WO2020064224A1 - Vorrichtung und verfahren zur scannenden abstandsermittlung eines objekts - Google Patents

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WO2020064224A1
WO2020064224A1 PCT/EP2019/072229 EP2019072229W WO2020064224A1 WO 2020064224 A1 WO2020064224 A1 WO 2020064224A1 EP 2019072229 W EP2019072229 W EP 2019072229W WO 2020064224 A1 WO2020064224 A1 WO 2020064224A1
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frequency
signals
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time
optical
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PCT/EP2019/072229
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Vladimir Davydenko
Claudius Weimann
Original Assignee
Carl Zeiss Smt Gmbh
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    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4911—Transmitters

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for scanning the distance of an object.
  • the device and the method 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.
  • LIDAR For optical distance measurement of objects, a measuring principle also known as LIDAR is known, in which an optical signal with its frequency changed over time is emitted towards the object in question and evaluated after back reflection on the object.
  • FIG. 12a shows only a schematic representation of a basic structure known per se, in which a signal 1211 emitted by a light source 1210 with a frequency which changes over time (also referred to as “chirp”) in FIG two partial signals is split, this split taking place via a beam splitter (not shown) (for example a partially transparent mirror or a fiber-optic splitter).
  • the two partial signals are coupled via a signal coupler 1250 and superimposed on one another at a detector 1260, the first partial signal reaching the signal coupler 1250 and the detector 1260 as a reference signal 1222 without reflection on the object labeled “1240”.
  • the second partial signal arriving at the signal coupler 1250 or at the detector 1260 runs as a measurement signal 1221 via an optical circulator 1220 and a scanner 1230 to the object 1240, is reflected back by the latter and is therefore compared with the reference signal 1222 with a time delay and correspondingly changed frequency to the signal coupler 1250 and to the detector 1260.
  • the detector signal supplied by the detector 1260 is evaluated relative to the measuring device or the light source 1210 via an evaluation device (not shown), the difference frequency 1231 between the measurement signal 1221 and the reference signal 1222, which was recorded at a specific point in time and shown in the diagram in FIG. 12b, being characteristic of the Distance of the object 1240 from the measuring device or the light source 1210.
  • the time-dependent frequency profile of the signal 1211 emitted by the light source 1210 can also be such that there are two sections in which the time derivative of the frequency generated by the light source 1210 is opposite to one another.
  • a multiplication of the LIDAR-based measurement arrangement in question, which is fundamentally possible, is complex and correspondingly cost-intensive.
  • an object of the present invention to provide a device and a method for scanning the distance of an object, which increase the "degree of parallelization" in the sense of scanning the object simultaneously over several areas or pixels with the least possible design effort enable.
  • a device according to the invention for scanning the distance of an object has:
  • a light source for the simultaneous emission of a plurality of optical signals, each with a time-varying frequency, these signals differing from one another with regard to the frequency range within which this time variation takes place;
  • an evaluation device for determining a distance of the object on the basis of measurement signals, which originate from the optical signals and are reflected on the object and not on the object;
  • a dispersive element which effects an angular distribution of the measurement signals directed to the object which is dependent on the respective frequency range.
  • the invention is based in particular on the concept of realizing a scanning of the object with an increased degree of parallelization in a device for determining the distance of an object based on the principle described with reference to FIGS. 12a-12b in that not only an optical signal with a frequency that changes over time (as a "chirp") is generated and split into two sub-signals as described, but the light source is designed in such a way that a plurality of optical signals are transmitted at the same time, each with a time-varying frequency.
  • An angular distribution of the measurement signals directed to the object, which is dependent on the respective frequency range, is then effected via the dispersive element which is still in front of the object in the signal path, so that these measurement signals then tilt at different angles or at different angles corresponding to the respective frequency range be directed to the object.
  • the light source has at least one mode-locked laser for providing a frequency comb from a plurality of modes, each separated from one another by a fixed frequency spacing.
  • the at least one mode-locked laser is coupled to a further laser which provides a time-dependent frequency profile.
  • the frequency comb of the mode-locked laser is “moved in time” by coupling to the other laser, with the result that the modes of the mode-locked laser follow this time-dependent frequency profile, the frequency spacing between the modes specified by the mode-locked laser still existing remains.
  • the light source has a plurality of mode-locked lasers for providing a plurality of frequency combs which overlap one another.
  • each of these mode-locked lasers can be coupled to the further laser, which provides a time-dependent frequency profile, via a respective frequency shifter.
  • the use of a plurality of mode-locked lasers according to the invention by means of which overlapping frequency combs can be generated, as described in more detail below, has the particular advantage of realizing a comparatively large number of modes or pixels, since only one single mode-locked is used Lasers remaining between the individual modes (and so to speak "lost") area is used to provide additional modes from the respective frequency combs of other mode-locked lasers and generation of additional pixels.
  • the invention is also based on the further consideration that, with regard to the signals reflected by the object and the frequency-selective division of these signals required for the purpose of transferring them to the detector arrangement, the technological possibilities of AWGs on not too close mode spacings or not too narrow frequency combs are limited.
  • the invention includes the further concept of being able to “process” the small frequency spacings realized by the above-mentioned overlap of frequency combs of different mode-coupled lasers by providing a multiplex device based, for example, on optical ring resonators and a corresponding demultiplex device.
  • the mode-locked laser has a central wavelength of 905 nm.
  • the mode-locked laser has a central wavelength of 1550 nm.
  • other wavelengths are e.g. from at least 5pm, especially at least 10pm, e.g. possible using cascade lasers.
  • the frequency spacing of the modes separated from one another is less than 500 GHz, in particular less than 100 GHz, more particularly less than 10 GHz, more particularly less than 3G Hz.
  • a larger number of modes can be realized with a smaller frequency spacing of the modes separated from one another.
  • the light source has at least one laser which provides a time-dependent frequency profile and at least one optical frequency comb generator which follows in the signal path.
  • the light source can have an array of lasers each providing a time-dependent frequency profile.
  • optical frequency comb generator has the advantage, on the one hand, that a control effort which may be associated with the use of mode-locked lasers (for example to take temperature fluctuations into account) is unnecessary, so that the complexity of the arrangement with regard to such a control is significantly reduced becomes.
  • Another advantage of using the OFC generator is that the modes or “comb lines” additionally generated by the OFC generator are in coherence with the lasers of the said array.
  • the device has a multiplex device for coupling signals provided by the light source into an optical fiber leading to the dispersive element. Furthermore, the device can have a demultiplexing device for dividing signals reflected on the object. The multiplex device and / or the demultiplex device can in particular have a plurality of optical ring resonators. According to a further alternative embodiment, the at least one mode-locked laser is followed by an electro-optical modulator for impressing a time-dependent frequency response to the modes of the frequency comb in the signal path provided by the mode-locked laser.
  • this time-dependent frequency curve has two sections in order to obtain additional information with regard to the relative speed between the object and the measuring device or the light source, in which the time derivative of the frequency is opposite to one another.
  • the dispersive element has a prism, a diffraction grating or a spatial light modulator, in particular an acoustic or electro-optical modulator.
  • the device has a further dispersive element for the spatial division of the measurement signals reflected by the object depending on the respective frequency range.
  • the further dispersive element has an AWG.
  • the device has a detector arrangement comprising a plurality of detector elements which can be operated independently of one another for generating detector signals, these detector signals each being characteristic of the difference frequencies between the frequencies of the measurement signals directed to the object and the frequencies of the respective reference signals.
  • different detector elements of this detector arrangement are assigned to different angular ranges in the angular distribution of the measurement signals directed to the object.
  • the different frequency ranges which correspond to the different deflections towards the object, are spatially separated from one another on the detector arrangement designed as an array.
  • the invention further relates to a method for scanning the distance of an object, the method comprising the following steps:
  • Emitting using a light source, a plurality of optical signals, each with a time-varying frequency, these signals differing from one another with regard to the frequency range within which this time variation takes place;
  • An angular distribution of the measurement signals directed to the object which is dependent on the respective frequency range is effected via a dispersive element.
  • a plurality of frequency combs are generated in the light source over a plurality of mode-locked lasers, these frequency combs overlapping one another to provide a resulting frequency comb with a smaller mode spacing.
  • frequency ranges remaining between adjacent modes in a frequency comb generated by a plurality of frequency-modulated lasers are filled up by additional modes using an optical frequency comb generator.
  • the method can in particular be carried out using a device with the features described above.
  • Figure 1a-1 b are schematic representations to explain the structure of a device according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic illustration to explain the construction of a device according to the invention in a further embodiment
  • FIGS. 3-11 are diagrams and schematic representations for explaining possible further exemplary embodiments of the invention.
  • Figures 12a-12b are schematic representations to explain the structure and mode of operation of a conventional device for determining the distance.
  • FIGS. 1 a-1 b The structure and mode of operation of a device according to the invention are described below in an exemplary embodiment with reference to the schematic illustration in FIGS. 1 a-1 b.
  • FMCW frequency-modulated continuous wave
  • the mode-locked laser 111 generates a frequency comb in a manner known per se, which comprises several frequencies with an exact frequency spacing, these frequencies occurring simultaneously at the output of the mode-locked laser 111 in the form of pulses.
  • the optical signal generated by the laser 113 has sections with opposite time derivatives of the frequency, each with a linear time dependency.
  • the frequencies in the frequency comb of the mode-locked laser 111 shown by dashed lines are emitted by the light source 110.
  • An optical circulator is designated with “112”.
  • the frequencies of the mode-locked laser 111 follow the frequencies of the (FMCW) signal generated by the laser 113. Due to the simultaneous generation of the frequencies with an exact frequency spacing by the mode-locked laser 111, the frequency spacings of the mode-locked laser 111 are thus simultaneously generated with the “triangular” modulation of the FMCW signal.
  • the modes of the mode-locked laser 111 also become correspondingly narrower with a narrow-band configuration of the (FMCW) laser 113, with the result that the coherence of the light source 110 is improved.
  • the signal emitted by the light source 110 is then split up in a manner analogous to the conventional concept of FIGS. 12a-12b via a beam splitter 115 (which can be configured, for example, as a partially transparent mirror or as a fiber-optic splitter).
  • a partial signal serving as a “measurement signal” 121 is directed via an optical circulator 120 and a dispersive element 130 to an object 140 to be measured with respect to its distance from the device, whereas the other of the two partial signals serves as a reference signal 122 and analogously to FIG 12a-12b is used for further evaluation.
  • an amplifier can also be provided in the signal path of the measurement signal 121 after the beam splitter 115.
  • the dispersive element 130 can also have a prism, a diffraction grating or a spatial light modulator, in particular an acoustic or electro-optical modulator.
  • the dispersive element 130 deflects different frequency modes of the frequency comb that moves in time as described above (ie different partial beams having the respective frequencies) in different directions from one another towards the object 140. After reflection on object 140, the signal path runs back via optical circulator 120 to a further dispersive element 150 (which can also be designed as an AWG) for frequency-selective spatial division of the measurement signal reflected by object 140.
  • the different frequency ranges which correspond to the different deflections towards the object 140, on the detector arrangement 160 configured as an array ( as indicated by areas "1", “2", “3”, ...) spatially separated from each other.
  • the transmission of the reference signal 122 can - as shown in FIG. 1b with a dashed line - directly from the beam splitter 115 to the detector arrangement 160 or - as shown in FIG. 1b with a dotted line - first to the further dispersive element 150 (where in the latter case, signal noise can be reduced, since each detector within the detector arrangement 160 is supplied with its own portion of the reference signal 122 that is suitable in terms of frequency).
  • FIG. 1 a-1 b not only a frequency ramp as in the conventional concept of FIGS. 12 a-12 b, but a plurality of frequency ramps or signal profiles with a time-varying frequency is generated and simultaneously emitted by the light source 110 and Coupled into the optical circulator 120 and the dispersive element 130 via the beam splitter 115.
  • the relevant signals By deflecting the relevant signals in accordance with the respective frequency range in different directions on the object 140, the object 140 is thus scanned simultaneously in several areas, with the result that an effective parallelization of the measurement is achieved.
  • FIG. 3a-3b show diagrams for explaining possible embodiments, where the cavity length (FIG. 3a) or the number of modes (FIG. 3b) are plotted as a function of the mode spacing.
  • the number is from mode-coupled laser 111 or the number of pixels 2400 that can be measured simultaneously with the structure of FIG. 1b.
  • the pixel sampling rate For a chirp duration (corresponding to the duration of the linear rise up to the maximum in the respective frequency response) of 2ps, the pixel sampling rate has a value of (2400/2) ps, corresponding to approximately 1 gigapixel per second. If a mode spacing of 30 GHz is selected corresponding to a cavity length of 1 43 mm, the number of modes provided by the mode-locked laser 111 or the number of pixels that can be measured simultaneously with the structure of FIG. 1 b is 400. For a chirp duration of 9 ps the pixel sampling rate is a value of (400/9) ps, corresponding to approximately 44 megapixels per second.
  • FIG. 2 shows a further embodiment, components that are analogous or essentially functionally identical to those in FIGS. 1a-1b being designated with reference numerals increased by “100”.
  • the frequency ramps or time-varying frequency profiles are implemented on the individual modes provided by the mode-locked laser 211 via an electro-optical modulator (EOM) 214.
  • EOM electro-optical modulator
  • “216” in FIG. 2 represents an amplifier and “270” denotes an evaluation device.
  • the further laser 213 is not tuned in frequency, but instead causes the modes of the mode-locked laser 211 to become correspondingly narrower and the mode-locked laser 211 to be stabilized.
  • FIGS. 1a-1b and FIG. 2 have in common that the individual modes of a frequency comb provided via a mode-coupled laser 111 or 211 are each imprinted with a time-dependent frequency profile, the ones modified in this way being simultaneously then present signals in different directions via the dispersive element 130 or 230 be directed onto the object 140, so that this object 140 is scanned simultaneously in several areas and an effective parallelization of the measurement is achieved.
  • the time-dependent frequency response is imprinted on the individual modes of the frequency comb provided via the mode-locked laser 111 or 211 in accordance with FIGS. 1a-1b by coupling (“locking”) to an analogue to FIGS. 12a-12b time-dependent frequency curve providing laser 113, according to FIG. 2, however, via the electro-optical modulator (EOM) 214.
  • EOM electro-optical modulator
  • FIGS. 1a-1b a further embodiment based on the functional principle according to FIGS. 1a-1b is described below, which enables a further significant increase in the number of pixels and the degree of parallelization, and at the same time also a suitable multiplex or demultiplex concept is provided.
  • This embodiment differs according to FIG. 4a from the embodiment according to FIG. 1a-1b in particular in that instead of only one mode-locked laser, a plurality of mode-locked lasers 101.1, 101.2, ..., 101.n in a corresponding one Array is used.
  • the coupling of this array of mode-locked lasers to the laser 201 (designed analogously to the laser 113 from FIG. 1 a) to provide the time-dependent frequency response takes place via an array of a plurality of n-1 frequency shifters 301.1.
  • the effect of these frequency shifters is such that the frequency combs of the individual mode-locked lasers or the modes associated with each of these frequency combs are shifted, with the result that the modes from the frequency comb of the second mode-locked laser 101.2 differ from those of the first mode-locked laser 101.1 differ by 6f, the modes of the third mode-locked laser 101.3 differ from those of the first mode-locked laser 101.1 by 26f, etc., where 5f denotes the frequency shift introduced by a frequency shifter.
  • the result is an overlay of the individual mode-locked lasers 101.1-101.
  • n provided frequency combs, in which the frequency spacing remaining between the adjacent modes of the first mode-locked laser 101.1 is “filled” within the array by the corresponding modes of other mode-locked lasers 101.2, ..., ultimately thus for generating additional pixels in the Scanning the object 901 are available.
  • the mode-locked lasers 101.1-101 meet.
  • n (corresponding to the respective “frequency combs”) outgoing signals to a corresponding array of optical circulators 401.1, 401.2, ..., 401.
  • n (or the respective frequency comb) is assigned to one of these optical circulators 401.1, 401.2, ..., 401.n.
  • a multiplex device is formed by a plurality of optical ring resonators 701.1 -701 according to FIG. 4a. n provided. These optical ring resonators 701.1 -701. 4d with respect to their free spectral range and the respective offset frequency to the mode spacing within the array of mode-locked lasers 101.1-101. n adapted in such a way that each optical ring resonator 701.1 -701. n to an associated mode-locked laser 101.1-101. n of said array is optically coupled or resonates with it.
  • n After reflection of all signals at the object 901 takes place via the optical circulators 401.1 -401. n a corresponding demultiplexing, with each of the optical circulators 401.1 -401. n one AWG 501.1 -501. n and a detector arrangement 601.1 -601. n is assigned.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment, which differs from that from FIG. 4a in that only one optical circulator 401 instead of the array of optical circulators 401.1 -401 present in FIG. 4a.
  • n planned hen is.
  • the corresponding function of the separation of the signals returning to and from the object is performed according to FIG. 5 by the optical ring resonators 701.1 -701 (which are present in twice the number compared to FIG. 4a). n taken over.
  • This embodiment has the advantage that, in contrast to the optical circulators, a chip-integrated production with available technologies is possible for said optical ring resonators.
  • Optical Frequency Comb Generator a laser in the signal path after an array of lasers (FMCW lasers) each providing a time-dependent frequency profile.
  • FIGS. 7a-7b show a schematic block diagram according to which the optical signals generated by an array 600 of lasers each providing a time-dependent frequency response (FMCW) via a multiplexing device 610 (for coupling into a common optical fiber) to an OFC Generator 620 can be supplied.
  • the effect of this OFC generator 620 according to FIGS. 7a-7b is that a frequency comb with a comparatively large center frequency spacing Af 0, which is generated jointly by the individual frequency-modulated (FMCW) lasers of the array 600, also forms a comparatively dense frequency comb due to the OFC generator 620 much smaller frequency spacing Afo F c is converted or “supplemented”, namely by leaving the spaces between the individual modes f 0i , fo2, fo3,... of the FMCW laser of the array 600 according to FIG. 7a in the frequency spectrum 7b can be seen to be “filled in” accordingly.
  • the center frequency spacing Af 0 between said modes of the FMCW lasers of the array 600 can be in the range from 300 GHz to 500 GHz.
  • the significantly smaller frequency spacing in the frequency comb generated by the OFC generator 620 can only be, for example, in the range from 10 GHz to 100 GHz, in particular 10 GHz to 50 GHz.
  • the modulation bandwidth of the individual FMCW lasers of the array 600 can be in the range from 0.5 GHz to 5 GHz.
  • FIGS. 8a-8c The effect of the OFC generator 620 on the time-dependent frequency response ultimately provided by the light source is illustrated in FIGS. 8a-8c, with FIG. 8a merely the generation of different modes of the array 600 without FMCW modulation, and FIG. 8b the time-dependent frequency response due to the FMCW modulation in the individual lasers of the array 600 and FIG. 8c, the temporal frequency course due to the additional effect of the OFC generator 620, which forms a comparatively dense frequency comb from the FMCW signals of FIG. 8b as described above, shows.
  • f m denotes the center frequency of the mth laser of the array.
  • an array 600 consisting of several FMCW lasers, each providing a time-dependent frequency response, was assumed above, the present application is also intended to include embodiments in which an OFC generator in combination with only a single FMCW providing the time-dependent frequency profile -Laser used or arranged in the signal path after this FMCW laser.
  • the signal path downstream of the OFC generator 620 corresponds to the previously described embodiments.
  • the multiplex device 610 and demultiplex device 650 can be implemented on the basis of AWGs and / or Mach-Zehnder interferometers (MZI).
  • MZI Mach-Zehnder interferometers
  • FIG. 9 shows a schematic block diagram to explain a further embodiment, components that are analogous or essentially functionally identical to FIG. 6 being designated by reference numbers increased by “300”.
  • the embodiment of FIG. 9 differs from that of FIG. 6 in that each FMCW laser 901, 902, 903, ... is assigned its own OFC generator 921, 922, 923, ... within the array is.
  • FIG. 10a-10b and FIG. 11 show, in a merely schematic representation, exemplary possible configurations with regard to the generation of an optical frequency comb by means of one in accordance with the embodiments of FIGS. 6ff described above.
  • OFC generator used using Mach-Zehnder modulators.
  • MZM denotes a Mach-Zehnder modulator that has at least one electro-optical modulator (EOM).
  • EOM electro-optical modulator
  • FIG. 11 by performing phase modulation, an amplitude or intensity control can be implemented with regard to the optical frequency comb that is ultimately generated, so that - as can be seen in the right part of FIG. 11 - the individual comb lines within the OFC generator generated frequency comb have substantially the same intensity.

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Lichtquelle (110, 210) zum simultanen Aussenden einer Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei sich diese Signale hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen diese zeitliche Variation stattfindet, voneinander unterscheiden, eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (140, 240) auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt (140, 240) reflektierten Messsignalen (121, 221) und nicht an dem Objekt (140, 240) reflektierten Referenzsignalen (122, 222), und ein dispersives Element (130, 230) auf, welches eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt (140, 240) gelenkten Messsignale (121, 221) bewirkt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur scannenden
Abstandsermittlunq eines Objekts
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent- anmeldungen DE 10 2018 216 636.6, angemeldet am 27. September 2018, sowie DE 10 2019 209 937.8, angemeldet am 05. Juli 2019. Der Inhalt dieser DE- Anmeldungen wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Die Vorrichtung und das Verfahren können zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausge- dehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.
Stand der Technik
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR be- zeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich ver- ändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.
Fig. 12a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 1210 ausgesandtes Signal 1211 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als„Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung über einen nicht dar- gestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faser- optischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkopp- ler 1250 gekoppelt und an einem Detektor 1260 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 1222 ohne Reflexion an dem mit„1240“ be- zeichneten Objekt zum Signalkoppler 1250 und zum Detektor 1260 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 1250 bzw. am Detektor 1260 eintreffende Teilsignal ver- läuft hingegen als Messsignal 1221 über einen optischen Zirkulator 1220 und einen Scanner 1230 zum Objekt 1240, wird von diesem zurückreflektiert und ge- langt somit im Vergleich zum Referenzsignal 1222 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 1250 und zum Detektor 1260.
Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 1260 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von Fig. 12b dargestellte Differenzfrequenz 1231 zwischen Messsignal 1221 und Referenzsignal 1222 charakteristisch für den Abstand des Objekts 1240 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 ist. Gemäß Fig. 12b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 1240 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 1210 der zeitab- hängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 1210 ausgesandten Signals 1211 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitli- che Ableitung der von der Lichtquelle 1210 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Ab- standsmessung zu realisieren. Dabei ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Zu- verlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung zum einen wünschenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren.
Ein bei der LIDAR-basierten Messung in der Praxis auftretendes Problem ist, dass der Pixel für Pixel sequentiell durchgeführte Scanprozess hinsichtlich der Anzahl der pro Zeiteinheit aufgenommenen Einzelbilder (=„frame rate“= Bildrate) u.a. aufgrund der endlichen Laufzeit (= tof=„time of flight“) der in der Messanord- nung hin- und herlaufenden Messsignale begrenzt ist. Zur Erzielung von für eine zufriedenstellende Auflösung erforderlichen Bildraten ist deshalb ein möglichst hoher„Parallelisierungsgrad“ im Sinne einer scannenden Abtastung des Objekts über mehrere Bereiche bzw. Pixel gleichzeitig wünschenswert. Eine hierzu grund- sätzlich in Betracht kommende Vervielfachung der betreffenden LIDAR-basierten Messanordnung ist jedoch aufwändig und entsprechend kostenintensiv.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 sowie die Publikation Sarah Uvin et al. : „Narrow line width frequency comb source based on an injection-locked Ill-V-on-silicon mode-locked lasek , Optics Express p.5277-5286, Vol. 24, No. 5 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche die Erhöhung des„Parallelisierungsgrades“ im Sinne einer scannenden Abtastung des Objekts gleichzeitig über mehrere Bereiche bzw. Pixel mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche ge- löst. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist auf:
- eine Lichtquelle zum simultanen Aussenden einer Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei sich diese Signale hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen diese zeitliche Variation stattfindet, voneinander unterscheiden;
- eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Ob- jekt reflektierten Messsignalen und nicht an dem Objekt reflektierten Refe- renzsignalen; und
- einem dispersiven Element, welches eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale be- wirkt.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts ausgehend von dem anhand von Fig. 12a-12b beschriebenen Prinzip ein Abscannen des Objekts mit erhöhtem Parallelisie- rungsgrad dadurch zu realisieren, dass nicht nur ein optisches Signal mit zeitlich veränderter Frequenz (als„Chirp“) erzeugt und wie beschrieben in zwei Teilsigna- le aufgespalten wird, sondern die Lichtquelle derart ausgestaltet wird, dass gleichzeitig eine Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz ausgesandt wird. Über das im Signalweg noch vor dem Objekt befindli- che dispersive Element wird dann eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängi- ge Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt, so dass diese Messsignale dann mit entsprechend dem jeweiligen Frequenzbereich unter- schiedlichem Kipp bzw. unter unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden.
Im Ergebnis kann so eine Vielzahl von Frequenzrampen bzw. optischen Signalen mit zeitlich veränderter Frequenz simultan in die nachfolgenden Komponenten der Messanordnung eingekoppelt werden mit der Folge, dass eine effektive Paral- lelisierung erreicht wird.
Dabei weist in Ausführungsformen der Erfindung die Lichtquelle wenigstens einen modengekoppelten Laser zur Bereitstellung eines Frequenzkamms aus einer Mehrzahl von jeweils um einen festen Frequenzabstand voneinander separierten Moden auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine modengekoppelte Laser an einen weiteren, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser gekoppelt. Hierbei wird gewissermaßen der Frequenzkamm des modengekoppel- ten Lasers durch Kopplung an den weiteren Laser„in der Zeit bewegt“ mit der Folge, dass die Moden des modengekoppelten Lasers diesem zeitabhängigen Frequenzverlauf folgen, wobei weiterhin der Frequenzabstand zwischen den durch den modengekoppelten Laser vorgegeben Moden bestehen bleibt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Mehrzahl von moden- gekoppelten Lasern zur Bereitstellung einer Mehrzahl von einander überlappen- den Frequenzkämmen auf. Dabei kann insbesondere jeder dieser modengekop- pelten Laser über jeweils einen Frequenzschieber an den weiteren, einen zeitab- hängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser gekoppelt sein.
Der erfindungsgemäße Einsatz einer Mehrzahl modengekoppelter Laser, über welche wie im Weiteren noch näher beschrieben einander überlappende Fre- quenzkämme erzeugt werden können, hat insbesondere den Vorteil der Realisie- rung einer vergleichsweise großen Moden- bzw. Pixelzahl, da der bei Einsatz lediglich eines einzigen modengekoppelten Lasers zwischen den einzelnen Moden verbleibende (und gewissermaßen„verlorengehende“) Bereich zur Bereit- stellung weiterer Moden aus den jeweiligen Frequenzkämmen von anderen modengekoppelten Lasern und Erzeugung weiterer Pixel genutzt wird. Dabei geht die Erfindung auch von der weiteren Überlegung aus, dass zwar hin- sichtlich der vom Objekt reflektierten Signale und der insoweit erforderlichen fre- quenzselektiven Aufteilung dieser Signale zwecks Überführung an die Detek- toranordnung die technologischen Möglichkeiten von AWGs auf nicht zu dichte Modenabstände bzw. nicht zu enge Frequenzkämme begrenzt sind. Die Erfin- dung beinhaltet insoweit aber das weitere Konzept, durch Bereitstellung einer z.B. auf optischen Ringresonatoren basierenden Multiplex-Einrichtung sowie einer entsprechenden Demultiplex-Einrichtung auch die durch die vorstehend genannte Überlappung von Frequenzkämmen unterschiedlicher modengekoppelter Laser realisierten geringen Frequenzabstände„verarbeiten“ zu können.
Gemäß einer Ausführungsform weist der modengekoppelte Laser eine Zentral- wellenlänge von 905nm auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der modengekoppelte Laser eine Zentralwellenlänge von 1550nm auf.
In weiteren Ausführungsformen sind auch andere Wellenlängen z.B. von wenigs- tens 5pm, insbesondere wenigstens 10pm, z.B. unter Verwendung von Kaska- denlasern möglich.
Gemäß einer Ausführungsform weist der modengekoppelte Laser eine Bandbreite von wenigstens 50nm (= 6THz), insbesondere von wenigstens 100nm (X12THZ), auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Frequenzabstand der voneinander sepa- rierten Moden kleiner als 500GHz, insbesondere kleiner als 100GHz, weiter ins- besondere kleiner als 10GHz, weiter insbesondere kleiner als 3GHz. Dabei kann mit kleinerem Frequenzabstand der voneinander separierten Moden eine größere Modenanzahl realisiert werden. Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquelle wenigstens einen, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser sowie wenigstens einen im Signalweg nachfolgenden optischen Frequenzkammgenerator auf. Insbeson- dere kann die Lichtquelle ein Array von jeweils einen zeitabhängigen Frequenz- verlauf bereitstellenden Lasern aufweisen.
Bei dieser Ausgestaltung kann der OFC-Generator (OFC=„Optical Frequency Comb“ =„Optischer Frequenzkamm“) dazu genutzt werden, einen vom Array der jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser erzeugten weiten Frequenzkamm (mit vergleichsweise großem Mittenfrequenzabstand zwischen den von den einzelnen Lasern des Arrays erzeugten Moden) in einen relativ dichten Frequenzkamm mit vergleichsweise geringem Frequenzabstand zwischen benachbarten Moden umzuwandeln, so dass im Ergebnis ebenfalls eine vergleichsweise große Moden- bzw. Pixelzahl mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen erzielt werden kann.
Dabei hat der Einsatz des optischen Frequenzkammgenerators zum einen den Vorteil, dass ein mit dem Einsatz modengekoppelter Laser gegebenenfalls ein- hergehender Steuerungsaufwand (z.B. zur Berücksichtigung von Temperatur- Schwankungen) entbehrlich wird, so dass die Komplexität der Anordnung hinsicht- lich einer solchen Steuerung signifikant reduziert wird. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz des OFC-Generators besteht darin, dass die durch den OFC-Generator zusätzlich erzeugten Moden bzw.„Kammlinien“ in Kohärenz mit den Lasern des besagten Arrays sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Multiplex-Einrichtung zum Einkoppeln von seitens der Lichtquelle bereitgestellten Signale in eine zum dispersiven Element führende optische Faser auf. Des Weiteren kann die Vorrich- tung eine Demultiplex-Einrichtung zur Aufteilung von an dem Objekt reflektierten Signalen aufweisen. Die Multiplex-Einrichtung und/oder die Demultiplex- Einrichtung können insbesondere eine Mehrzahl von optischen Ringresonatoren aufweisen. Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform folgt dem wenigstens einen modengekoppelten Laser ein elektrooptischer Modulator zur Aufprägung eines zeitabhängigen Frequenzverlaufs auf die von dem modengekoppelten Laser be- reitgestellten Moden des Frequenzkamms im Signalweg nach.
Gemäß einer Ausführungsform weist dieser zeitabhängige Frequenzverlauf zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle zwei Abschnitte auf, in denen die zeitliche Ableitung der Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist das dispersive Element ein AWG (=“array waveguide grating“=„Wellenleiterstruktur-Array“) auf.
Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform weist das dispersive Element ein Prisma, ein Beugungsgitter oder einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen akustischen oder elektrooptischen Modulator, auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein weiteres dispersives Element zur räumlichen Aufteilung der von dem Objekt reflektierten Messsignale in Abhängigkeit vom jeweiligen Frequenzbereich auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist das weitere dispersive Element ein AWG auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Detektoranordnung aus einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Detektorelementen zur Erzeugung von Detektorsignalen auf, wobei diese Detektorsignale jeweils für die Differenzfrequenzen zwischen den Frequenzen der zu dem Objekt gelenkten Messsignale und den Frequenzen der jeweiligen Referenzsignale charakteristisch sind. Gemäß einer Ausführungsform sind voneinander verschiedene Detektorelemente dieser Detektoranordnung unterschiedlichen Winkelbereichen in der Winkelvertei- lung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale zugeordnet.
Aufgrund der frequenzselektiven räumlichen Aufteilung durch das weitere disper- sive Element werden die unterschiedlichen Frequenzbereiche, welche den unterschiedlichen Ablenkungen zum Objekt hin entsprechen, auf der als Array ausgestalteten Detektoranordnung räumlich voneinander separiert.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle, einer Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei sich die- se Signale hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen diese zeitli- che Variation stattfindet, voneinander unterscheiden; und
- Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis von aus den optischen Sig- nalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignalen und nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignalen;
- wobei über ein dispersives Element eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale be- wirkt wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird in der Lichtquelle über einer Mehrzahl von modengekoppelten Lasern eine Mehrzahl von Frequenzkämmen erzeugt, wobei diese Frequenzkämme einander zur Bereitstellung eines resultierenden Frequenzkamms mit geringerem Modenabstand überlappen.
Gemäß einer Ausführungsform werden in der Lichtquelle in einem von einer Mehrzahl frequenzmodulierter Laser erzeugten Frequenzkamm verbleibende Frequenzbereiche zwischen benachbarten Moden unter Verwendung eines opti- schen Frequenzkamm-Generators durch weitere Moden aufgefüllt. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchgeführt werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unter- ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dar- gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
Figur 1a-1 b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Auf- baus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
Figuren 3-11 Diagramme und schematische Darstellungen zur Erläute- rung möglicher weiterer Ausführungsbeispiele der Erfin- dung; und
Figuren 12a-12b schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vor- richtung in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in Fig. 1 a-1 b beschrieben.
Gemäß Fig. 1 a-1 b wird im Unterschied zu dem bereits anhand von Fig. 12a-12b beschriebenen, herkömmlichen Konzept als Lichtquelle 110 nicht lediglich ein frequenzmodulierter FMCW-Laser (FMCW= „frequency-modulated continuous wave“) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz („chirp“), sondern eine im Weiteren erläuterte Kombination aus einem solchen Laser 113 mit einem modengekoppelten Laser 111 verwendet.
Der modengekoppelte Laser 111 erzeugt in für sich bekannter Weise einen Frequenzkamm, welcher mehrere Frequenzen mit exaktem Frequenzabstand um fasst, wobei diese Frequenzen gleichzeitig am Ausgang des modengekoppelten Lasers 111 in Form von Pulsen auftreten.
Das von dem Laser 113 erzeugte optische Signal weist, wie in Fig. 1 a angedeu- tet, Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung der Frequenz mit jeweils linearer Zeitabhängigkeit auf.
Wenn im Aufbau von Fig. 1 a der Laser 113 nicht eingeschaltet ist, werden von der Lichtquelle 110 die über gestrichelte Linien dargestellten Frequenzen im Fre- quenzkamm des modengekoppelten Lasers 111 ausgesandt. Mit„112“ ist ein op- tischer Zirkulator bezeichnet. Bei Einschalten des (FMCW-) Lasers 113 folgen hingegen die Frequenzen des modengekoppelten Lasers 111 den Frequenzen des von dem Laser 113 erzeugten (FMCW-)Signals. Aufgrund der simultanen Er- zeugung der Frequenzen mit exaktem Frequenzabstand durch den modengekop- pelten Laser 111 werden somit gleichzeitig die Frequenzabstände des modenge- koppelten Lasers 111 mit der„dreieckförmigen“ Modulation des FMCW-Signals generiert. Somit wird gewissermaßen wie im rechten Teil von Fig. 1 a angedeutet der Frequenzkamm des modengekoppelten Lasers 111 durch Kopplung an den FMCW-Laser 113„in der Zeit bewegt“ mit der Folge, dass die Moden des moden- gekoppelten Lasers 111 diesem zeitabhängigen Frequenzverlauf folgen, wobei jedoch weiterhin ein Abstand zwischen den Moden existiert, der durch den modengekoppelten Laser 111 vorgegeben ist.
Als vorteilhafter und durchaus erwünschter Nebeneffekt werden bei schmal- bandiger Ausgestaltung des (FMCW-)Lasers 113 auch die Moden des moden- gekoppelten Lasers 111 entsprechend schmaler mit der Folge, dass die Kohärenz der Lichtquelle 110 verbessert wird.
Gemäß Fig. 1 b erfolgt sodann in zum herkömmlichen Konzept von Fig. 12a-12b analoger Weise eine Aufspaltung des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Sig- nals über einen Strahlteiler 115 (welcher z.B. als teildurchlässiger Spiegel oder als faseroptischer Splitter ausgestaltet sein kann). Von diesen Teilsignalen wird ein als„Messsignal“ 121 dienendes Teilsignal über einen optischen Zirkulator 120 und ein dispersives Element 130 auf ein hinsichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt 140 gelenkt, wohingegen das andere der beiden Teilsignale als Referenzsignal 122 dient und analog zu Fig. 12a-12b für die weitere Auswertung verwendet wird. In Ausführungsformen kann im Signal- weg des Messsignals 121 nach dem Strahlteiler 115 auch ein Verstärker vorge- sehen sein.
Das dispersive Element 130 kann z.B. als AWG (=“array waveguide grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“) ausgelegt sein. In weiteren Ausführungsformen kann das dispersive Element 130 auch ein Prisma, ein Beugungsgitter oder einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen akustischen oder elektroopti- schen Modulator, aufweisen. Vom dispersiven Element 130 werden unterschied- liche Frequenz-Moden des wie vorstehend beschrieben in der Zeit bewegten Fre- quenzkamms (d.h. unterschiedliche, die jeweiligen Frequenzen aufweisende Teil- strahlen) in voneinander verschiedene Richtungen zum Objekt 140 hin abgelenkt. Nach Reflexion am Objekt 140 verläuft der Signalweg zurück über den optischen Zirkulator 120 zu einem weiteren dispersiven Element 150 (welches ebenfalls als AWG ausgelegt sein kann) zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt 140 reflektierten Messsignals. Aufgrund dieser frequenzselektiven räumlichen Aufteilung durch das weitere dispersive Element 150 werden, wie in Fig. 1 b unterhalb des dispersiven Elements 150 angedeutet, die unterschiedli- chen Frequenzbereiche, welche den unterschiedlichen Ablenkungen zum Objekt 140 hin entsprechen, auf der als Array ausgestalteten Detektoranordnung 160 (wie durch Bereiche„1“,„2“,„3“, ... angedeutet) räumlich voneinander separiert.
Die Übertragung des Referenzsignals 122 kann - wie in Fig. 1 b mit gestrichelter Linie dargestellt - vom Strahlteiler 115 direkt an die Detektoranordnung 160 oder auch - wie in Fig. 1 b mit gepunkteter Linie dargestellt - zunächst an das weitere dispersive Element 150 erfolgen (wobei im letzteren Falle ein Signalrauschen re- duziert werden kann, da jedem Detektor innerhalb der Detektoranordnung 160 ein eigener, hinsichtlich der Frequenz jeweils passender Anteil des Referenzsignals 122 zugeführt wird).
Im Ergebnis wird gemäß Fig. 1 a-1 b nicht nur eine Frequenzrampe wie bei dem herkömmlichen Konzept von Fig. 12a-12b, sondern eine Mehrzahl von Frequenz- rampen bzw. Signalverläufen mit zeitlich variierender Frequenz erzeugt und von der Lichtquelle 110 simultan ausgesandt und über den Strahlteiler 115 in den op- tischen Zirkulator 120 und das dispersive Element 130 eingekoppelt. Über die Ab- lenkung der betreffenden Signale entsprechend dem jeweiligen Frequenzbereich in unterschiedliche Richtungen auf dem Objekt 140 wird das Objekt 140 somit gleichzeitig in mehreren Bereichen abgescannt mit der Folge, dass eine effektive Parallelisierung der Messung erzielt wird.
Fig. 3a-3b zeigen Diagramme zur Erläuterung möglicher Ausführungsformen, wo bei die Kavitätslänge (Fig. 3a) bzw. die Modenanzahl (Fig. 3b) in Abhängigkeit vom Modenabstand aufgetragen sind. Bei Wahl eines Modenabstandes von 5GHz entsprechend einer Kavitätslänge von 8.6mm beträgt die Anzahl an vom modengekoppelten Laser 111 bereitgestellten Moden bzw. die Anzahl von mit dem Aufbau von Fig. 1 b gleichzeitig messbaren Pixeln 2400.
Für eine Chirp-Dauer (entsprechend der Dauer des linearen Anstiegs bis zum Maximum im jeweiligen Frequenzverlauf) von 2ps ergibt sich für die Pixel- Abtastrate ein Wert von (2400/2)ps, entsprechend etwa I Gigapixel pro Sekunde. Bei Wahl eines Modenabstandes von 30GHz entsprechend einer Kavitätslänge von 1 43mm beträgt die Anzahl an vom modengekoppelten Laser 111 bereitge- stellten Moden bzw. die Anzahl von mit dem Aufbau von Fig. 1 b gleichzeitig messbaren Pixeln 400. Für eine Chirp-Dauer von 9ps ergibt sich für die Pixel- Abtastrate ein Wert von (400/9)ps, entsprechend etwa 44Megapixel pro Sekunde.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei zu Fig. 1 a-1 b analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um„100“ erhöhten Bezugszif- fern bezeichnet sind.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 erfolgt die Realisierung der Frequenz- rampen bzw. zeitlich variierenden Frequenzverläufe auf den einzelnen von dem modengekoppelten Laser 211 bereitgestellten Moden über einen elektrooptischen Modulator (EOM) 214. Mit„216“ ist in Fig. 2 ein Verstärker und mit„270“ eine Auswerteeinrichtung bezeichnet.
Gemäß Fig. 2 wird der weitere Laser 213 im Unterschied zu der Ausführungsform von Fig. 1 a-1 b nicht in seiner Frequenz durchgestimmt, sondern bewirkt, dass die Moden des modengekoppelten Lasers 211 entsprechend schmaler werden und der modengekoppelte Laser 211 stabilisiert wird.
Den Ausführungsformen von Fig. 1a-1 b und Fig. 2 ist gemeinsam, dass den ein- zelnen Moden eines über einen modengekoppelten Laser 111 bzw. 211 bereitge- stellten Frequenzkamms jeweils ein zeitabhängiger Frequenzverlauf aufgeprägt wird, wobei die in dieser Weise modifizierten, gleichzeitig vorliegenden Signale dann über das dispersive Element 130 bzw. 230 in unterschiedlichen Richtungen auf das Objekt 140 gelenkt werden, so dass dieses Objekt 140 gleichzeitig in mehreren Bereichen abgescannt und eine effektive Parallelisierung der Messung erzielt wird. Die Aufprägung des zeitabhängigen Frequenzverlaufs auf die einzel- nen Moden des über den modengekoppelten Laser 111 bzw. 211 bereitgestellten Frequenzkamms erfolgt dabei gemäß Fig. 1a-1 b durch Kopplung („locking“) an einen analog zu Fig. 12a-12b ausgelegten und den zeitabhängigen Frequenzver- lauf bereitstellenden Laser 113, gemäß Fig. 2 hingegen über den elektrooptischen Modulator (EOM) 214.
Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen in Fig. 4a-4f eine von dem Funktionsprinzip gemäß Fig. 1a-1 b ausgehende, weitere Aus- führungsform beschrieben, welche eine weitere signifikante Steigerung von Pixel- anzahl sowie Parallelisierungsgrad ermöglicht, wobei zugleich auch ein geeigne- tes Multiplex- bzw. Demultiplex-Konzept bereitgestellt wird.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich gemäß Fig. 4a von der Ausführungs- form gemäß Fig. 1 a-1 b insbesondere dadurch, dass anstelle nur eines modenge- koppelten Lasers eine Mehrzahl modengekoppelter Laser 101.1 , 101.2, ... , 101.n in einem entsprechenden Array eingesetzt wird. Die Kopplung dieses Arrays von modengekoppelten Lasern an den (analog zum Laser 113 aus Fig. 1 a ausgestal- teten) Laser 201 zur Bereitstellung des zeitabhängigen Frequenzverlaufs erfolgt über ein Array aus einer Mehrzahl von n-1 Frequenzschiebern 301.1 ,
301.2, . ,301. n-1. Die Wirkung dieser Frequenzschieber ist gemäß Fig. 4c der- gestalt, dass die Frequenzkämme der einzelnen modengekoppelten Laser bzw. die jedem dieser Frequenzkämme zugehörigen Moden verschoben werden mit der Folge, dass sich die Moden aus dem Frequenzkamm des zweiten modenge- koppelten Lasers 101.2 von denjenigen des ersten modengekoppelten Lasers 101.1 um 6f unterscheiden, die Moden des dritten modengekoppelten Lasers 101.3 von denjenigen des ersten modengekoppelten Lasers 101.1 um 26f unter- scheiden etc., wobei 5f die von jeweils einem Frequenzschieber eingeführte Frequenzverschiebung bezeichnet. Im Ergebnis wird so - wie am besten aus dem linken Teil von Fig. 4e ersichtlich - eine Überlagerung der von den einzelnen modengekoppelten Lasern 101.1 -101. n bereitgestellten Frequenzkämme realisiert, in welcher der zwischen den benach- barten Moden des ersten modengekoppelten Lasers 101.1 verbleibende Frequenzabstand durch die entsprechenden Moden anderer modengekoppelter Laser 101.2, ... innerhalb des Arrays„aufgefüllt“ werden, letztlich also zur Erzeu- gung weiterer Pixel beim Abscannen des Objekts 901 zur Verfügung stehen.
Gemäß Fig. 4a treffen die von den modengekoppelten Lasern 101.1 -101. n (ent- sprechend den jeweiligen„Frequenzkämmen“) ausgehenden Signale auf ein ent- sprechendes Array optischer Zirkulatoren 401.1 , 401.2, ... , 401. n, wobei jedem modengekoppelten Laser 101.1 -101. n (bzw. dem jeweiligen Frequenzkamm) je- weils einer dieser optischen Zirkulatoren 401.1 , 401.2, ... , 401.n zugeordnet ist.
Zur Einkopplung sämtlicher Signale bzw. Frequenzkämme in eine gemeinsame optische Faser 801 wird gemäß Fig. 4a eine Multiplex-Einrichtung durch eine Mehrzahl von optischen Ringresonatoren 701.1 -701. n bereitgestellt. Diese opti- schen Ringresonatoren 701.1 -701. n sind gemäß Fig. 4d hinsichtlich ihres freien Spektralbereichs und der jeweiligen Offset-Frequenz an den Modenabstand in- nerhalb des Arrays von modengekoppelten Lasern 101.1 -101. n in solcher weise angepasst, dass jeder optische Ringresonator 701.1 -701. n an jeweils einen zu- gehörigen modengekoppelten Laser 101.1-101. n des besagten Arrays optisch ankoppelt bzw. mit diesem in Resonanz ist.
Nach Reflexion sämtlicher Signale am Objekt 901 erfolgt über die optischen Zirkulatoren 401.1 -401. n ein entsprechendes Demultiplexen, wobei jedem der op- tischen Zirkulatoren 401.1 -401. n jeweils ein AWG 501.1 -501. n sowie eine Detek- toranordnung 601.1 -601. n zugeordnet ist.
Fig. 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung, welche sich von derjenigen aus Fig. 4a dadurch unterscheidet, dass lediglich ein optischer Zirkulator 401 anstelle des in Fig. 4a vorhandenen Arrays von optischen Zirkulatoren 401.1 -401. n vorgese- hen ist. Die entsprechende Funktion der Trennung der zum Objekt hin bzw. von diesem zurücklaufenden Signale wird gemäß Fig. 5 durch die (im Vergleich zu Fig. 4a in doppelter Anzahl vorhandenen) optischen Ringresonatoren 701.1 -701. n übernommen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass für besagte optische Ringresonatoren im Gegensatz zu den optischen Zirkulatoren eine chipintegrierte Fertigung mit verfügbaren Technologien möglich ist.
Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf Fig. 6 Ausführungsformen der Erfin- dung erläutert, bei denen im Signalweg nach einem Array von jeweils einen zeit- abhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Lasern (FMCW-Lasern) ein opti- scher Frequenzkamm-Generator (OFC-Generator =„Optical Frequency Comb- Generator“) angeordnet ist.
Fig. 6 zeigt hierzu zunächst ein schematisches Blockdiagramm, gemäß dem die von einem Array 600 von jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereit- stellenden (FMCW-) Lasern erzeugten optischen Signale über eine Multiplex- Einrichtung 610 (zur Einkopplung in eine gemeinsame optische Faser) einem OFC-Generator 620 zugeführt werden. Die Wirkung dieses OFC-Generators 620 ist gemäß Fig. 7a-7b, das ein von den einzelnen frequenzmodulierten (FMCW-) Lasern des Arrays 600 gemeinsam erzeugter Frequenzkamm mit vergleichsweise großem Mittenfrequenzabstand Af0 aufgrund des OFC-Generators 620 zu einem vergleichsweise dichten Frequenzkamm mit wesentlich geringerem Frequenzab- stand AfoFc umgewandelt bzw.„ergänzt“ wird, indem nämlich die gemäß Fig. 7a zwischen den einzelnen Moden f0i, fo2, fo3, ... der FMCW-Laser des Arrays 600 im Frequenzspektrum verbleibenden Zwischenräume wie aus Fig. 7b ersichtlich entsprechend„aufgefüllt“ werden.
Lediglich beispielhaft kann der Mittenfrequenzabstand Af0 zwischen besagten Moden der FMCW-Laser des Arrays 600 im Bereich von 300 GHz bis 500 GHz liegen. Der wesentlich geringere Frequenzabstand in dem über den OFC- Generator 620 erzeugten Frequenzkamm kann lediglich beispielhaft im Bereich von 10 GHz bis 100 GHz, insbesondere 10 GHz bis 50GHz, liegen. Des Weiteren kann die Modulationsbandbreite der einzelnen FMCW-Laser des Arrays 600 bei- spielhaft im Bereich von 0.5 GHz bis 5 GHz liegen.
Die Wirkung des OFC-Generators 620 auf den letztlich von der Lichtquelle bereit- gestellten zeitabhängigen Frequenzverlauf ist in Fig. 8a-8c veranschaulicht, wobei Fig. 8a lediglich die Erzeugung unterschiedlicher Moden des Arrays 600 ohne FMCW-Modulation, Fig. 8b den zeitabhängigen Frequenzverlauf aufgrund der FMCW-Modulation in der einzelnen Lasern des Arrays 600 und Fig. 8c den zeitli- chen Frequenzablauf aufgrund der zusätzlichen Wirkung des OFC-Generators 620, welcher aus den FMCW-Signalen von Fig. 8b wie vorstehend beschrieben einen vergleichsweise dichten Frequenzkamm bildet, zeigt. fm bezeichnet jeweils die Mittenfrequenz des m-ten Lasers des Arrays. In diesem Zusammenhang wird auf die Publikation A. Gaeta, M. Lipson, T. Kippenberg; “ Photonic-chip-based frequency combs”, Nature Photonics, volume 13, Seiten 158-169 (2019) ver- wiesen.
Wenngleich vorstehend von einem Array 600 aus mehreren, jeweils einen zeitab- hängigen Frequenzablauf bereitstellenden FMCW-Lasern ausgegangen wurde, sollen von der vorliegenden Anmeldung auch Ausführungsformen umfasst sein, bei denen ein OFC-Generator in Kombination mit lediglich einem einzigen, den zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden FMCW-Laser eingesetzt bzw. im Signalweg nach diesem FMCW-Laser angeordnet wird.
Der Signalweg nach dem OFC-Generator 620 entspricht hinsichtlich der bereits beschriebenen Komponenten, d.h. einem optischen Zirkulator 630, einem disper- siven Element 640, einer Demultiplex-Einrichtung 650 und einer Detektor- Anordnung 660, den bereits zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei können die Multiplex-Einrichtung 610 sowie Demultiplex-Einrichtung 650 auf Basis von AWGs und/oder Mach-Zehnder-Interferometern (MZI) realisiert werden. Hierbei wird der freie Spektralbereich (FSR) gleich der gesamten spektralen Bandbreite des Laser-Arrays 600 gewählt, wobei die jeweilige Kanalgröße ent- sprechend dem Mittenfrequenzabstand Af0 = fm+i-fm zwischen benachbarten Moden in dem vom Array 600 gemäß Fig. 7a erzeugten Frequenzkamm gewählt wird.
Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform, wobei zu Fig. 6 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um„300“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausfüh- rungsform von Fig. 9 unterscheidet sich von derjenigen aus Fig. 6 dadurch, dass jedem FMCW-Laser 901 , 902, 903,... innerhalb des Arrays ein eigener OFC- Generator 921 , 922, 923, ... zugeordnet ist.
Fig. 10a-10b und Fig. 11 zeigen in lediglich schematischer Darstellung beispiel- hafte mögliche Konfigurationen hinsichtlich der Erzeugung eines optischen Frequenzkamms durch einen gemäß den vorstehend beschriebenen Ausfüh- rungsformen von Fig. 6ff. eingesetzten OFC-Generator unter Verwendung von Mach-Zehnder-Modulatoren. Mit„MZM“ ist in Fig. 10b jeweils ein wenigstens ei- nen elektrooptischen Modulator (EOM) aufweisender Mach-Zehnder-Modulator bezeichnet. Gemäß Fig. 11 kann unter Durchführung einer Phasenmodulation im Ergebnis eine Amplituden- bzw. Intensitätssteuerung hinsichtlich des letztlich er- zeugten optischen Frequenzkamms realisiert werden, so dass - wie im rechten Teil von Fig. 11 ersichtlich - die einzelnen Kammlinien innerhalb des vom OFC- Generator erzeugten Frequenzkamms im Wesentlichen die gleiche Intensität aufweisen.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fach- mann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vor- liegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit
• einer Lichtquelle (110, 210) zum simultanen Aussenden einer Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei sich diese Signale hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen diese zeitliche Variation stattfindet, voneinander unterscheiden;
• einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (140, 240) auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorge- gangenen, an dem Objekt (140, 240) reflektierten Messsignalen (121 , 221 ) und nicht an dem Objekt (140, 240) reflektierten Referenzsignalen (122, 222); und
• einem dispersiven Element (130, 230), welches eine vom jeweiligen Frequenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt (140, 240) gelenkten Messsignale (121 , 221 ) bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (110, 210) wenigstens einen modengekoppelten Laser (111 , 211 ) zur Bereit- stellung eines Frequenzkamms aus einer Mehrzahl von jeweils um einen festen Frequenzabstand voneinander separierten Moden aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigs- tens eine modengekoppelte Laser (111 ) an einen weiteren, einen zeitabhän- gigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser (113) gekoppelt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (110, 210) eine Mehrzahl von modengekoppelten Lasern zur Be- reitstellung einer Mehrzahl von einander überlappenden Frequenzkämmen aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser modengekoppelten Laser über jeweils einen Frequenzschieber an den weite- ren, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser (113) gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine modengekoppelte Laser (111 , 211 ) eine Zentral- wellenlänge von 905nm aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine modengekoppelte Laser (111 , 211 ) eine Zentral- wellenlänge von 1550nm aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine modengekoppelte Laser (111 , 211 ) eine Band- breite von wenigstens 50nm, insbesondere von wenigstens 100nm, aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzabstand der voneinander separierten Moden kleiner als 500GHz, insbesondere kleiner als 100GHz, weiter insbesondere kleiner als 10GHz, und weiter insbesondere kleiner als 3GHz, ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen modengekoppelten Laser (211 ) ein elektro- optischer Modulator (214) zur Aufprägung eines zeitabhängigen Frequenz- verlaufs auf die von dem modengekoppelten Laser (211 ) bereitgestellten Moden des Frequenzkamms im Signalweg nachfolgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zeitab- hängige Frequenzverlauf zwei Abschnitte aufweist, in denen die zeitliche Ab- leitung der Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle wenigstens einen, einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Laser (113) sowie wenigstens einen im Signalweg nachfolgenden optischen Frequenzkammgenerator aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Array von jeweils einen zeitabhängigen Frequenzverlauf bereitstellenden Lasern aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass diese ferner eine Multiplex-Einrichtung zum Einkoppeln von seitens der Lichtquelle bereitgestellten Signale in eine zum dispersiven Element führende optische Faser aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass diese ferner eine Demultiplex-Einrichtung zur Aufteilung von an dem Objekt (140, 240) reflektierten Signalen aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplex-Einrichtung und/oder die Demultiplex-Einrichtung eine Mehrzahl von optischen Ringresonatoren aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das dispersive Element (130, 230) ein AWG aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das dispersive Element (130, 230) ein Prisma, ein Beugungs- gitter oder einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen akustischen oder elektrooptischen Modulator, aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass diese ein weiteres dispersives Element (150, 250) zur räumli- chen Aufteilung der von dem Objekt (140, 240) reflektierten Messsignale in Abhängigkeit vom jeweiligen Frequenzbereich aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere dispersive Element (150, 250) ein AWG aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass diese eine Detektoranordnung (160, 260) aus einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Detektorelementen zur Erzeu- gung von Detektorsignalen aufweist, wobei diese Detektorsignale jeweils für die Differenzfrequenzen zwischen den Frequenzen der zu dem Objekt (140, 240) gelenkten Messsignale (121 , 221 ) und den Frequenzen der jeweiligen Referenzsignale (122, 222) charakteristisch sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass voneinander verschiedene Detektorelemente dieser Detektoranordnung (160, 260) unter- schiedlichen Winkelbereichen in der Winkelverteilung der zu dem Objekt ge- lenkten Messsignale (121 , 221 ) zugeordnet sind.
23. Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle (110, 210), einer Mehr- zahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei sich diese Signale hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen diese zeitliche Variation stattfindet, voneinander unterscheiden; und
• Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt (140, 240) reflektier- ten Messsignalen (121 , 221 ) und nicht an dem Objekt (140, 240) reflek- tierten Referenzsignalen (122, 222); • wobei über ein dispersives Element (130, 230) eine vom jeweiligen Fre- quenzbereich abhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt (140, 240) gelenkten Messsignale (121 , 221 ) bewirkt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lichtquel- le über einer Mehrzahl von modengekoppelten Lasern eine Mehrzahl von Frequenzkämmen erzeugt wird, wobei diese Frequenzkämme einander zur Bereitstellung eines resultierenden Frequenzkamms mit geringerem Moden- abstand überlappen
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lichtquel- le in einem von einer Mehrzahl frequenzmodulierter Laser erzeugten Frequenzkamm verbleibende Frequenzbereiche zwischen benachbarten Moden unter Verwendung eines optischen Frequenzkamm-Generators durch weitere Moden aufgefüllt werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dieses unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 durchgeführt wird.
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