WO2020002003A1 - Verfahren und vorrichtung zur scannenden abstandsermittlung eines objekts - Google Patents

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WO2020002003A1 PCT/EP2019/065668 EP2019065668W WO2020002003A1 WO 2020002003 A1 WO2020002003 A1 WO 2020002003A1 EP 2019065668 W EP2019065668 W EP 2019065668W WO 2020002003 A1 WO2020002003 A1 WO 2020002003A1
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measurement signal
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Carl Zeiss AG
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    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for scanning the distance of an object.
  • the device can be used to determine distances of both moving and still objects and in particular to determine the topography or shape of a spatially extended three-dimensional object.
  • An interferometric measuring principle also known as LIDAR, is known for the optical distance measurement of objects, in which an optical signal whose frequency has changed over time is emitted to the object in question and evaluated after back-reflection or back-scattering on the object, whereby With reference to FIG. 6, the difference frequency 631 between the measurement signal 621 and the reference signal 622 detected at a specific point in time is characteristic of the distance of the object from the measurement device or the light source. 6 can be obtained Additional information regarding the relative speed between the object and the measuring device or the light source, the time-dependent frequency profile of the signal emitted by the light source 610 can also be such that there are two sections in which the time derivative of the frequency generated by the light source is present is opposite to each other.
  • the beam generated by the light source or the corresponding measurement signal typically sweeps over a relatively large area on the object compared to the beam diameter.
  • a problem that arises in practice results from the fact that the object surface has considerable height variations on a length scale in the order of magnitude of the working wavelength of the light source (e.g. in the pm range).
  • a random phase is impressed on the measurement signal during further movement along the object surface. While this random phase in the case of a beam or measurement signal resting on the object surface merely represents a phase offset that is no longer disruptive, the collection of said random phase has a peak broadening of the beam and measurement signal moving across the object surface superimposed signal used in the evaluation and thus ultimately a loss of achievable resolution or measurement accuracy.
  • a temporary stopping of the beam or measurement signal on the object surface (in the sense of “stop-and-go” operation), which is considered in principle in order to avoid the above-described problem, has the undesirable consequence that then comparatively high accelerations - Forcing or braking forces, for example of a deflection mirror used to implement the beam deflection, are required, which may no longer be possible due to the inertia.
  • the measuring beam directed from the light source onto the object surface in each case has a comparatively small beam diameter of owing to the optical coupling efficiency (typically on a single-mode fiber) to be guaranteed in the signal detection on the order of one or a few centimeters (cm) on the object surface, which leads to particularly pronounced phase disturbances.
  • a method according to the invention for scanning the distance of an object has the following steps:
  • Emitting using a light source, an optical signal with a time-varying frequency
  • partial signals of the measurement signal are directed to the object at different angles in a scanning process for scanning at least a region of the object
  • an angular velocity of the measurement signal is set to different non-zero values.
  • the invention is based in particular on the concept of neither continuously selecting the angular velocity (or the lateral beam velocity typically proportional to it on the object surface) during the scanning process when varying the deflection angle of the measurement signal, nor in terms of the “stop” described at the beginning. and-Go "operation temporarily to zero, but rather to set different values for the angular velocity other than zero.
  • the present invention is particularly applicable in the field of coordinate measuring technology.
  • the angular velocity of the measurement signal varies periodically.
  • the scanning process preferably comprises an alternating sequence of measurement intervals and non-measurement intervals, the angular velocity of the measurement signal being set to lower values in the measurement intervals than in the non-measurement intervals.
  • the present invention includes in particular the principle of moving the beam or the measurement signal represented thereby relatively slowly over the object surface during the actual measurement, in order firstly to solve the problem of collecting random phases and described at the beginning with reference to FIGS. 7a-7b to mitigate or largely eliminate the associated peak broadening and reduction in resolution, but on the other hand to achieve the fastest possible movement of the beam or measurement signal between the actual measurement phases, with the required acceleration and deceleration forces then being compared in these non-measurement intervals to the "stop-and-go operation" avoided according to the invention.
  • the angular velocity of the measurement signal is set to values not equal to zero in the measurement intervals.
  • the angular velocity of the measurement signal varies nonlinearly in the non-measurement intervals.
  • the angular velocity of the measurement signal is increased in a partial interval of the respective measurement interval and decreased in a further partial interval of the respective measurement interval in each of the measurement intervals.
  • the angular velocity is varied in the measurement intervals in such a way that a maximum lateral variation of the Position of the measurement signal on the object in the respective measurement interval is less than ten times, in particular less than five times, more particularly less than twice the beam diameter of a beam containing the measurement signal.
  • the beam diameter is understood to be the diameter of the beam containing the measurement signal up to which the intensity of the beam has dropped to 1 / e 2 times the maximum (typically present in the center of the beam).
  • partial signals of the measurement signal are steered to the object at different angles from one another using a movable deflecting mirror.
  • the routing of partial signals of the measurement signal at different angles to the object using a phase array is a simple and inexpensive method.
  • partial signals of the measurement signal are steered to the object at different angles from one another using a dispersive element which effects a frequency-selective angular distribution of these partial signals.
  • the angular velocity is set to different values regardless of the presence of different object distances during the scanning process.
  • the angular velocity of the measurement signal is varied without regard to the object distance or, if appropriate, the presence of different objects within a scene.
  • the invention further relates to a device for scanning the distance of an object, comprising: a light source for emitting an optical signal with a time-varying frequency, and
  • an evaluation device for determining a distance of the object on the basis of a measurement signal resulting from the signal, reflected or scattered on the object and a reference signal not reflected or scattered on the object,
  • the device being configured to carry out a method with the features described above.
  • the device is also designed to determine the relative speed of the object relative to the device.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration to explain a possible basic structure of a device according to the invention
  • FIG. 2-5 diagrams for explaining possible embodiments of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows only a schematic representation of a basic structure in which a signal 111 emitted by a light source 110 with a time-varying frequency (also referred to as "chirp") is split into two partial signals, this splitting e.g. via a semi-transparent mirror (not shown) or a fiber-based beam splitter.
  • the light source 110 can have, for example only, a (central) wavelength of 1550 nm ⁇ 100 nm. Other wavelengths or bandwidths (e.g. 910nm ⁇ 50nm) are also possible.
  • the two sub-signals are coupled via a signal coupler 150 and superimposed on one another at a detector 160, the first sub-signal reaching the signal coupler 150 and the detector 160 as a reference signal 122 without reflection on the object labeled “140”.
  • the second partial signal arriving at the signal coupler 150 or at the detector 160 runs as a measurement signal 121 via an optical circulator 120 and a scanner 130 to the object 140, is reflected back or scattered back by the object 140 and thus arrives with a time delay in comparison to the reference signal 122 and correspondingly changed frequency to the signal coupler 150 and to the detector 160.
  • the detector signal supplied by the detector 160 is evaluated relative to the measuring device or the light source 110 by an evaluation device (not shown), the difference frequency between the measured signal 121 and Reference signal 122 is characteristic of the distance of the object 140 from the measuring device or the light source 110.
  • the angle of the measurement signal (or corresponding partial signals) directed to the object 140 is varied, this angle variation in embodiments of the invention using a movable deflection mirror and in others Embodiments are carried out using a dispersive element (in which case the dispersive element effects a frequency-selective angular distribution of the partial signals).
  • the relevant angular velocity of the measurement signal is now set to different values during the scanning process.
  • the scanning process includes in particular an alternating sequence of measurement intervals and non-measurement intervals, the angular velocity of the measurement signal being set to comparatively lower values in the measurement intervals than in the non-measurement intervals.
  • this variation is sinusoidal (with a single fundamental frequency).
  • the actual measurement is synchronized with the temporal variation of the angular velocity or lateral jet velocity in such a way that the measurement time (e.g. 2.22 ps) falls in the period with comparatively low values of the lateral velocity.
  • the curve shown with a solid line in FIG. 2 shows a further advantageous embodiment, in which, by superimposing two frequencies on the temporal variation of the lateral jet velocity or angular velocity, the temporal range in which the lateral velocity has comparatively low values of around 20 km / s, is expanded.
  • this embodiment has the advantage of increasing the available measuring time and on the other hand also the advantage of possibly achieving higher jet speeds between the actual measuring intervals (ie during the non-measuring intervals).
  • FIG. 3 shows a diagram obtained by time integration of the speed profiles from FIG. 2, in which the lateral beam position (for an object distance of 100 m) is plotted as a function of time.
  • the lateral beam position for an object distance of 100 m
  • FIG. 4 shows a distance spectrum determined by simulation calculations analogous to FIGS. 7a to 7b for a value of the lateral speed of 20 km / s, as is achieved during the measurement intervals in the embodiments described above with reference to FIGS. 2 to 3 , As can be seen from FIG. 4, the distance spectrum for the correct distance value of 100 m results in a well-defined and sufficiently narrow peak with a signal-to-noise ratio of 16.
  • the angle variation of the measurement signal or corresponding partial signals directed to the object can also take place using a dispersive element, the dispersive element then having a frequency-selective angular distribution of the partial signals causes.
  • This temporal frequency profile shows, in an alternating sequence, a plurality of comparatively large frequency or angle jumps (which take place within time intervals T Z w corresponding to the non-measurement intervals) and comparatively small frequency or angle jumps (which take place within time intervals T) according to the measuring intervals).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist folgende Schritte auf: Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle (110), eines optischen Signals (111) mit zeitlich variierender Frequenz, und Ermitteln eines Abstandes des Objekts (140) auf Basis des an dem Objekt reflektierten oder gestreuten, aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals (121) und eines nicht an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Referenzsignals (122), wobei in einem Scanprozess zum Abscannen zumindest eines Bereichs des Objekts Teilsignale des Messsignals unter verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden, und wobei bei diesem Scanprozess eine Winkelgeschwindigkeit des Messsignals auf unterschiedliche Werte ungleich Null eingestellt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur
scannenden Abstandsermittlunq eines Objekts
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent- anmeldung DE 10 2018 115 452.6, angemeldet am 27. Juni 2018. Der Inhalt dieser DE-Anmeldung wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Die Vorrichtung kann zur Ermittlung von Ab- ständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten drei- dimensionalen Objekts verwendet werden.
Stand der Technik
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR be- zeichnetes, interferometrisches 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 oder Rückstreu- ung ausgewertet wird, wobei unter Bezugnahme auf Fig. 6 die zu einem be- stimmten Zeitpunkt erfasste Differenzfrequenz 631 zwischen Messsignal 621 und Referenzsignal 622 charakteristisch für den Abstand des Objekts von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle ist. Gemäß Fig. 6 kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle der zeitabhängige Fre- quenzverlauf des von der Lichtquelle 610 ausgesandten Signals auch so be- schaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen, räumlich ausgedehnten dreidimensionalen (und ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren.
Während einer solchen Abstandsmessung überstreicht typischerweise der von der Lichtquelle erzeugte Strahl bzw. das entsprechende Messsignal eine im Vergleich zum Strahldurchmesser relativ große Fläche auf dem Objekt.
Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem resultiert aus dem Umstand, dass die Objektoberfläche auf einer Längenskala in der Größenordnung der (z.B. im pm-Bereich liegenden) Arbeitswellenlänge der Lichtquelle erhebliche Höhenvariationen aufweist. Infolge der somit„gebirgeartigen“ Topographie der Objektoberfläche wird dem Messsignal während der Weiterbewegung entlang der Objektoberfläche eine Zufallsphase aufgeprägt. Während diese Zufalls- phase im Falle eines auf der Objektoberfläche ruhenden Strahls bzw. Mess- signals lediglich einen nicht weiter störenden Phasenoffset darstellt, hat die Aufsammlung besagter Zufallsphase bei über die Objektoberfläche bewegtem Strahl bzw. Messsignal eine Peakverbreiterung des in der Messanordnung er- haltenen und bei der Auswertung herangezogenen Überlagerungssignals und damit letztlich einen Verlust an erzielbarer Auflösung bzw. Messgenauigkeit zur Folge.
Dieser Effekt ist aus in Fig. 7a-7b gezeigten Ergebnissen von Simulations- rechnungen ersichtlich, wobei ausgehend von einem Objektabstand von 100m sowohl für eine gemäß Fig. 7a zugrunde gelegte Lateralgeschwindigkeit von 0 km/s als auch für eine gemäß Fig. 7b zugrunde gelegte und in einer typischen Größenordnung liegende Lateralgeschwindigkeit von 157.1 km/s ein entsprechend berechnetes Distanzspektrum dargestellt ist. Für den beim korrekten Abstandswert von 100m erhaltenen Peak ist eine signifikante Peak- verbreiterung beim Übergang von Fig. 7a zu Fig. 7b erkennbar.
Ein grundsätzlich zur Vermeidung des vorstehend beschriebenen Problems in Betracht kommendes vorübergehendes Stoppen des Strahls bzw. Messsignals auf der Objektoberfläche (im Sinne eines ,,Stop-and-Go“-Betriebs) hat in uner- wünschter Weise zur Folge, dass dann vergleichsweise hohe Beschleuni- gungs- bzw. Abbremskräfte etwa eines zur Realisierung der Strahlablenkung eingesetzten Ablenkspiegels erforderlich werden, die ggf. aus Gründen der Massenträgheit nicht mehr realisierbar sind.
Ein zu dem vorstehend beschriebenen Problem erschwerend hinzu tretender Umstand ist, dass der jeweils von der Lichtquelle auf die Objektoberfläche gerichtete Messstrahl aus Gründen der bei der Signaldetektion zu gewährleis- tenden optischen Koppeleffizienz (typischerweise an einer Single-Mode-Faser) einen vergleichsweise geringen Strahldurchmesser von größenordnungsmäßig einem oder wenigen Zentimetern (cm) an der Objektoberfläche aufzuweisen hat, was zu besonders ausgeprägten Phasenstörungen führt.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein räumlich ausgedehntes, entferntes Objekt eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unab- hängigen Patentanspruchs 1 sowie die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 13 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist folgende Schritte auf:
- Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle, eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, und
- Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis des an dem Objekt reflektierten oder gestreuten, aus dem optischen Signal hervorgegange- nen Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten oder gestreu- ten Referenzsignals,
- wobei in einem Scanprozess zum Abscannen zumindest eines Bereichs des Objekts Teilsignale des Messsignals unter verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden,
- wobei bei diesem Scanprozess eine Winkelgeschwindigkeit des Mess- signals auf unterschiedliche Werte ungleich Null eingestellt wird.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, während des Scan- prozesses die Winkelgeschwindigkeit (bzw. die hierzu typischerweise proporti- onale laterale Strahlgeschwindigkeit auf der Objektoberfläche) bei Variation des Ablenkwinkels des Messsignals weder durchgehend hoch zu wählen noch im Sinne des eingangs beschriebenen„Stop-and-Go“-Betriebs vorübergehend auf Null zu reduzieren, sondern vielmehr für besagte Winkelgeschwindigkeit unterschiedliche Werte ungleich Null einzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet der Koordinaten- messtechnik anwendbar, Hierzu wird auf die Anmeldungen DE 10 2018 222 629 und US 16/249,881 verwiesen, deren gesamter Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Gemäß einer Ausführungsform variiert die Winkelgeschwindigkeit des Mess- signals periodisch.
Dabei umfasst der Scanprozess vorzugsweise eine abwechselnde Folge von Messintervallen und Nichtmessintervallen, wobei in den Messintervallen die Winkelgeschwindigkeit des Messsignals auf geringere Werte eingestellt wird als in den Nichtmessintervallen.
Mit anderen Worten beinhaltet die vorliegende Erfindung insbesondere das Prinzip, während der eigentlichen Messung den Strahl bzw. das hierdurch repräsentierte Messsignal vergleichsweise langsam über die Objektoberfläche zu bewegen, um zum einen das eingangs anhand von Fig. 7a-7b beschriebene Problem des Aufsammelns von Zufallsphasen und der damit einhergehenden Peakverbreiterung sowie Auflösungsreduzierung abzumildern bzw. weitest- gehend zu eliminieren, zum anderen aber zwischen den eigentlichen Mess- phasen eine möglichst rasche Weiterbewegung des Strahls bzw. Messsignals zu realisieren, wobei in diesen Nichtmessintervallen die erforderlichen Beschleunigungs- bzw. Abbremskräfte dann im Vergleich zu dem - erfindungs- gemäß vermiedenen -„Stop-and-Go-Betrieb“ reduziert sind.
Gemäß einer Ausführungsform wird in den Messintervallen die Winkel- geschwindigkeit des Messsignals auf Werte ungleich Null eingestellt.
Gemäß einer Ausführungsform variiert in den Nichtmessintervallen die Winkel- geschwindigkeit des Messsignals nichtlinear.
Gemäß einer Ausführungsform wird in jedem der Messintervalle die Winkel- geschwindigkeit des Messsignals in einem Teilintervall des jeweiligen Mess- intervalls erhöht und in einem weiteren Teilintervall des jeweiligen Mess- intervalls verringert.
Gemäß einer Ausführungsform wird in den Messintervallen die Winkel- geschwindigkeit derart variiert, dass eine maximale laterale Variation der Position des Messsignals auf dem Objekt in dem jeweiligen Messintervall weniger als das Zehnfache, insbesondere weniger als das Fünffache, weiter insbesondere weniger als das Zweifache des Strahldurchmessers eines das Messsignal enthaltenen Strahls beträgt.
Dabei wird unter Strahldurchmesser derjenige Durchmesser des das Mess- signal enthaltenen Strahls verstanden, bis zu dem die Intensität des Strahls auf das 1/e2-fache des (typischerweise in der Mitte des Strahls vorliegenden) Maximums abgefallen ist.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Lenken von Teilsignalen des Mess- signals unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt unter Ver- wendung eines beweglichen Ablenkspiegels.
Gemäß einer Ausführungsform das Lenken von Teilsignalen des Messsignals unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt unter Verwendung eines Phasen-Arrays.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Lenken von Teilsignalen des Mess- signals unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt unter Ver- wendung eines dispersiven Elements, welches eine frequenzselektive Winkel- verteilung dieser Teilsignale bewirkt.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Winkelgeschwindig- keit auf unterschiedliche Werte unabhängig vom Vorliegen unterschiedlicher Objektabstände während des Scanprozesses. Insbesondere erfolgt in Ausfüh- rungsformen der Erfindung die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Mess- signals ohne Rücksicht auf den Objektabstand oder ggf. das Vorhandensein unterschiedlicher Objekte innerhalb einer Szene.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermitt- lung eines Objekts, mit: - einer Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variie- render Frequenz, und
- einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Referenzsignals,
- wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren mit den vorste- hend beschriebenen Merkmalen durchzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ferner zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit des Objekts relativ zur Vorrichtung ausgelegt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines prinzipiellen möglichen Aufbaus einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung;
Figur 2-5 Diagramme zur Erläuterung möglicher Ausführungs- formen des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Figuren 6-7 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in Fig. 1 beschrieben.
Fig. 1 zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 110 ausgesandtes Signal 111 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als„Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale auf- gespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel oder einen faserbasierten Strahlteiler erfolgt. Die Lichtquelle 110 kann lediglich beispielhaft eine (zentrale) Wellenlänge von 1550nm±100nm aufweisen. Weitere Wellenlängen bzw. Bandbreiten (z.B. 910nm±50nm) sind ebenfalls möglich.
Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 150 gekoppelt und an einem Detektor 160 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Refe- renzsignal 122 ohne Reflexion an dem mit„140“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 150 und zum Detektor 160 gelangt. Das zweite am Signalkopp- ler 150 bzw. am Detektor 160 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 121 über einen optischen Zirkulator 120 und einen Scanner 130 zum Objekt 140, wird vom Objekt 140 zurückreflektiert oder zurückgestreut und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 122 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 150 und zum Detektor 160. Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 160 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfass- te Differenzfrequenz zwischen Messsignal 121 und Referenzsignal 122 charak- teristisch für den Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ist. Zum Abscannen eines räumlich ausgedehnten Bereichs der Oberfläche des Objekts 140 erfolgt eine Variation des Winkels des zu dem Objekt 140 jeweils gelenkten Messsignals (bzw. entsprechender Teilsignale), wobei diese Winkel- variation in Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung eines beweg- lichen Ablenkspiegels und in anderen Ausführungsformen unter Verwendung eines dispersiven Elements erfolgt (wobei dann das dispersive Element eine frequenzselektive Winkelverteilung der Teilsignale bewirkt).
Erfindungsgemäß erfolgt nun während des Scanprozesses eine Einstellung der betreffenden Winkelgeschwindigkeit des Messsignals auf unterschiedliche Werte. Dabei umfasst der Scanprozess insbesondere eine abwechselnde Folge von Messintervallen und Nichtmessintervallen, wobei in den Messinter- vallen die Winkelgeschwindigkeit des Messsignals auf vergleichsweise gerin- gere Werte als in den Nichtmessintervallen eingestellt wird.
Fig. 2 zeigt hierfür mögliche Ausführungsbeispiele, bei denen die besagte Winkelgeschwindigkeit bzw. die hierzu typischerweise proportionale laterale Strahlgeschwindigkeit zeitlich periodisch variiert. Gemäß einer ersten, durch die gestrichelte Kurve in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt diese Variation sinusförmig (mit einer einzigen Grundfrequenz). Die eigentliche Messung wird hierbei mit der zeitlichen Variation der Winkelgeschwindigkeit bzw. lateralen Strahlgeschwindigkeit derart synchronisiert, dass die Messzeit (von z.B. 2.22 ps) jeweils in dem Zeitraum mit vergleichsweise geringen Werten der Lateralgeschwindigkeit fällt.
Die mit durchgezogener Linie dargestellte Kurve in Fig. 2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform, bei welcher durch Überlagerung von zwei Frequenzen bei der zeitlichen Variation der lateralen Strahlgeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit derjenige zeitliche Bereich, in welchem die Late- ralgeschwindigkeit vergleichsweise geringe Werte um etwa 20 km/s aufweist, ausgedehnt wird. Diese Ausgestaltung hat zum einen den Vorteil einer Vergrö- ßerung der zur Verfügung stehenden Messzeit und zum anderen auch den Vorteil einer möglichen Erzielung größerer Strahlgeschwindigkeiten zwischen den eigentlichen Messintervallen (d.h. während der Nichtmessintervalle).
Fig. 3 zeigt ein durch zeitliche Integration der Geschwindigkeitsverläufe von Fig. 2 erhaltenes Diagramm, in welchem die laterale Strahlposition (für einen Objektabstand von 100 m) zeitabhängig aufgetragen ist. Erwartungsgemäß ergeben sich periodisch Zeitabschnitte mit vergleichsweise geringer (nähe- rungsweise konstanter) Steigung, wobei in diesen Zeitabschnitten jeweils die eigentliche Messung erfolgt.
Fig. 4 zeigt ein über Simulationsrechnungen analog zu Fig. 7a bis 7b ermittel- tes Distanzspektrum für einen Wert der Lateralgeschwindigkeit von 20 km/s, wie er in den vorstehend anhand von Fig. 2 bis 3 beschriebenen Ausführungs- formen während der Messintervalle erreicht wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ergibt das Distanzspektrum für den korrekten Abstandswert von 100 m einen gut ausgeprägten und hinreichend schmalen Peak mit einem Signal-Rausch- Verhältnis von 16.
Wie schon im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 1 erwähnt kann in Ausführungsformen der Erfindung die Winkelvariation des zu dem Objekt je- weils gelenkten Messsignals bzw. entsprechender Teilsignale auch unter Verwendung eines dispersiven Elements erfolgen, wobei dann das dispersive Element eine frequenzselektive Winkelverteilung der Teilsignale bewirkt. Bei dem dispersiven Element kann es sich lediglich beispielhaft um ein Gitter oder auch ein AWG (=„Arrayed Waveguide Gräting“) handeln. Fig. 5 zeigt für eine derartige Ausgestaltung einen beispielhaften möglichen zeitlichen Frequenz- verlauf des von der Lichtquelle ausgesandten optischen Signals. Dieser zeitli- che Frequenzverlauf zeigt in abwechselnder Folge eine Mehrzahl von ver- gleichsweise großen Frequenz- bzw. Winkelsprüngen (welche innerhalb von Zeitintervallen TZw entsprechend den Nicht-Messintervallen stattfinden) und vergleichsweise kleinen Frequenz- bzw. Winkelsprüngen (welche innerhalb von Zeitintervallen T entsprechend den Messintervallen stattfinden). In den Mess- intervallen ändert sich gemäß Fig. 5 die Frequenz um jeweils einen Wert B und der Ablenkwinkel ändert sich um einen Wert d0, woraufhin nach dem anschlie- ßenden Nicht-Messintervall bzw. dem entsprechenden Frequenz- bzw. Winkel- sprung die nächste Messung bei einer entsprechend höheren Frequenz Dί = f2- fi bzw. entsprechender Ablenkwinkeländerung DQ beginnt. Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alter- native 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 Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle (110), eines optischen Signals (111 ) mit zeitlich variierender Frequenz; und
• Ermitteln eines Abstandes des Objekts (140) auf Basis des an dem Objekt (140) reflektierten oder gestreuten, aus dem optischen Signal (111 ) hervorgegangenen Messsignals (121 ) und eines nicht an dem Objekt (140) reflektierten oder gestreuten Referenzsignals (122);
• wobei in einem Scanprozess zum Abscannen zumindest eines Bereichs des Objekts (140) Teilsignale des Messsignals (121 ) unter verschiedenen Winkeln zu dem Objekt (140) gelenkt werden;
• wobei bei diesem Scanprozess eine Winkelgeschwindigkeit des Messsignals (121 ) auf unterschiedliche Werte ungleich Null eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel- geschwindigkeit des Messsignals (121 ) periodisch variiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit während der Abstandsmessung linear mit der Zeit zu- oder abnimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanprozess eine abwechselnde Folge von Messintervallen und Nichtmessintervallen umfasst, wobei in den Messintervallen die Winkel- geschwindigkeit des Messsignals (121 ) auf geringere Werte eingestellt wird als in den Nichtmessintervallen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Messintervallen die Winkelgeschwindigkeit des Messsignals (121 ) auf Werte ungleich Null eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Nichtmessintervallen die Winkelgeschwindigkeit des Messsignals (121 ) nichtlinear variiert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Messintervalle die Winkelgeschwindigkeit des Mess- signals (121 ) in einem Teilintervall des jeweiligen Messintervalls erhöht und in einem weiteren Teilintervall des jeweiligen Messintervalls verringert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Messintervallen die Winkelgeschwindigkeit derart variiert wird, dass eine maximale laterale Variation der Position des Messsignals (121 ) auf dem Objekt (140) in dem jeweiligen Messintervall weniger als das Zehnfache, insbesondere weniger als das Fünffache, weiter insbesondere weniger als das Zweifache des Strahldurchmessers eines das Messsignal (121 ) enthaltenen Strahls beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenken von Teilsignalen des Messsignals (121 ) unter voneinan- der verschiedenen Winkeln zu dem Objekt (140) unter Verwendung eines beweglichen Ablenkspiegels erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenken von Teilsignalen des Messsignals (121 ) unter voneinan- der verschiedenen Winkeln zu dem Objekt (140) unter Verwendung eines Phasen-Arrays erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenken von Teilsignalen des Messsignals (121 ) unter voneinan- der verschiedenen Winkeln zu dem Objekt (140) unter Verwendung eines dispersiven Elements erfolgt, welches eine frequenzselektive Winkelvertei- lung dieser Teilsignale bewirkt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einstellung der Winkelgeschwindigkeit auf unterschied- liche Werte unabhängig vom Vorliegen unterschiedlicher Objektabstände während des Scanprozesses erfolgt.
13. Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit
• einer Lichtquelle (110) zum Aussenden eines optischen Signals (111 ) mit zeitlich variierender Frequenz; und
• einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (140) auf Basis eines aus dem Signal (111 ) hervorgegangenen, an dem Objekt (140) reflektierten oder gestreuten Messsignals (121 ) und eines nicht an dem Objekt (140) reflektierten oder gestreuten Referenzsignals (122);
• wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit des Objekts (140) relativ zur Vorrichtung ausgelegt ist.
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