WO2020104362A1 - Vorrichtung zur zweidimensional scannenden strahlablenkung eines lichtstrahls - Google Patents

Vorrichtung zur zweidimensional scannenden strahlablenkung eines lichtstrahls

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WO2020104362A1
WO2020104362A1 PCT/EP2019/081621 EP2019081621W WO2020104362A1 WO 2020104362 A1 WO2020104362 A1 WO 2020104362A1 EP 2019081621 W EP2019081621 W EP 2019081621W WO 2020104362 A1 WO2020104362 A1 WO 2020104362A1
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wavelength
deflection
optical component
lidar system
component
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PCT/EP2019/081621
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Frank HÖLLER
Hans-Jürgen DOBSCHAL
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Carl Zeiss Ag
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    • G02B5/1814Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings

Definitions

  • the invention relates to a device for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam.
  • the device can be used in particular for scanning beam deflection when determining distances of both moving and still objects and for determining the topography or shape of one or more spatially extended three-dimensional objects.
  • LIDAR For optical distance measurement of objects, a measuring principle also known as LIDAR is known, in which an optical signal that is continuously changing in frequency with respect to the object in question is emitted and evaluated after back reflection on the object.
  • FIG. 5a shows only a schematic representation of a known basic structure in which a spectrally tunable light Source 50 emitted signal 51 with a time-modified frequency (also referred to as “chirp”) is split into two sub-signals, this splitting 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 57 and superimposed on one another at a detector 58, the first partial signal reaching the signal coupler 57 and the detector 58 as a reference signal 53 without reflection on the object labeled “56”.
  • the second partial signal arriving at the signal coupler 57 or at the detector 58 runs as a measurement signal 52 via an optical circulator 54 and a scanner 55 to the object 56, is reflected back by the object 56 and thus reaches the signal 53 in comparison with the reference signal 53 with a time delay and a correspondingly changed frequency Signal coupler 57 and to detector 58.
  • the detector signal supplied by the detector 58 is evaluated relative to the measuring device or the light source 50 via an evaluation device (not shown), the difference frequency 59 between the measurement signal 52 and the reference signal 53 recorded at a specific point in time and shown in the diagram in FIG. 5b being characteristic of the Distance of the object 56 from the measuring device or the light source 50.
  • the time-dependent frequency profile of the signal 51 emitted by the light source 50 can also be such that there are two sections in which the time derivative of the frequency generated by the light source 50 is opposite to each other.
  • FOV Field of View
  • N and M should preferably each be greater than 100.
  • a device according to the invention for two-dimensionally scanning beam deflection of a light beam has:
  • a spectrally tunable light source for emitting a light beam with a wavelength that varies over time
  • a first optical component for generating a first beam deflection in which partial beams emerging from the light beam are deflected depending on the wavelength in each case in a first direction, the deflection angles generated in the first beam deflection varying periodically with spectral tuning of the wavelength, and
  • a second optical component for generating a second beam deflection in which the partial beams deflected by the first optical component are deflected before or after this deflection, depending on the wavelength, in each case in a second direction different from the first direction, with the second beam deflection being generated in this case Deflection angle vary monotonically with spectral tuning of the wavelength.
  • the invention is based in particular on the concept of realizing a two-dimensional scanning beam deflection in that, in combination with a light source that can be spectrally tuned in terms of its wavelength, at least two optical components which are arranged one after the other or traversed by the light in succession with respect to the direction of light propagation, each of which are used by generate the wavelength-dependent deflection angle, the respective variation of the deflection angle being periodic in one component and monotonous in the other with the spectral tuning wavelength.
  • the invention is based on the consideration that a "simple combination" of two dispersive components - e.g. by using two crossed gratings - for the intended realization of a two-dimensional (i.e. horizontal and vertical) scanning beam deflection would not be expedient, since the spectral tuning of the light source over the entire spectral range would only lead to the scanning of a diagonal line.
  • the invention is based on the consideration that for the realization of a two-dimensional scanning beam deflection or a two-dimensional scanning of an object, an optical component acting continuously or monotonously with respect to the wavelength-dependent beam deflection, such as e.g. a grating or prism is to be combined with a further component which does not show a characteristic of the wave dependence of the deflection angle that runs monotonously over the entire spectral range, but rather, with respect to the deflection angle provided in each case, repeatedly runs through one and the same deflection angle range with spectral tuning of the light source.
  • an optical component acting continuously or monotonously with respect to the wavelength-dependent beam deflection such as e.g. a grating or prism
  • a further component which does not show a characteristic of the wave dependence of the deflection angle that runs monotonously over the entire spectral range, but rather, with respect to the deflection angle provided in each case, repeatedly runs through one and the same deflection angle range with spectral tuning of the light source.
  • the combination according to the invention can then be spectral in the sense described above “Periodically operating” angle-deflecting optical components with a continuous or “monotonically operating” angle-deflecting optical component (whereby “periodic” and “monotonous” each relate to the wavelength-dependence of the deflection angle) a real two-dimensional scanning process can be achieved at high speed.
  • Such a VIPA can be constructed in a manner known per se and, as will be described further below, from a semi-cylindrical lens and a glass plate subsequently tilted in the beam path, with "line-focused" light entering the glass plate via the semi-cylindrical lens and from this at a wavelength dependent deflection angles emerges.
  • the invention is not limited to the use of a VIPA, with other embodiments of the spectrally “periodically working” angle-deflecting optical component, e.g. in the form of an Echelle grating.
  • the second (in terms of the wavelength dependence of the generated deflection angles over the spectral range “monotonously working”) optical component can be a grating, a prism or a combination of these elements.
  • the second component for enlarging the realizable angular range can also be constructed from two grids.
  • the second optical components (which work monotonously with regard to the wavelength dependence of the deflection angles generated), alternatively after or also before, based on the optical beam path the first optical component (which operates periodically with respect to the wavelength dependence of the generated deflection angle).
  • the invention further relates to the use of a device with the features described above in a LIDAR system for scanning the distance determination of an object.
  • the invention further relates to a LIDAR system for scanning distance determination of an object, with
  • a spectrally tunable light source for emitting a light beam with a wavelength that varies over time
  • 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, and
  • this scanning device which causes a wavelength-dependent angle distribution of the measurement signals directed to the object, this scanning device having:
  • a first optical component for generating a first beam deflection in which partial beams emerging from the light beam are deflected depending on the wavelength in each case in a first direction, the deflection angles generated in the first beam deflection varying with spectral tuning of the wavelength, and
  • a second optical component for generating a second beam deflection in which the partial beams deflected by the first optical component are deflected before or after this deflection, depending on the wavelength, in each case in a second direction different from the first direction, with the second beam deflection being generated in this case Deflection angle vary monotonically with spectral tuning of the wavelength.
  • the first optical component is designed such that the deflection angles generated during the first beam deflection vary periodically with spectral tuning of the wavelength.
  • FIGS. 1 a-b are schematic representations to explain the possible structure of a device according to the invention.
  • FIGS 3-4 are schematic representations to explain further
  • Figures 5a-5b are schematic representations to explain the structure and mode of operation of a conventional device for determining the distance.
  • FIGS. 1 a-1 b and FIG. 2 the structure which is possible in principle and the function of a device according to the invention for two-dimensional scanning beam deflection are first described with reference to the schematic illustrations of FIGS. 1 a-1 b and FIG. 2.
  • the device according to the invention has a spectrally tunable (i.e. variable with respect to the wavelength of the emitted light) light source 10 for emitting a light beam with a wavelength that varies over time.
  • This light beam is shown in FIG. 1 a-1 b via a fiber or an optical waveguide 11, a collimator 12 e.g. fed in the form of a converging lens and collimates a first optical component 13 for generating a first beam deflection, which, as explained below, runs periodically with respect to the wavelength dependence of the deflection angle provided.
  • 1 a in FIG. 1 a denotes an offset angle that is dependent on the geometry of the structure, and Da denotes the deflection angle that varies depending on the wavelength.
  • the cylinder-optical element 14 can (for focusing a plane wave into a line ) designed as a cylindrical lens, for example as a plane-spherical cylinder lens or as a plane-aspherical cylinder lens, and also be constructed from several components.
  • the collimated beam is coupled into the glass plate 15 via the cylinder-optical element 14 in a manner known per se and as shown in FIG. indicates multiple reflection and constructive interference to a plane wave, the direction or angle of which depends on the wavelength and the “diffraction order” for this interference.
  • the result for example, is the dependence of the deflection angle provided by the first optical component 13 in the diagram of FIG. 2.
  • the same deflection angle ranges are repeated and run through periodically with increasing wavelength (only by way of example a change in the wavelength by 15 nm in the illustrated embodiment, a change in the deflection angle by approximately 25 °, or as in FIG. 2 shown a change in the wavelength by 10 nm in the illustrated embodiment corresponds to a change in the deflection angle by approximately 40 °).
  • 1b in FIG. 1b is an offset angle that is dependent on the geometry of the structure, and Db is the deflection angle that varies depending on the wavelength.
  • the second optical component 16 works in such a way that the deflection angles generated in each case vary monotonically with the wavelength, so that a two-dimensional scanning process is realized as a result of the spectral tuning of the light source 10.
  • the duration for scanning an entire frame can be less than 40 ms, in particular less than Amount to 20ms.
  • a continuous scan can be generated, for example, by tuning a wavelength range of 100 nm along one axis (via the monotonically operating angle-deflecting component), whereas, for example, ten lines are generated in the other axis according to FIG. 2 (via the periodically operating angle-deflecting component).
  • an arrangement of a plurality of gratings on the side of the second (i.e. the “monotonously operating”) angle-deflecting optical component 16 can be used instead of a single grating for increasing the angular deflection or increasing the realizable angular range of the angular deflection.
  • FIG. 3 An exemplary suitable embodiment is shown schematically in FIG. 3, wherein two flat gratings 31, 32 are formed on edge surfaces of a prism 30.
  • Such a multiple grating configuration can thus be used, in particular with reference to the embodiment of FIG. 1 a-1 b again, replacing the grating 16 present there as a second optical component (which generates deflection angles varying monotonically with the wavelength).
  • the two-dimensional scanning beam deflection according to the invention can, in an exemplary advantageous application in a LIDAR system, proceed from the conventional structure described with reference to FIGS. 5a-5b (with a corresponding design of the scanner 55 with the arrangement according to the invention comprising the first optical component 13 and the second optical component Component 16) are used.
  • the invention is not limited to this application, but can generally be advantageously implemented in applications in which a two-dimensional beam deflection for wavelength-based (ie by spectral tuning of a light source) control of different locations or points in space without mechanically moving components is desired (where the wavelength of the light directed to the respective location itself is not relevant and is only used to implement the scanning process described above).
  • Fig. 4 shows in a merely schematic representation a further advantageous arrangement for realizing a two-dimensional scanning beam deflection, which is also based on the use of a spectrally tunable light source 40.
  • a rotatable component about an axis 46, as indicated, from a parabolic mirror 44 in combination with a grating 45.
  • a light beam generated by the tunable light source 40 and supplied to the component via a fiber 41 is first transmitted via a collimator 42 e.g. in the form of a converging lens focused on a focal point of the parabolic mirror 44 and consequently converted by the parabolic mirror 44 into a collimated beam which strikes the grating 45.
  • the dispersion of the grating 45 results in a beam deflection depending on the respective wavelength, as a result of which, in combination with the said rotation of the entire component, a two-dimensional scanning process can also be realized .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls, mit einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle (10) zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge, einer ersten optischen Komponente (13) zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren, und einer zweiten optischen Komponente (16) zur Erzeugung einer zweiten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung monoton der Wellenlänge variieren

Description

Vorrichtung zur zweidimensional scannenden
Strahlablenkunq eines Lichtstrahls
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent anmeldung DE 10 2018 129 152.3, angemeldet am 20. November 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 eine Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls. Die Vorrichtung kann insbesondere zur scannenden Strahlablenkung bei der Ermittlung von Abständen sowohl beweg ter als auch unbewegter Objekte und zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines oder mehrerer räumlich ausgedehnter dreidimensionaler Objekte verwendet werden.
Stand der Technik
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR be- zeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein kontinuierlich in seiner Fre quenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.
Fig. 5a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer spektral durchstimmbaren Licht- quelle 50 ausgesandtes Signal 51 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspal tung über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale wer den über einen Signalkoppler 57 gekoppelt und an einem Detektor 58 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 53 ohne Reflexion an dem mit„56“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 57 und zum Detektor 58 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 57 bzw. am Detektor 58 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 52 über einen optischen Zirkulator 54 und einen Scanner 55 zum Objekt 56, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 53 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 57 und zum Detektor 58.
Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 58 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 50 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von Fig. 5b dargestellte Differenzfrequenz 59 zwischen Messsignal 52 und Referenzsignal 53 charakteristisch für den Abstand des Objekts 56 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 50 ist. Gemäß Fig. 5b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 56 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 50 der zeitab hängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 50 ausgesandten Signals 51 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 50 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 Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung wei ter wünschenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz be- weglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren. Ein möglicher Ansatz beinhaltet die Ausgestaltung des Scanners
55 unter Verwendung eines dispersiven optischen Elements z.B. in Form eines AWG (=„Arrayed Waveguide Grating“=„Wellenleiterstruktur-Array“). Mit einem solchen„dispersiven Scanner“ können die im von der Lichtquelle 50 ausge sandten Licht vorhandenen, unterschiedliche Frequenzen aufweisenden Teil strahlen räumlich getrennt und mit unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt
56 gelenkt werden. Dabei besteht je nach Anwendung der Bedarf nach Reali sierung eines möglichst großen Sichtfeldes (FOV = Field of View“), welches ortsaufgelöst von dem jeweiligen Messstrahl„abzurastern“ ist. So erfordert bei spielsweise der Einsatz im Straßenverkehr eine zweidimensionale Ortsauflö sung (senkrecht zur Messstrahlrichtung) von N * M Messpunkten bzw. Pixeln, wobei N und M jeweils vorzugsweise größer als 100 sein sollten.
Hierbei ergibt sich in der Praxis das Problem, dass einerseits die erreichbaren Winkelauflösungen eines AWG begrenzt sind, andererseits aber auch mecha nische Scan-Verfahren z.B. aufgrund der Massenträgheit bzw. des zu langsa men Reaktionsvermögens von hierbei eingesetzten Spiegeln zur Abdeckung der erforderlichen Winkelbereiche von mehreren zehn Grad nicht in der Lage sind. Insbesondere erweist es sich als problematisch, zweidimensionale Scan vorgänge mit hinreichend hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung unter Verwendung mechanisch beweglicher Komponenten z.B. unter Einsatz von Galvanometerspiegeln oder Rotationsscannern) zu realisieren.
Die Realisierung einer hinreichend schnellen dreidimensionalen Datenerfas sung z.B. beim Abscannen von Objekten wie Fahrzeugen stellt somit in der Praxis eine anspruchsvolle Herausforderung dar.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2018/024246 A1 , WO 2018/107237 A1 sowie auf die Publikationen M. Shirasaki:„Virtually Imaged Phased Arraf, FUJITSU Sei. Tech. J. 35, pp. 113-125 (1999), T. Chan et al.: „ 2-Dimensional beamsteering using dispersive deflectors and wavelength tun- ing“, OPTICS EXPRESS Vol. 16 Nr. 19, Seiten 14617-14628 (2008) und E. Hase et al:“Scan-Iess confocal phase imaging based on dual-comb microsco- py”, Optica Vol. 5, Nr. 5, Seiten 634-643 (2018) verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls bereitzustellen, welche einen hinreichend schnellen zweidimensionalen Scanvorgang unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahl ablenkung eines Lichtstrahls weist auf:
- eine spektral durchstimmbare Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge,
- eine erste optische Komponente zur Erzeugung einer ersten Strahlablen kung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren, und
- eine zweite optische Komponente zur Erzeugung einer zweiten Strahl ablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente abge lenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschie denen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren. Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine zweidimensional scannende Strahlablenkung dadurch zu realisieren, dass in Kombination mit einer in ihrer Wellenlänge spektral durchstimmbaren Lichtquelle wenigstens zwei bezogen auf die Lichtausbreitungsrichtung nacheinander angeordnete bzw. vom Licht aufeinanderfolgend durchlaufene optische Komponenten ein gesetzt werden, welche jeweils von der Wellenlänge abhängige Ablenkwinkel erzeugen, wobei die jeweilige Variation des Ablenkwinkels bei der einen Kom ponente periodisch und bei der anderen monoton mit der spektralen Durch stimmung Wellenlänge verläuft.
Dabei geht die Erfindung hinsichtlich der in einer der beiden optischen Kompo nenten erfolgenden periodischen Variation des Ablenkwinkels mit der Wellen länge von der Überlegung aus, dass eine„einfache Kombination“ zweier dis- persiver Komponenten - z.B. durch Einsatz zweier gekreuzter Gitter - für die beabsichtigte Realisierung einer zweidimensional (d.h. horizontal sowie verti kal) scannenden Strahlablenkung nicht zielführend wäre, da hierbei die spekt rale Durchstimmung der Lichtquelle über den gesamten Spektralbereich ledig lich zum Abscannen einer diagonalen Linie führen würde.
Der Erfindung liegt vielmehr die Überlegung zugrunde, dass für die Realisie rung einer zweidimensionalen scannenden Strahlablenkung bzw. einer zwei dimensionalen Abrasterung eines Objekts eine kontinuierlich bzw. monoton hinsichtlich der wellenlängenabhängigen Strahlablenkung wirkende optische Komponente wie z.B. ein Gitter oder Prisma mit einer weiteren Komponente zu kombinieren ist, welche gerade keine über den gesamten Spektralbereich monoton verlaufende Charakteristik der Wellenabhängigkeit des Ablenkwinkels zeigt, sondern vielmehr hinsichtlich des jeweils bereitgestellten Ablenkwinkels ein- und denselben Ablenkwinkel-Bereich bei spektraler Durchstimmung der Lichtquelle wiederholt durchläuft.
Im Gegensatz zu einer - wie vorstehend ausgeführt nicht zielführenden -„ein fachen“ Anordnung zweier gekreuzter Gitter kann dann durch die erfindungs gemäße Kombination einer im vorstehend beschriebenen Sinne spektral „periodisch arbeitenden“ winkelablenkenden optischen Komponente mit einer kontinuierlich bzw.„monoton arbeitenden“ winkelablenkenden optischen Kom ponente (wobei „periodisch“ und „monoton“ jeweils auf die Wellenlängen abhängigkeit des Ablenkwinkels bezogen sind) ein echter zweidimensionaler Scanvorgang mit hoher Geschwindigkeit erzielt werden.
In Ausführungsformen der Erfindung kann es sich bei der ersten (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ablenkwinkel über den Spektral bereich „periodisch arbeitenden“) optischen Komponente um ein VIPA (= „Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) handeln. Ein solches VIPA kann in für sich bekannter Weise und wie im Weiteren noch beschrieben aus einer halbzylindrischen Linse und einer im Strahlengang nachfolgend verkippt angeordneten Glasplatte aufgebaut sein, wobei über die halbzylindrische Linse„linienfokussiertes“ Licht in die Glasplatte eintritt und aus dieser unter von der Wellenlänge abhängigen Ablenkwinkeln austritt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz eines VIPA beschränkt, wobei in weiteren Ausführungsformen auch andere Ausgestaltungen der spektral„peri odisch arbeitenden“ winkelablenkenden optischen Komponente, z.B. in Form eines Echelle-Gitters, eingesetzt werden können.
Bei der zweiten (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ab lenkwinkel über den Spektralbereich„monoton arbeitenden“) optischen Kom ponente kann es sich um ein Gitter, ein Prisma oder eine Kombination dieser Elemente handeln. Insbesondere kann in Ausführungsformen die zweite Kom ponente zur Vergrößerung des realisierbaren Winkelbereichs auch aus zwei Gittern aufgebaut sein.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ablenkwinkel monoton arbeitende) zweite optischen Komponen te bezogen auf den optischen Strahlengang alternativ nach oder auch vor der ersten (hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit der erzeugten Ablenkwinkel periodisch arbeitenden) optischen Komponente angeordnet sein kann.
Die Erfindung betrifft weiter auch die Verwendung einer Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen in einem LIDAR-System zur scannen den Abstandsermittlung eines Objekts.
Die Erfindung betrifft weiter ein LIDAR-System zur scannenden Abstandser mittlung eines Objekts, mit
- einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge,
- einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignalen und nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignalen, und
- einer Scaneinrichtung, welches eine wellenlängenabhängige Winkel verteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt, wobei diese Scaneinrichtung aufweist:
- eine erste optische Komponente zur Erzeugung einer ersten Strahlablen kung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge variieren, und
- eine zweite optische Komponente zur Erzeugung einer zweiten Strahl ablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente abge lenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschie denen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren. In Ausführungsformen der Erfindung ist die erste optische Komponente derart ausgestaltet, dass die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge periodisch variieren.
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:
Figuren 1 a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung des mögli chen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise eines in der Vorrichtung von Fig. 1 eingesetzten VIPA (= „Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array);
Figuren 3-4 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer
Ausführungsformen der Erfindung; und
Figuren 5a-5b schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren werden zunächst der prinzipiell mögliche Aufbau sowie die Funkti onsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zweidimensional scan nenden Strahlablenkung unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildun gen von Fig. 1 a-1 b sowie Fig. 2 beschrieben.
Gemäß Fig. 1 a-1 b weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine spektral durchstimmbare (d.h. hinsichtlich der Wellenlänge des ausgesandten Lichts variierbare) Lichtquelle 10 zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variie render Wellenlänge auf. Dieser Lichtstrahl wird gemäß Fig. 1 a-1 b über eine Faser bzw. einen Lichtwellenleiter 11 einem Kollimator 12 z.B. in Form einer Sammellinse zugeführt und trifft kollimiert auf eine erste optische Komponente 13 zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, welche hinsichtlich der Wel lenlängenabhängigkeit der bereitgestellten Ablenkwinkel wie im Weiteren er läutert periodisch verläuft. Dabei ist in Fig. 1 a mit ao ein von der Geometrie des Aufbaus abhängiger Offsetwinkel bezeichnet, und mit Da ist der wellenlängen abhängig variierende Ablenkwinkel bezeichnet.
Diese erste Komponente 13 ist im Ausführungsbeispiel als VIPA (=„Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) aus gestaltet und umfasst ein zylinderoptisches Element 14 und eine Glasplatte 15. Das zylinderoptische Element 14 kann (zur Fokussierung einer ebenen Welle in eine Linie) als Zylinderlinse, beispielsweise als plan-sphärische Zylinderlinse oder auch als plan-asphärische Zylinderlinse ausgestaltet und auch aus meh reren Komponenten aufgebaut sein.
In diesem Zusammenhang wird auf die Publikation M. Shirasaki:„Virtually Ima ged Phased Array“ , FUJITSU Sei. Tech. J. 35, pp. 113-125 (1999) verwiesen.
Die Einkopplung des kollimierten Strahls über das zylinderoptische Element 14 in die Glasplatte 15 führt in für sich bekannter Weise und wie in Fig. 1 a ange- deutet zu einer Vielfachreflexion sowie konstruktiven Interferenz zu einer Planwelle, wobei deren Ausbreitungsrichtung bzw. Winkel abhängig von der Wellenlänge sowie der„Beugungsordnung“ bei dieser Interferenz ist. Im Er gebnis resultiert z.B. die im Diagramm von Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit des von der ersten optischen Komponente 13 jeweils bereitgestellten Ablenkwin kels. Hierbei werden wie aus Fig. 2 ersichtlich mit zunehmender Wellenlänge ein- und dieselben Ablenkwinkelbereiche wiederholt und periodisch durchlau fen (wobei lediglich beispielhaft eine Änderung der Wellenlänge um 15nm in der dargestellten Ausführungsform einer Änderung des Ablenkwinkels um etwa 25°, oder wie in Fig. 2 dargestellt eine Änderung der Wellenlänge um 10nm in der dargestellten Ausführungsform einer Änderung des Ablenkwinkels um etwa 40°, entspricht).
Die aus der ersten optischen Komponente 13 bzw. der Glasplatte 15 austre tenden Teilstrahlen treffen gemäß Fig. 1 a-1 b auf eine zweite optische Kompo nente 16, welche im Ausführungsbeispiel - jedoch ohne dass die Erfindung hie rauf beschränkt wäre - als Gitter ausgestaltet ist und eine Strahlablenkung der betreffenden Teilstrahlen in der relativ zur Strahlablenkung der ersten opti schen Komponente 13 senkrechten Richtung erzeugt. Dabei ist in Fig. 1 b mit ßo ein von der Geometrie des Aufbaus abhängiger Offsetwinkel bezeichnet, und mit Db ist der wellenlängenabhängig variierende Ablenkwinkel bezeichnet. Im Gegensatz zur ersten optischen Komponente 13 bzw. dem VIPA arbeitet die zweite optische Komponente 16 derart, dass die jeweils erzeugten Ablenk winkel monoton mit der Wellenlänge variieren, so dass im Ergebnis durch die spektrale Durchstimmung der Lichtquelle 10 ein zweidimensionaler Scanvor gang realisiert wird.
Um eine Bildwiederholrate („frame rate“) von 25Hz (d.h. 25 Bildern pro Sekun de) zu realisieren, kann z.B. eine Durchstimmung der Lichtquelle 10 über den gesamten Durchstimmbereich innerhalb von 40ms erforderlich sein. In weiteren Ausführungsformen können erfindungsgemäß auch höhere Durchstimmraten realisiert werden. In einer typischen Ausführungsform kann die Dauer zum Scannen eines gesamten Frames weniger als 40ms, insbesondere weniger als 20ms betragen. Dabei kann beispielsweise bei Durchstimmen eines Wellenlängenbereichs von 100nm entlang einer Achse (über die monoton arbeitende winkelablenkende Komponente) ein kontinuierlicher Scan erzeugt werden, wohingegen in der anderen Achse gemäß Fig. 2 (über die periodisch arbeitende winkelablenkende Komponente) z.B. zehn Linien erzeugt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann anstelle eines einzigen Gitters zur Erhö hung der Winkelablenkung bzw. Vergrößerung des realisierbaren Winkelbe reichs der Winkelablenkung eine Anordnung von mehreren Gittern auf Seiten der zweiten (d.h. der„monoton arbeitenden“) winkelablenkenden optischen Komponente 16 verwendet werden.
Eine beispielhafte geeignete Ausgestaltung ist schematisch in Fig. 3 darge stellt, wobei zwei ebene Gitter 31 , 32 auf Kantenflächen eines Prismas 30 aus gebildet sind. Eine solche Mehrfachgitter-Ausgestaltung kann somit insbeson dere unter erneuter Bezugnahme auf die Ausführungsform von Fig. 1 a-1 b un ter Ersatz des dort vorhandenen Gitters 16 als zweite optische Komponente (welche monoton mit der Wellenlänge variierende Ablenkwinkel erzeugt) ein gesetzt werden.
Die erfindungsgemäße zweidimensional scannende Strahlablenkung kann in einer beispielhaften vorteilhaften Anwendung in einem LIDAR-System ausge hend von dem anhand von Fig. 5a-5b beschriebenen herkömmlichen Aufbau (unter entsprechender Ausgestaltung des Scanners 55 mit der erfindungsge mäßen Anordnung aus erster optischer Komponente 13 und zweiter optischer Komponente 16) eingesetzt werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern ganz allgemein in Anwendungen vorteilhaft realisierbar, in welchen eine zweidimen sionale Strahlablenkung zur wellenlängenbasierten (d.h. durch spektrale Durchstimmung einer Lichtquelle erreichen) Ansteuerung unterschiedlicher Or te bzw. Punkte im Raum ohne mechanisch bewegte Bauteile gewünscht ist (wobei die Wellenlänge des auf die jeweiligen Orte gelenkten Lichtes selbst nicht relevant ist und lediglich zur vorstehend beschriebenen Realisierung des Scanvorgangs genutzt wird).
Fig. 4 zeigt in lediglich schematischer Darstellung eine weitere vorteilhafte An ordnung zur Realisierung einer zweidimensional scannenden Strahlablenkung, welche ebenfalls auf dem Einsatz einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle 40 basiert. Gemäß Fig. 4 besteht ein um eine Achse 46 wie angedeutet dreh bares Bauelement aus einem Parabolspiegel 44 in Kombination mit einem Git ter 45. Dabei wird ein von der durchstimmbaren Lichtquelle 40 erzeugter, dem Bauelement über eine Faser 41 zugeführter Lichtstrahl zunächst über einen Kollimator 42 z.B. in Form einer Sammellinse auf einen Brennpunkt des Para bolspiegels 44 fokussiert und demzufolge von dem Parabolspiegel 44 in einen kollimierten Strahl umgewandelt, welcher auf das Gitter 45 trifft. Während die spektrale Durchstimmung der Lichtquelle 40 ohne spektrale Auswirkung auf den Parabolspiegel 44 bleibt, ergibt sich aufgrund der Dispersion des Gitters 45 eine Strahlablenkung abhängig von der jeweiligen Wellenlänge, wodurch in Kombination mit besagter Drehung des gesamten Bauelements ebenfalls im Ergebnis ein zweidimensionaler Scanvorgang realisiert werden kann.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alterna tive Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsfor men von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalen te beschränkt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur zweidimensional scannenden Strahlablenkung eines Lichtstrahls, mit
• einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle (10) zum Aussenden eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge;
• einer ersten optischen Komponente (13) zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in einer ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeug ten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge pe riodisch variieren; und
• einer zweiten optischen Komponente (16) zur Erzeugung einer zwei ten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Kom ponente (13) abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste op tische Komponente ein VIPA (=„Virtually Imaged Phased Array“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste op tische Komponente ein Echelle-Gitter aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens ein Gitter aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens zwei Gitter aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens ein Prisma aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die zweite Richtung jeweils senkrecht zur ersten Rich tung ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die zweite Komponente (16) bezogen auf die Licht ausbreitungsrichtung nach der ersten Komponente (13) angeordnet ist.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che in einem LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts.
10. LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit
• einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle (50) zum Aussenden eines Lichtstrahls (51 ) mit zeitlich variierender Wellenlänge;
• einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (56) auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegan genen, an dem Objekt (56) reflektierten Messsignalen (52) und nicht an dem Objekt (56) reflektierten Referenzsignalen (53); und
• einer Scaneinrichtung, welches eine wellenlängenabhängige Winkel verteilung der zu dem Objekt (56) gelenkten Messsignale (52) bewirkt, wobei diese Scaneinrichtung aufweist:
- eine erste optische Komponente (13) zur Erzeugung einer ersten Strahlablenkung, bei welcher aus dem Lichtstrahl (51 ) hervorgegangene Teilstrahlen wellenlängenabhängig jeweils in ei ner ersten Richtung abgelenkt werden, wobei die bei der ersten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durch- Stimmung der Wellenlänge variieren; und
- eine zweite optische Komponente (16) zur Erzeugung einer zwei ten Strahlablenkung, bei welcher die von der ersten optischen Komponente (13) abgelenkten Teilstrahlen vor oder nach dieser Ablenkung wellenlängenabhängig jeweils in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung abgelenkt werden, wo bei die bei dieser zweiten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwin kel mit spektraler Durchstimmung der Wellenlänge monoton variie ren.
11. LIDAR-System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ers te optische Komponente (13) derart ausgestaltet ist, dass die bei der ers ten Strahlablenkung erzeugten Ablenkwinkel mit spektraler Durchstim mung der Wellenlänge periodisch variieren.
12. LIDAR-System nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente ein VIPA (=„Virtually Imaged Phased Ar- ray“ = virtuell abgebildetes phasengesteuertes array) aufweist.
13. LIDAR-System nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente ein Echelle-Gitter aufweist.
14. LIDAR-System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens ein Gitter aufweist.
15. LIDAR-System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens zwei Gitter aufweist.
16. LIDAR-System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, dass die zweite optische Komponente (16) wenigstens ein Pris ma aufweist.
17. LIDAR-System nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, dass die zweite Richtung jeweils senkrecht zur ersten Richtung ist.
18. LIDAR-System nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, dass die zweite Komponente (16) bezogen auf die Lichtausbrei tungsrichtung nach der ersten Komponente (13) angeordnet ist.
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