a DFB laser).
Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquelle einen Durchstimmbereich auf, welcher zumindest den Wellenlängenbereich von 20nm bis 100nm, ins- besondere zumindest den Wellenlängenbereich von 5nm bis 150nm, umfasst. According to one embodiment, the light source has a tuning range which comprises at least the wavelength range from 20 nm to 100 nm, in particular at least the wavelength range from 5 nm to 150 nm.
Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Kopplung des ersten WGM- Resonators und/oder des zweiten WGM-Resonators an den Laser über wenigstens ein Prisma realisiert. According to one embodiment, the optical coupling of the first WGM resonator and / or the second WGM resonator to the laser is realized via at least one prism.
Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Kopplung des ersten WGM- Resonators und/oder des zweiten WGM-Resonators an den Laser über we nigstens einen Lichtwellenleiter realisiert. Die Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: According to one embodiment, the optical coupling of the first WGM resonator and / or the second WGM resonator to the laser is realized via at least one optical waveguide. The invention also relates to a method for determining a distance of a moving object, the method comprising the following steps:
- Aussenden eines optischen Signals, wobei das Signal eine zeitlich variie- rende Frequenz aufweist, unter Verwendung einer Lichtquelle zum Aus- senden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, wobei die Lichtquelle einen Laser, einen ersten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekoppelt ist, und einen zweiten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekoppelt ist, aufweist;  Emitting an optical signal, the signal having a time-varying frequency, using a light source for emitting a time-varying frequency optical signal, the light source comprising a laser, a first WGM resonator optically transmitting to the laser and a second WGM resonator optically coupled to the laser;
- Erfassen von durch Zerlegung dieses Signals erzeugten, einander über- lagernden Teilsignalen mit einem Detektor, wobei ein erstes Teilsignal dieser Teilsignale ohne vorherige Reflexion an dem Objekt auf den Detek- tor auftrifft und wobei ein zweites Teilsignal dieser Teilsignale nach Refle- xion an dem Objekt auf den Detektor auftrifft; und  - Detecting generated by decomposition of this signal, superimposed partial signals with a detector, wherein a first partial signal of these partial signals without prior reflection on the object impinges on the detector and wherein a second partial signal of these partial signals after reflection on the object impinging on the detector; and
- Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals.  - Determining a distance of the object based on the difference frequency between the frequency of the second partial signal and the frequency of the first partial signal.
Gemäß einer Ausführungsform werden der freie Spektralbereich (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder der freie Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators zur Variation der Frequenz des von der Lichtquelle ausge- sandten optischen Signals variiert. According to one embodiment, the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator are varied to vary the frequency of the optical signal emitted by the light source.
Gemäß einer Ausführungsform können hierbei der freie Spektralbereich (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder der freie Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators bei dieser Variation zumindest zeitweise auf um wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10%, jeweils bezogen auf den grö- ßeren Wert, voneinander verschiedene Werte eingestellt werden. According to one embodiment, in this case, the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator may be at least temporarily increased by at least 5%, in particular at least 10%, in each case based on the greater value, different values can be set.
Die Erfindung betrifft weiter auch eine Lichtquelle zum Aussenden eines opti- schen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, insbesondere zur Verwen- dung in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, mit • einem Laser; The invention further relates to a light source for emitting an optical signal with a time-varying frequency, in particular for use in a device for determining a distance of a moving object, with • a laser;
• einem ersten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekop- pelt ist; und A first WGM resonator, which is optically coupled to the laser; and
• einem zweiten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekop- pelt ist; A second WGM resonator, which is optically coupled to the laser;
• wobei zur Variation der Frequenz des ausgesandten optischen Signals der freie Spektralbereich des ersten WGM-Resonators und/oder der freie Spektralbereich des zweiten WGM-Resonators variierbar ist; und Wherein for varying the frequency of the emitted optical signal, the free spectral range of the first WGM resonator and / or the free spectral range of the second WGM resonator is variable; and
• wobei durch diese Variation des freien Spektralbereichs (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder des freien Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators eine Frequenz, bei welcher Moden des ersten WGM-Resonators und des zweiten WGM-Resonators zusam- menfallen, über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers ver- schiebbar ist. Whereby a frequency at which modes of the first WGM resonator and the second WGM resonator coincide due to this variation of the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator and / or of the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator , over the entire gain bandwidth of the laser is displaceable.
Die Erfindung ist insbesondere zur optischen Abstands- und Geschwindig- keitsmessung in LIDAR-Systemen (LIDAR= light detection and ranging“) ein- setzbar. Bei im Rahmen der Erfindung hinsichtlich des Abstandes vermesse- nen Objekten kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um im Straßenverkehr bzw. Automobilbereich rele- vante Objekte (z.B. Fremdfahrzeuge) handeln, aber auch um Roboterkompo- nenten wie Roboterarme. Für solche Roboterarme kann zum einen eine Ab- standsmessung zwecks Positionsverfolgung („tracking“) erfolgen. Des Weite- ren können solche Roboterarme auch selbst zum dreidimensionalen Abscan- nen von Komponenten (in einem 3D-Scanner) ausgebildet und hierzu mit einer erfindungsgemäßen Lichtquelle ausgestattet sein. The invention can be used in particular for optical distance and speed measurement in LIDAR systems (LIDAR = light detection and ranging). In the context of the invention, objects measured in the context of the distance may be only examples (and without the invention being limited thereto) of objects that are relevant in the road traffic or automobile sector (eg foreign vehicles), but also robot components such as robot arms. For such robot arms, on the one hand, a distance measurement for the purpose of position tracking ("tracking") can take place. Furthermore, such robot arms can themselves also be designed for the three-dimensional scanning of components (in a 3D scanner) and for this purpose be equipped with a light source according to the invention.
In weiteren Anwendungen kann die erfindungsgemäße Lichtquelle bzw. das Tuning der WGM-Resonatoren auch in der Telekommunikation zur raschen Umschaltung auf einen anderen Frequenzbereich oder in der optischen Kohä- renztomographie (OCT =„optical coherence tomography“) eingesetzt werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen. In further applications, the light source according to the invention or the tuning of the WGM resonators can also be used in telecommunications for rapid switching to another frequency range or in optical coherence tomography (OCT). Further embodiments of the invention are described in the description and the dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Es zeigen: Show it:
Figur 1a-b eine schematische Darstellung (Figur 1 a) sowie ein Diagramm Figure 1a-b is a schematic representation (Figure 1 a) and a diagram
(Figur 1 b) zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines be- wegten Objekts;  (Figure 1 b) for explaining the structure and operation of a device for determining a distance of a moving object;
Figur 2a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung des prinzipiellen möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in beispielhaften Ausführungsformen; Figure 2a-b are schematic representations for explaining the basic possible structure of a light source according to the invention in exemplary embodiments;
Figur 3-4 schematische Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Lichtquelle; und Figure 3-4 are schematic diagrams for explaining the operation of a light source according to the invention; and
Figur 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Lichtquelle in einer Vorrichtung zur Abstandsmessung. Figure 5 is a schematic representation for explaining the structure and operation of a conventional light source in a device for distance measurement.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in Fig. 2-4 beschrieben. In addition, structure and operation of an inventive Light source in an apparatus for determining a distance of a moving object in an exemplary embodiment with reference to the schematic diagrams in Fig. 2-4 described.
Fig. 2a zeigt eine lediglich schematische Darstellung zur Erläuterung des prin- zipiellen möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtquelle. Die Licht- quelle weist einen Laser 201 , einen ersten WGM-Resonator 210, welcher an den Laser 201 optisch gekoppelt ist, und einen zweiten WGM-Resonator 220, welcher ebenfalls an den Laser 201 optisch gekoppelt ist, auf. Die optische Kopplung erfolgt (ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) gemäß Fig. 2a über jeweils ein Prisma 215 bzw. 225. FIG. 2a shows a merely schematic illustration for explaining the possible structure of a light source according to the invention. The light source has a laser 201, a first WGM resonator 210, which is optically coupled to the laser 201, and a second WGM resonator 220, which is likewise optically coupled to the laser 201. The optical coupling takes place (without the invention being restricted thereto) according to FIG. 2 a via a respective prism 215 or 225.
In weiteren Ausführungsformen kann die optische Kopplung auch in beliebiger anderer geeigneter Weise (z.B. über Lichtwellenleiter) erfolgen. Fig. 2b zeigt in schematischer Darstellung eine hierfür beispielhafte Ausführungsform. Dabei erfolgt die optische Kopplung sowohl eines ersten WGM -Resonators 260 als auch eines zweiten WGM-Resonators 270 an einen Laser 251 über einen Lichtwellenleiter 255, wobei auf der dem Lichtwellenleiter 255 abgewandten Seite des Lasers 251 ein Spiegel 280 angeordnet ist. Gemäß Fig. 2b sind so- mit (in unter Fertigungsaspekten gegebenenfalls vorteilhafter Weise) beide WGM-Resonatoren 260, 270 auf ein- und derselben Seite des Lasers 251 an- geordnet. In further embodiments, the optical coupling may also be done in any other suitable manner (e.g., via optical fibers). Fig. 2b shows a schematic representation of an exemplary embodiment thereof. In this case, the optical coupling of both a first WGM resonator 260 and a second WGM resonator 270 to a laser 251 via an optical waveguide 255, wherein on the side facing away from the optical waveguide 255 of the laser 251, a mirror 280 is arranged. According to FIG. 2 b, both WGM resonators 260, 270 are arranged on one and the same side of the laser 251 (possibly in an advantageous manner under production aspects).
Die jeweiligen freien Spektralbereiche der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 (unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 2a) können durch Modifikation der jewei- ligen physikalischen Parameter des jeweiligen elektrooptischen Materials wie z.B. des Brechungsindex oder der geometrischen Abmessungen in gezielter Weise eingestellt werden (entsprechend einem „Tuning“ der WGM- Resonatoren 210, 220), wobei diese Modifikation der physikalischen Parame- ter wiederum durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, durch Druck- und/oder Wärmezufuhr oder in beliebiger anderer geeigneter Weise er- folgen kann. Der Laser 201 emittiert Photonen, welche zu einer Resonanzanregung sowohl des ersten WGM-Resonators 210 als auch des zweiten WGM-Resonators 220 führen. Durch„Tuning“ der WGM-Resonatoren 210, 220 kann somit die Fre- quenz, bei welcher die Moden der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 zu- sammenfallen und bei welcher der Laser 201 emittiert, über die gesamte Ver- stärkungsbandbreite des Lasers 201 verschoben werden. Der durch Variation des freien Spektralbereichs (FSR) der WGM-Resonatoren 210, 220 erzielte Effekt ist in den Diagrammen von Fig. 3 und Fig. 4 verdeutlicht. The respective free spectral ranges of the two WGM resonators 210, 220 (with renewed reference to FIG. 2 a) can be adjusted in a targeted manner by modifying the respective physical parameters of the respective electro-optical material, such as the refractive index or the geometric dimensions (corresponding to FIG "Tuning" of the WGM resonators 210, 220), wherein this modification of the physical parameters in turn can be done by applying an electrical voltage, by pressure and / or heat or in any other suitable manner. The laser 201 emits photons, which cause resonance excitation of both the first WGM resonator 210 and the second WGM resonator 220. By "tuning" the WGM resonators 210, 220, the frequency at which the modes of the two WGM resonators 210, 220 coincide and at which the laser 201 emits can thus be determined over the entire amplification bandwidth of the laser 201 be moved. The effect achieved by varying the free spectral range (FSR) of the WGM resonators 210, 220 is illustrated in the diagrams of FIGS. 3 and 4.
Fig. 3 zeigt für die beiden in der erfindungsgemäßen Lichtquelle eingesetzten WGM-Resonatoren 210, 220 die entsprechenden Moden für eine erste Einstel- lung bzw. Kombination der beiden freien Spektralbereiche (FSR) der WGM- Resonatoren 210, 220, wobei im rechten Teil von Fig. 3 ein Teilbereich der (in willkürlichen Einheiten) aufgetragenen Frequenzen entsprechend vergrößert dargestellt ist. Die Frequenz des durch den Laser 201 ausgesandten Lichtes entspricht derjenigen Frequenz, bei welchem die Moden der beiden WGM- Resonatoren 210, 220 zusammenfallen, was gemäß Fig. 3 bei der durch den eingezeichneten Kreis hervorgehobenen Frequenz von etwas weniger als 16 (willkürlichen) Frequenzeinheiten der Fall ist. FIG. 3 shows the corresponding modes for a first setting or combination of the two free spectral ranges (FSR) of the WGM resonators 210, 220 for the two WGM resonators 210, 220 used in the light source according to the invention Fig. 3 shows a portion of the (in arbitrary units) applied frequencies is enlarged accordingly. The frequency of the light emitted by the laser 201 corresponds to the frequency at which the modes of the two WGM resonators 210, 220 coincide, as shown in FIG. 3 at the frequency of slightly less than 16 (arbitrary) frequency units highlighted by the drawn circle Case is.
Gemäß Fig. 4 führt die Einstellung einer anderen„FSR-Kombination“ der bei- den freien Spektralbereiche (FSR) der WGM-Resonatoren 210, 220 durch ent- sprechendes„Tuning“ dieser WGM-Resonatoren 210, 220 dazu, dass die be- treffenden Moden der WGM-Resonatoren 210, 220 bei einem anderen Fre- quenzwert zusammenfallen mit der Folge, dass der Laser 201 bei anderer Fre- quenz (gemäß Fig. 4 einem Wert von etwa 19 willkürlichen Frequenzeinheiten) emittiert. 4, the setting of another "FSR combination" of the two free spectral ranges (FSR) of the WGM resonators 210, 220 by corresponding "tuning" of these WGM resonators 210, 220 results in that the Herein, the coincident modes of the WGM resonators 210, 220 coincide at a different frequency value, with the result that the laser 201 emits at a different frequency (a value of about 19 arbitrary frequency units according to FIG. 4).
Da - wie aus Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich - die jeweiligen Moden der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers 201 hinweg existieren, lässt sich immer eine Kombination der jeweiligen freien Spektralbereiche (FSR) für die beiden WGM-Resonatoren 210, 220 fin- den, für welche ein Zusammenfallen der betreffenden Moden gerade bei einer gewünschten Frequenz des zu emittierenden Lichtes erfolgt. Im Ergebnis kann so durch Modifikation des freien Spektralbereichs (FSR) von wenigstens einem der WGM-Resonatoren 210, 220 eine Durchstimmung der Frequenz über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers 201 erzielt werden, womit etwa bei Einsatz der Lichtquelle in der Anordnung von Fig. 1 ein entsprechend gro- ßer Durchstimmbereich, welcher z.B. zumindest den Wellenlängenbereich von 20nm bis 100nm, vorzugsweise von 5nm bis 150nm umfassen kann, realisiert wird. Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alterna- tive Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungs- formen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquiv- alente beschränkt ist. Since, as can be seen in FIGS. 3 and 4, the respective modes of the two WGM resonators 210, 220 exist over the entire amplification bandwidth of the laser 201, a combination of the respective free spectral ranges (FSR) can always be used for the two WGMs Resonators 210, 220 find for which a coincidence of the respective modes just at a desired frequency of the light to be emitted takes place. As a result, by modifying the free spectral range (FSR) of at least one of the WGM resonators 210, 220, a tuning of the frequency over the entire gain bandwidth of the laser 201 can be achieved, thus using the light source in the arrangement of FIG correspondingly large tuning range, which can comprise, for example, at least the wavelength range from 20 nm to 100 nm, preferably from 5 nm to 150 nm. Although the invention has also been described with reference to specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments will be apparent to those skilled in the art, eg, by combining and / or replacing features of individual embodiments. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that such variations and alternative embodiments are intended to be embraced by the present invention and that the scope of the invention is limited only in terms of the appended claims and their equivalents.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts (140), mit 1. A device for determining a distance of a moving object (140), with
• einer Lichtquelle (110) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, wobei die Lichtquelle einen Laser (201 , 251 ), einen ersten WGM-Resonator (210, 260), welcher an den Laser (201 , 251 ) optisch gekoppelt ist, und einen zweiten WGM-Resonator (220, 270), welcher an den Laser (201 , 251 ) optisch gekoppelt ist, aufweist; A light source (110) for emitting an optical signal having a time-varying frequency, wherein the light source is a laser (201, 251), a first WGM resonator (210, 260) optically coupled to the laser (201, 251) and a second WGM resonator (220, 270) optically coupled to the laser (201, 251);
• einem Detektor (160) zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlagerung eines ersten Teilsignals (111 ) und eines zweiten Teil- signals (121 ), wobei das erste Teilsignal (111 ) und das zweite Teilsig- nal (121 ) durch Zerlegung des von der Lichtquelle (110) ausgesandten optischen Signals hervorgegangen sind, wobei das erste Teilsignal (111 ) ohne vorherige Reflexion an dem Objekt (140) zum Detektor (160) gelangt und wobei das zweite Teilsignal (121 ) nach Reflexion an dem Objekt (140) zum Detektor (160) gelangt, wobei das Detektor- signal für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals (121 ) und der Frequenz des ersten Teilsignals (111 ) cha- rakteristisch ist; und • a detector (160) for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal (111) and a second partial signal (121), wherein the first partial signal (111) and the second partial signal (121) by decomposing the of The first partial signal (111) has passed without prior reflection at the object (140) to the detector (160) and wherein the second partial signal (121) after reflection at the object (140) to the detector (160), the detector signal for the difference frequency between the frequency of the second partial signal (121) and the frequency of the first partial signal (111) being characteristic; and
• einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (140) auf Basis dieser Differenzfrequenz. • an evaluation device for determining a distance of the object (140) on the basis of this difference frequency.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Variation der Frequenz des ausgesandten optischen Signals der freie Spektralbe- reich des ersten WGM-Resonators (210, 260) und/oder der freie Spektral- bereich des zweiten WGM-Resonators (220, 270) variierbar ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that for varying the frequency of the emitted optical signal, the free spectral range of the first WGM resonator (210, 260) and / or the free spectral range of the second WGM resonator (220, 270) is variable.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch diese Variation des freien Spektralbereichs (FSR) des ersten WGM-Resonators (210, 260) und/oder des freien Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM- Resonators (220, 270) eine Frequenz, bei welcher Moden des ersten WGM-Resonators (210, 260) und des zweiten WGM-Resonators (220, 270) zusammenfallen, über die gesamte Verstärkungsbandbreite des La- sers (201 , 251 ) verschiebbar ist. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that by this variation of the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator (210, 260) and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM Resonator (220, 270) a frequency at which modes of the first WGM resonator (210, 260) and the second WGM resonator (220, 270) coincide over the entire gain bandwidth of the laser (201, 251) is displaceable ,
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (201 , 251 ) einen optischen Halbleiterverstärker (SOA) aufweist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser (201, 251) comprises a semiconductor optical amplifier (SOA).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Durchstimmbereich aufweist, welcher zumindest den Wellenlängenbereich von 20nm bis 100nm, insbesondere den Wellenlän- genbereich von 5nm bis 150nm, umfasst. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a tuning range, which at least the wavelength range of 20nm to 100nm, in particular the wavelength range from 5nm to 150nm comprises.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die optische Kopplung des ersten WGM-Resonators (210) und/oder des zweiten WGM-Resonators (220) an den Laser (201 ) über wenigstens ein Prisma (215, 225) realisiert ist. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical coupling of the first WGM resonator (210) and / or the second WGM resonator (220) to the laser (201) via at least one prism (215, 225) is realized.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die optische Kopplung des ersten WGM-Resonators (260) und/oder des zweiten WGM-Resonators (270) an den Laser (251 ) über wenigstens einen Lichtwellenleiter (255) realisiert ist. 7. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that the optical coupling of the first WGM resonator (260) and / or the second WGM resonator (270) to the laser (251) via at least one optical waveguide (255). is realized.
8. Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: 8. A method of determining a distance of a moving object, the method comprising the steps of:
a) Aussenden eines optischen Signals, wobei das Signal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist, unter Verwendung einer Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, wobei die Lichtquelle einen Laser (201 , 251 ), einen ersten WGM-Resonator (210, 260), welcher an den Laser (201 , 251 ) op- tisch gekoppelt ist, und einen zweiten WGM-Resonator (220, 270), welcher an den Laser (201 , 251 ) optisch gekoppelt ist, aufweist; b) Erfassen von durch Zerlegung dieses Signals erzeugten, einander überlagernden Teilsignalen mit einem Detektor (160), wobei ein ers- tes Teilsignal (111 ) dieser Teilsignale ohne vorherige Reflexion an dem Objekt (140) auf den Detektor (160) auftrifft und wobei ein zwei- tes Teilsignal (121 ) dieser Teilsignale nach Reflexion an dem Objekt (140) auf den Detektor (160) auftrifft; und a) emitting an optical signal, the signal having a time-varying frequency, using a light source for emitting a time-varying frequency optical signal, the light source comprising a laser (201, 251), a first WGM resonator (210, 260 ) optically coupled to the laser (201, 251) and a second WGM resonator (220, 270) optically coupled to the laser (201, 251); b) acquiring superimposed partial signals generated by decomposing this signal with a detector (160), wherein a first partial signal (111) of these partial signals impinges on the detector (160) without prior reflection on the object (140) and wherein second sub-signal (121) of these sub-signals hits the detector (160) after reflection at the object (140); and
c) Ermitteln eines Abstandes des Objekts (140) auf Basis der Differenz- frequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals (121 ) und der Frequenz des ersten Teilsignals (111 ).  c) determining a distance of the object (140) on the basis of the difference frequency between the frequency of the second partial signal (121) and the frequency of the first partial signal (111).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Spektralbereich (FSR) des ersten WGM-Resonators (210, 260) und/oder der freie Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators (220, 270) zur Variation der Frequenz des von der Lichtquelle (110) ausgesandten optischen Signals variiert werden. 9. The method according to claim 8, characterized in that the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator (210, 260) and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator (220, 270) for varying the frequency of the light source (110) emitted optical signal can be varied.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Spektralbereich (FSR) des ersten WGM-Resonators (210, 260) und/oder der freie Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators (220, 270) bei dieser Variation zumindest zeitweise auf um wenigstens 5%, insbesondere um wenigstens 10%, jeweils bezogen auf den größeren Wert, voneinander verschiedene Werte eingestellt werden. 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator (210, 260) and / or the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator (220, 270) in this Variation at least temporarily by at least 5%, in particular by at least 10%, in each case based on the larger value, values different from each other are set.
11. Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variieren- der Frequenz, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, mit 11. A light source for emitting an optical signal with time-varying frequency, in particular for use in a device for determining a distance of a moving object, with
• einem Laser (201 , 251 ); A laser (201, 251);
• einem ersten WGM-Resonator (210, 260), welcher an den Laser (201 , 251 ) optisch gekoppelt ist; und A first WGM resonator (210, 260) optically coupled to the laser (201, 251); and
• einem zweiten WGM-Resonator (220, 270), welcher an den Laser (201 , 251 ) optisch gekoppelt ist; • wobei zur Variation der Frequenz des ausgesandten optischen Signals der freie Spektralbereich des ersten WGM-Resonators (210, 260) und/oder der freie Spektralbereich des zweiten WGM-Resonators (220, 270) variierbar ist; und · wobei durch diese Variation des freien Spektralbereichs (FSR) des ersten WGM-Resonators (210, 260) und/oder des freien Spektral- bereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators (220, 270) eine Fre- quenz, bei welcher Moden des ersten WGM-Resonators (210, 260) und des zweiten WGM-Resonators (220, 270) zusammenfallen, über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers (201 , 251 ) ver- schiebbar ist. A second WGM resonator (220, 270) optically coupled to the laser (201, 251); Wherein for varying the frequency of the emitted optical signal, the free spectral range of the first WGM resonator (210, 260) and / or the free spectral range of the second WGM resonator (220, 270) is variable; and wherein by this variation of the free spectral range (FSR) of the first WGM resonator (210, 260) and / or of the free spectral range (FSR) of the second WGM resonator (220, 270) a frequency, in which Modes of the first WGM resonator (210, 260) and the second WGM resonator (220, 270) coincide over the entire gain bandwidth of the laser (201, 251) is displaceable.
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