WO2022058577A1 - Optische messvorrichtung zur ortsaufgelösten abstandsbestimmung - Google Patents

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WO2022058577A1
WO2022058577A1 PCT/EP2021/075754 EP2021075754W WO2022058577A1 WO 2022058577 A1 WO2022058577 A1 WO 2022058577A1 EP 2021075754 W EP2021075754 W EP 2021075754W WO 2022058577 A1 WO2022058577 A1 WO 2022058577A1
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micromirror
photodetector
light
scanning
measuring device
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PCT/EP2021/075754
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Wolfgang Reinert
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to an optical measuring device for spatially resolved distance determination.
  • a modulated laser light hits a MEMS mirror, which scans the laser light in the direction of an object.
  • the reflected laser light is detected by a photodetector and the flight time can be used to determine the distance.
  • Desired properties of an optical measuring device for spatially resolved distance determination are, for example, a compact design (e.g. for the built into mobile phones, notepads, laptops, AR/VR/MR glasses and other mobile electronics), a long service life and reliable function, especially under conditions with strong background light (e.g. sunlight), a high spatial resolution, a large spatial measurement range and a high measurement speed.
  • the known measuring devices are often in need of improvement with regard to these properties—in particular their combination.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing an optical measuring device for spatially resolved distance determination which—with high resolution, large measuring range and high measuring speed—is characterized by a compact design, long service life and reliable function even with strong background light.
  • the proposed optical measuring device for spatially resolved distance determination comprises: a laser light source, set up to emit a scanning light, a MEMS-based scanning unit, comprising a micromirror that can be pivoted about at least one axis for deflecting the scanning light emitted by the laser light source into an object space, and a drive for pivoting the micromirror around the at least one axis, a photodetector, set up to detect a portion of a detection light that is incident coaxially to the scanning light deflected by means of the micromirror and reflected at the micromirror, and a prism unit, set up to impinge the micromirror with the scanning light emitted by the laser light source, so that the scanning light is reflected at the micromirror into the object space, and for impinging the photodetector with the portion of the detection light reflected at the micromirror, so that the scanning light and the detection nslicht along a running within the prism unit first portion of an optical
  • a position of the micromirror from which it can be deflected by means of the drive is referred to as a neutral position.
  • the neutral position can be a position that the micromirror assumes in the absence of a voltage applied to the drive or in the presence of a constant ten offset voltage at the drive.
  • the neutral position can be selected in such a way that an equally large deflection of the micromirror from the neutral position in several directions is possible.
  • the neutral position can be selected in such a way that a possible deflection of the micromirror from the neutral position in one direction is maximized.
  • the proposed measuring device is particularly suitable in an advantageous manner for use in a method for spatially resolved distance determination, which comprises the steps:
  • the method mentioned using the proposed measuring device allows a Fast and spatially high-resolution distance determination on static and especially on dynamically moving objects over a large spatial measuring range.
  • the measuring device is characterized by the possibility of a compact and lightweight design, including in particular the easily miniaturized arrangement of the laser light source, the photodetector and the scanning unit on the common substrate, the prism unit in the embodiment described above and the second section of the optical axis entering the scanning unit obliquely to the surface of the substrate through the dome-shaped window.
  • the overall height of the measuring device (perpendicular to the surface of the substrate) can be kept low because of these features.
  • the dome-shaped window allows a large spatial measuring range to be achieved with comparatively small lateral dimensions (i.e. parallel to the surface of the substrate) of the measuring device, since the scanning light can be scanned over a large angular range.
  • a reliable function of the measuring device can be guaranteed even with strong background light due to the good signal-to-noise ratio that can be achieved.
  • An improved signal-to-noise ratio results, for example, from the dome shape of the window, which prevents or reduces the impingement of focused reflections of the scanning light on the photodetector. The fact that such reflections accordingly do not have to be suppressed by means of a beam trap, diaphragm or the like, in turn benefits a compact design of the measuring device.
  • the good signal-to-noise ratio that can be achieved is also accompanied by the possibility of eye-safe operation, ie the use of a sufficiently low laser power of the scanning light to avoid damage to the eyes.
  • the micromirror is encapsulated in an airtight manner between the dome-shaped window and the substrate, the micromirror is protected from environmental influences, which can improve the service life of the optical measuring device.
  • the laser light source can be or comprise a laser light source that can be temporally modulated, in particular that can be operated in a pulsed manner, preferably a laser diode.
  • the laser light source can be or include a time-modulated continuous wave laser light source.
  • the laser light source may be or include a VCSEL diode and/or an edge emitting laser diode.
  • a particularly compact design with high energy efficiency, high beam quality and/or high modulation frequency or pulse frequency can be implemented with a VCSEL diode.
  • a wavelength of the scanning light emitted by the laser light source is preferably greater than or equal to 850 nm, in particular in the range from 850 nm to 2000 nm. If the laser light source is operated in a pulsed manner, the pulse duration of the scanning light is preferably 100 ps to 5 ns.
  • the photodetector can be an avalanche photodiode (APD) and/or a PIN diode and/or a silicon photomultiplier (SiPM) and/or a single photon avalanche diode (SPAD) and/or a detection unit with multiple SPAD Be or include diode cells on a chip, with which a particularly compact design with high detection sensitivity can be achieved.
  • APD avalanche photodiode
  • SiPM silicon photomultiplier
  • SPAD single photon avalanche diode
  • detection unit with multiple SPAD Be or include diode cells on a chip, with which a particularly compact design with high detection sensitivity can be achieved.
  • the optical measuring device can comprise: a control unit, set up to control the micromirror in such a way that the scanning light reflected on the micromirror sequentially reaches a large number of object points in the object space while the micromirror is being pivoted about the at least one axis, and a processing unit that is configured to do so is set up to determine, for each object point of the plurality of object points, a distance between the respective object point and a reference point on the basis of a relative timing of the scanning light and the portion of the detection light detected by the photodetector.
  • the processing unit can be set up to determine the relative time position as a transit time or phase difference between the scanning light and the portion of the detection light detected by the photodetector. Especially the processing unit can be set up to determine the relative timing as transit time between a scanning light pulse emitted by the laser light source and a detected light pulse detected by the photodetector, which is a portion of the scanning light pulse that is reflected and/or scattered in the object space.
  • control unit can be set up to allow the emission of a second scanning light pulse only when a detected light pulse corresponding to the first scanning light pulse has been detected or a predefined timeout interval has elapsed.
  • the processing unit can be set up to generate a depth image and/or a surface reconstruction based on the distances between each object point of the plurality of object points and the reference point.
  • a depth image is a spatially resolved representation of distances, for example in relation to a reference plane or a reference point.
  • the control unit can be set up to temporarily increase a laser power of the scanning light when a region in the object space is recognized from which only a low (below a threshold value) detected light signal is detected.
  • the control unit can be set up to regulate or control the laser power of the scanning light in such a way that it always remains below a threshold value that is safe for the eyes.
  • the optical measuring device can include a time filter which is set up to separate the portion of the detection light detected by means of the photodetector from portions of the scanning light by time gating. In this way, it is possible in particular to prevent internal reflections of the scanning light, which occur within the optical measuring device, from being detected by means of the photodetector.
  • the entrance angle can be greater than or equal to 30 degrees and/or less than or be equal to 50 degrees. Preferably the entrance angle is between 30 degrees and 50 degrees. In this way, it can be achieved in particular that an entry point at which the scanning light emitted by the laser light source passes through the dome-shaped window after passing through the prism unit is not at an apex of the dome-shaped window. This avoids arranging optical elements in the region of the apex and thus partially blocking the scanning light reflected at the micromirror into the object space and the portion of the detection light incident coaxially thereto.
  • the dome-shaped window preferably has a spherical curvature.
  • the dome-shaped window may have any other curvature shape, for example an elliptical curvature.
  • An inner surface of the dome-shaped window facing the substrate and an outer surface of the dome-shaped window facing the substrate may have identical or different curvature shapes.
  • the second optical axis portion may pass through the dome-shaped window perpendicularly to a surface of the dome-shaped window. This feature allows aberrations in the optical beam path to be minimized.
  • the second portion of the optical axis may pass through the dome-shaped window obliquely to the surface of the dome-shaped window.
  • the first section of the optical axis can run parallel to the surface of the substrate. A particularly low overall height of the optical measuring device can thus be achieved.
  • the first section of the optical axis can run obliquely to the surface of the substrate.
  • the prism unit can comprise a number of individual optical components, one or more of the individual components being able to be prisms.
  • the prism unit is or preferably comprises a composite prism comprising a first prism and a second prism. It can be provided in particular that the first prism includes the first surface, the second surface before is formed at an interface between the first and second prisms located inside the composite prism and the second prism includes the third surface.
  • the second surface may comprise a beam splitter coating, for example with a reflection-transmission ratio of 80:20, 70:30, 50:50 or another reflection-transmission ratio.
  • the first prism preferably has a parallelogram-shaped base.
  • the second prism preferably has a trapezoidal base.
  • the composite prism preferably has a trapezoidal base, the first and second surfaces being parallel to one another and the first and third surfaces being angled relative to one another.
  • the prisms can also have alternative shapes.
  • the prism unit can comprise a mirror comprising the first surface and/or a beam splitter comprising the second surface and/or a wedge prism comprising the third surface.
  • the prism unit can comprise an absorber layer for absorbing scattered light and/or light reflections within the optical measuring device, as a result of which a measurement with improved reliability and/or an improved signal-to-noise ratio is made possible.
  • the prism unit can be arranged with respect to the scanning unit in such a way that a perpendicular projection of the prism unit onto the substrate does not overlap a perpendicular projection of the micromirror onto the substrate.
  • the optical measuring device can also include a further photodetector, which is also arranged on the substrate and is set up for detecting a direct portion of the detection light that is not reflected on the micromirror.
  • the additional photodetector can be optically decoupled from the laser light source.
  • Optically decoupled means that only a small part of the power emitted by the laser light source as scanning light hits the further photodetector, for example less than 0.1 percent, preferably less than 0.01 percent, more preferably less than 0.001 percent.
  • the additional photodetector can thus be protected in particular from internal reflections of the scanning light that occur within the optical measuring device, so that the detection of the detected light is not impaired by such reflections and any detection dead time necessary to suppress detection of such reflections at the first-mentioned photodetector is avoided can be.
  • a condenser optics which is set up for impinging the further photodetector with the direct portion of the detected light, can have a larger opening area and/or a larger opening angle than the beam path, by means of which the first-mentioned photodetector is impinged with the incident portion of the detected light coaxial to the scanning light . Due to the properties mentioned, the additional photodetector can improve the distance measurement on objects that reflect the scanning light only weakly and/or that are arranged at a short distance from the measuring device.
  • the condenser optics may include a Fresnel lens.
  • the processing unit if present, can be set up to determine a first depth image based on the coaxial component of the detection light detected by the first-mentioned photodetector and a second depth image on the basis of the direct component of the detection light detected by the further photodetector.
  • the processing unit can be set up to combine the first and the second depth image to form a third depth image, for example on the basis of a threshold-based segmentation and/or by means of a machine learning algorithm.
  • the optical measuring device can comprise a further laser light source, which is also arranged on the substrate and is set up to emit a scanning light with a wavelength that differs from a wavelength of the scanning light emitted by the first-mentioned laser light source.
  • the possible applications of the optical measuring device can be expanded, for example measurements on objects or parts of objects can be made possible, which the wavelength of the emitted by the first-mentioned laser light source reflect and/or scatter only weakly.
  • the optical measuring device includes a further laser light source, it can be provided that the two laser light sources emit the respective scanning light sequentially and the photodetector sequentially detects the respective detection light.
  • the optical measuring device can include an additional photodetector and it can be provided that the two laser light sources emit the respective scanning light simultaneously and the scanning light emitted by each of the two laser light sources is detected by one of the photodetectors.
  • the micromirror can be set up for quasi-static pivoting and/or for resonant pivoting and/or for vectorial pivoting about the at least one axis.
  • Resonant pivoting means that the micromirror is periodically driven by the drive at a resonance frequency of the pivoting.
  • Quasi-static pivoting means that the micromirror is not driven resonantly.
  • Vectorial pivoting means that the micromirror can assume different discrete positions when pivoting.
  • the micromirror can be pivotable about two axes, preferably two axes perpendicular to one another.
  • the micromirror can be set up for simultaneous pivoting about each of the two axes, in particular for simultaneous resonant periodic pivoting about each of the two axes (double-resonant) with a respective resonant frequency.
  • a particularly high measurement speed and energy-efficient operation of the scanning unit can be achieved with a micromirror set up for resonant pivoting, in particular for simultaneous resonant pivoting about two axes.
  • a sufficient sampling density in the object space can be achieved by suitably choosing a ratio of the two resonance frequencies for setting a corresponding Lissajous figure.
  • the optical measuring device can be a compensation optics arranged above the laser light source, set up to compensate for a shaped windows caused divergence of the scanning light.
  • the optical measuring device may comprise a blocking filter arranged above the photodetector, configured to transmit a narrow wavelength band comprising a wavelength of the detection light and to block (by reflecting and/or absorbing) wavelengths outside the wavelength band.
  • the narrow wavelength band can have a width of, for example, 10 nm, 20 nm or 30 nm.
  • the prism unit and/or the dome-shaped window and/or one or more other optical components of the optical measuring device can comprise an anti-reflection coating for suppressing reflections of a background light.
  • a blocking filter and/or an antireflection coating a particularly good suppression of background light, for example sunlight, and thus a particularly good signal-to-noise ratio can be achieved.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an optical measuring device according to a first example
  • FIG. 2 shows a plan view of the optical measuring device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of an optical measuring device according to a second example
  • FIG. 4 shows a plan view of the optical measuring device according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a plan view of an optical measuring device according to a third example
  • the optical measuring device 1 shown in Fig. 1 and Fig. 2 for spatially resolved distance determination comprises: a laser light source 2, set up to emit a scanning light 3, a MEMS-based scanning unit 4, comprising a micromirror 5 that can be pivoted about two mutually perpendicular pivot axes for deflecting the scanning light 3 emitted by the laser light source into an object space 6 and a bearing 7, which is connected to a drive for pivoting the micromirror 5 about the two pivot axes, a photodetector 8, set up to detect a coaxially incident scanning light 3 deflected by means of the micromirror 5 and portion of a detection light 9 reflected on the micromirror 5, and a prism unit 10, set up to apply the scanning light 3 emitted by the laser light source 2 to the micromirror 5, so that the scanning light 3 is reflected at the micromirror 5 into the object space 6, and for Loading the photodetector rs 8 with the portion of the detected light 9 reflected by
  • the laser light source 2, the photodetector 8 and the scanning unit 4 are arranged on a common planar substrate 13.
  • the scanning unit 4 comprises a dome-shaped window 14 through which the second section 12 of the optical axis passes and which allows the scanning light 3 and the detection light 9 to pass through.
  • the micromirror 5 is located between the dome-shaped window 14 and a bottom surface arranged between the micromirror 5 and the substrate 13. Structure 38 of the scanning unit 4 encapsulated airtight.
  • the prism unit 10 comprises: a first surface 15 arranged above the laser light source 2 and angled with respect to the substrate 13, configured to reflect a portion of the scanning light 3 for coupling into a first beam path section 16 running along the first section 11 of the optical axis, one above the photodetector 8 arranged and angled with respect to the substrate 13 second surface 17, set up for reflecting a portion of the detection light 9 from the first beam path section 16 to the photodetector 8 and for transmitting a portion of the scanning light 3 reflected on the first surface 15, and a third surface 18, set up for transmitting and deflecting the scanning light 3 from the first beam path section 16 into a second beam path section 19 running along the second section 12 of the optical axis and for transmitting and deflecting the portion of the detection light 9 reflected on the micromirror 5 from the second beam path section 19 into the first beam path section 16.
  • the second section 11 of the optical axis encloses an entrance angle 21 with a surface 20 of the substrate 13 (shown here with respect to a surface 22 of the bearing 7 parallel to the surface 20 of the substrate 13) which is greater than 0 degrees and less than 90 degrees .
  • the second section 11 of the optical axis passes through the dome-shaped window 14 at an angle to the surface 20 of the substrate 13.
  • a surface 39 of the micromirror 5 is arranged parallel to the surface 20 of the substrate 13 in a neutral position. Therefore, the second section 11 of the optical axis encloses the identical entry angle 21 with the surface 39 of the micromirror 5 . In the neutral position of the present example, which is not shown here, the surface 39 of the micromirror 5 is parallel to the surface 22 of the bearing 7 .
  • the surface 39 of the micromirror 5 is in the neutral position in relation to the surface 20 of the substrate 13 is tilted, for example in that the scanning unit 4 is arranged on a wedge arranged between the substrate 13 and the base structure 38 of the scanning unit 4 .
  • the second section 11 of the optical axis encloses an entrance angle with the micromirror 5 that is greater than 0 degrees and smaller than 90 degrees.
  • an angle between the surface 20 of the substrate 13 and the second section 11 of the optical axis can have a value outside of the stated range, for example a value of 0 degrees.
  • a space 23 containing the micromirror 5 under the dome-shaped window 14 has an internal pressure reduced compared to an ambient pressure.
  • the laser light source 2 is a VCSEL diode that can be operated in a pulsed manner, with a pulse duration of the scanning light being able to be in the range from 100 ps to 5 ns, for example.
  • a wavelength of the scanning light emitted by the laser light source is 850 nm, for example, but can also be another wavelength, for example 905 nm, 940 nm, 1350 nm or another wavelength that is greater than 850 nm.
  • the laser light source 2 may be another type of laser light source.
  • the laser light source 2 can be or comprise a laser light source that can be modulated in time, in particular that can be operated in a pulsed manner, preferably a laser diode.
  • the laser light source 2 can be or include a time-modulated continuous wave laser light source.
  • the laser light source may be or include an edge emitting laser diode.
  • the photodetector 8 is an avalanche photodiode (APD).
  • the photodetector 8 may be another type of photodetector.
  • the photodetector 8 can be or comprise a PIN diode and/or a single photon avalanche diode (SPAD).
  • the optical measuring device 1 includes an amplifier circuit, for example a transimpedance amplifier circuit, set up to output a voltage that is proportional to a detector current that corresponds to the portion of the detection light 9 detected by the photodetector 8 .
  • the optical measuring device 1 includes a time filter which is set up to separate the portion of the detection light 9 detected by the photodetector 8 from portions of the scanning light by time gating. The temporal gating can take place, for example, by switching the amplifier circuit on and off in a clocked manner in order to generate a detection dead time.
  • the optical measuring device 1 also includes a time-to-digital converter for determining a relative timing of the scanning light 3 and the portion of the detection light 9 detected by the photodetector 8, a control unit configured to control the micromirror 5 in such a way that the 5 reflected scanning light 3 during a pivoting of the micromirror 5 about the at least one axis sequentially reaches a multiplicity of object points in the object space 6, and a processing unit which is set up to calculate a distance between the respective object point and a reference point for each object point of the multiplicity of object points based on the relative timing of the scanning light 3 and the proportion of the detection light 9 detected by the photodetector 8 .
  • the object points of the plurality of object points are points of an object 24 in the object space 6, for example. or reflected part of the scanning light 9.
  • the processing unit is set up to determine the relative time position as the transit time between a scanning light pulse emitted by the laser light source 2 and a detected light pulse detected by the photodetector 8, which is a portion of the scanning light pulse that is reflected and/or scattered in the object space 6.
  • the processing unit is also set up to generate a depth image and/or a surface reconstruction based on the distances between each object point of the plurality of object points and the reference point.
  • the control unit and the processing unit can be used as separate units executed or integrated together in a circuit or processing unit.
  • the control unit and/or the processing unit can be integrated on the substrate 13 .
  • the optical measuring device 1 can also be designed without the control unit and/or the processing unit. In this case, the optical measuring device 1 can be connected to a control unit and/or a processing unit of the type described.
  • the entry angle 22 in the example shown is approximately 30 degrees. Other values of the entrance angle 22 are possible, for example the entrance angle 22 may be greater than or equal to 30 degrees and/or less than or equal to 50 degrees.
  • the dome-shaped window 14 has a spherical curvature, with the micromirror 5 being arranged in the center of the spherical curvature, so that the second section 12 of the optical axis passes through the dome-shaped window 14 perpendicularly to its surface.
  • the dome-shaped window 14 can have other curvature shapes and/or the second section 12 of the optical axis can pass through the dome-shaped window 14 at an angle to its surface.
  • the first section 11 of the optical axis runs parallel to the surface 20 of the substrate 13.
  • the first section 11 of the optical axis can run at an angle to the surface 20 of the substrate 13.
  • the prism unit 10 is a composite prism comprising a first prism 25 and a second prism 26.
  • the first prism 25 comprises the first surface
  • the second surface 17 is at an interface between the first prism 25 and the second prism lying inside the composite prism Prism 26 is formed and the second prism 26 comprises the third surface 18.
  • the second surface comprises a beam splitter coating, for example with a reflection-transmission ratio of 70:30 (ie in particular 70 percent of the scanning light 3 incident portion of the detection light reflected on the micromirror 5 is reflected on the second surface 17 in the direction of the photodetector 8, 30 percent is transmitted in the direction of the first prism), with other reflection-transmission ratios also being able to be provided as an alternative.
  • the first prism 25 has a parallelogram-shaped base
  • the second prism 26 has a trapezoidal base, so that the composite prism has a trapezoidal base, with the first surface 25 and the second surface 26 parallel to one another and the first surface 25 and the third surface 26 to one another are angled.
  • the prism unit 10 can be constructed in a different way, for example the prism unit 10 can comprise a mirror comprising the first surface 15 and/or a beam splitter comprising the second surface 17 and/or a wedge prism comprising the third surface 18 .
  • the prism unit 10 is arranged with respect to the scanning unit 4 in such a way that a perpendicular projection of the prism unit 10 onto the substrate 13 does not overlap a perpendicular projection of the micromirror 5 onto the substrate 13 .
  • an overlap of the projections mentioned can also be provided.
  • the micromirror 5 is set up for simultaneous resonant periodic pivoting about each of the two pivot axes with a respective resonant frequency (double resonant).
  • the micromirror 5 can also be set up for quasi-static pivoting and/or for vectorial pivoting about one or more axes.
  • the optical measuring device 1 can comprise a further micromirror which can be pivoted about one or more pivot axes.
  • the drawings show an example of a bearing ?, which mounts the micromirror 5 so that it can pivot about two mutually perpendicular pivot axes and is connected, for example, to an electrostatic drive.
  • a different bearing geometry for example with pivot axes that are not perpendicular to one another, and/or a different drive, for example an electromagnetic or piezoelectric drive, can be provided.
  • the optical measuring device 1 has a lens arranged above the laser light source 2 as collimation and compensation optics 27, which is set up to essentially collimate the scanning light 3 emitted by the laser light source 2 , but at the same time to compensate for a divergence of the scanning light 3 caused by the dome-shaped window 14 .
  • the collimation and compensation optics 27 can also be omitted.
  • the optical measuring device 1 has a cut filter 28 disposed above the photodetector, which is configured to transmit a narrow wavelength band (e.g., 20 nm) including a wavelength of the detection light and to block wavelengths outside the wavelength band. Furthermore, the optical measuring device 1 has a condensation lens 29 arranged above the photodetector 8 , which is set up to focus the portion of the detected light 9 which is incident coaxially to the scanning light 3 deflected by means of the micromirror 5 and is reflected at the micromirror 5 .
  • a cut filter 28 disposed above the photodetector, which is configured to transmit a narrow wavelength band (e.g., 20 nm) including a wavelength of the detection light and to block wavelengths outside the wavelength band.
  • the optical measuring device 1 has a condensation lens 29 arranged above the photodetector 8 , which is set up to focus the portion of the detected light 9 which is incident coaxially to the scanning light 3 deflected by means of the micromirror 5 and
  • the collimation and compensation optics 27 , the blocking filter 28 and the condensation lens 29 are mounted in a component holder 30 arranged on the substrate 13 .
  • the component mount 30 also supports the prism unit 10.
  • the optical measuring device 1 further includes a cover 31 for protecting the optical components and suppressing stray light (the cover 31 is not shown in Fig. 2).
  • a scannable angular range of 175 degrees can be achieved with a distance measuring range of up to 10 m when exposed to sunlight, with a distance measuring accuracy of approximately up to 3 mm being able to be achieved.
  • an object point measuring frequency of up to 20 MHz and/or an image repetition rate of up to 240 fps can be realized with the double-resonant micromirror. Due to the compact configuration, for example, a total height 32 of less than 6 mm can be achieved with a total volume of the optical measuring device 1 of approximately 0.4 cm 3 .
  • the optical measuring device 1 ′ shown in FIGS. 3 and 4 has a further photo detector 8 ′, also arranged on the substrate 13 , in addition to the photo detector 8 , which is set up for detecting the coaxial component 9 a of the detection light.
  • the photodetector 8 ′ is set up to detect a direct portion 9b of the detection light that is not reflected on the micromirror 5 .
  • the optical measuring device 1' has a blocking filter 28' arranged above the photodetector 8', which is arranged to transmit a narrow wavelength band (e.g. 20 nm) including a wavelength of the detection light and to block wavelengths outside the wavelength band. Furthermore, the optical measuring device 1 has a condensation lens 29' arranged above the photodetector 8' - designed here as a Fresnel lens -, with the direct portion 9b of the detection light having the photodetector 8', which in the example shown has an enlarged detector surface compared to the photodetector 8 , defocused.
  • a blocking filter 28' arranged above the photodetector 8', which is arranged to transmit a narrow wavelength band (e.g. 20 nm) including a wavelength of the detection light and to block wavelengths outside the wavelength band.
  • the optical measuring device 1 has a condensation lens 29' arranged above the photodetector 8' - designed here as a Fresnel lens -, with the direct
  • the photodetector 8' is distinguished by a particularly large entry surface 33 in the beam path through which the direct portion 9b is fed to the photodetector 8'.
  • the direct component 9b of the detection light passes through the prism unit 10 onto the photodetector 8'.
  • the prism unit 10 has an absorber layer 40 arranged on a side of the prism facing away from the substrate 13 (next to the entry surface 33).
  • the processing unit can be set up to generate a first depth image based on the coaxial portion 9a of the detected light captured by the photodetector 8 and a second depth image based on the direct portion 9b of the detected light captured by the photodetector 8' on the basis of a threshold-based segmentation and /or to be determined by means of a machine learning algorithm.
  • the additional photo photodetector 8' is optically decoupled from the laser light source 2 by being arranged on the substrate 13 next to the prism unit 10.
  • the photodetector 8' Because of the optical decoupling, the photodetector 8′ is protected in particular from internal reflections of the scanning light that occur inside the optical measuring device.
  • the optical measuring device 1′′′ shown in FIGS. 6 and 7 comprises a further laser light source 2′ which is also arranged on the substrate 13 and is set up to emit a scanning light 3′ with a wavelength of the scanning light 3 (emitted by the first-mentioned laser light source 2 first wavelength) different wavelengths (second wavelength).
  • the optical measuring device 1' has an additional photodetector 8" which is also arranged on the substrate 13. While the first-mentioned photodetector 8 is set up to detect a portion of the detection light 9 of the first wavelength that is incident coaxially to the scanning light 3/3' deflected by means of the micromirror 5 and reflected at the micromirror 5, the additional photodetector 8" is also coaxial to detect a the incident and reflected at the micromirror 5 portion of the detection light 9 'of the second wavelength set up.
  • first/second wavelength is about 850 nm/905 nm, 905 nm/940 nm, 940 nm/1350 nm or other combinations of the mentioned or other wavelengths, in particular in the range from 850 nm to 2000 nm.
  • the optical measuring device 1′′′ comprises the prism unit 10′ designed as a four-part composite prism, which ben the first prism 25 and the second prism 26 a third prism 34 and a fourth prism 35 comprises.
  • the first prism 25 comprises the first surface 15, which is arranged above the laser light source 2, is angled with respect to the substrate 13 and is set up to reflect a portion of the scanning light 3 for coupling into the first beam path section 16, which comprises the second prism 26 which is set up for transmitting and deflecting the scanning light 3/3' from the first beam path section 16 into the second beam path section 19 and for transmitting and deflecting the portion of the detection light 9/9' reflected on the micromirror 5 from the second beam path section 19 into the first beam path section 16 third face 18.
  • the prism unit 10' includes a fourth surface 36 formed at an interface between the first prism 25 and the third prism 34, and a fifth surface 37 formed at an interface between the fourth prism 36 and the second prism 26.
  • the fourth surface 36 is established for reflecting a portion of the scanning light 3' for coupling into the first beam path section 16.
  • the fifth surface 37 is set up for reflecting a portion of the detected light 9/9' from the first beam path section 16 to the photodetector 8" and for transmitting a portion of the scanning light 3/ 3'.
  • the prism unit 10 ′ also has an absorber layer 40 arranged on a side of the prism facing away from the substrate 13 .
  • the prism unit 10 can turn in another way or from other individual components.
  • the optical measuring device 1"' also comprises a blocking filter 28 arranged above the photodetector 8, set up for transmitting a narrow wavelength band which includes the first wavelength, and a blocking filter 28" arranged above the photodetector 8", set up for transmitting a narrow wavelength band which comprises the second wavelength, the blocking filters 28 and 28'' being set up to block wavelengths outside the respective wavelength band.
  • the photodetector 8 essentially only detects the detection light 9 of the first wavelength
  • the photodetector 8′′ essentially only detects the detection light 9′ of the second wavelength.
  • the processing unit can be set up to generate a first depth image based on the portion of the detected light 9 of the first wavelength detected by the photodetector 8 and a second depth image based on the portion of the detected light 9" of the second wavelength detected by the photodetector 8".
  • a threshold-based segmentation and / or by means of a machine learning algorithm can be determined.
  • the optical measuring device 1′′′ can comprise a further photodetector, in particular optically decoupled from the laser light sources 2, 2′, set up to detect a direct portion of the detection light that is not reflected on the micromirror 5 .

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung (1) zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung, umfassend eine Laserlichtquelle (2), eine Scaneinheit (4) mit einem Mikrospiegel (5) zum Ablenken eines von der Laserlichtquelle (2) emittierten Abtastlichts (3), einen Photodetektor (8) zum Erfassen eines koaxial zu dem abgelenkten Abtastlicht (3) einfallenden Detektionslichts (9); eine Prismeneinheit (10) zum Beaufschlagen des Mikrospiegels (5) mit dem Abtastlicht (3) und des Photodetektors (8) mit dem Detektionslicht (9), wobei die Laserlichtquelle (2), der Photodetektor (8) und die Scaneinheit (4) auf ei¬ nem gemeinsamen Substrat (13) angeordnet sind, die Scaneinheit (4) ein kup¬ pelförmiges Fenster (14) umfasst, unter dem der Mikrospiegel (5) luftdicht verkapselt ist, und die Prismeneinheit (10) umfasst: eine erste Fläche (15) zum Reflektieren des Abtastlichts (3), eine zweite Fläche (17) zum Reflektieren des Detektionslichts (9) zum Photodetektor (8) und zum Transmittieren des Ab¬ tastlichts (3) und eine dritte Fläche (18) zum Transmittieren und/oder Ablen¬ ken des Abtastlichts (3) und zum Transmittieren und/oder Ablenken des De¬ tektionslichts (9).

Description

Optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung
Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandbestimmung.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene optische Messvorrichtungen dieser Art bekannt, die sich etwa als 3D-Kamera und/oder für LiDAR (light detection and ranging) eignen. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift Wang et al. (Micromachines 2020, vol. 11, issue 5, 456, doi: 10.3390/mill050456) eine auf MEMS (micro-electro-mechanical systems) basierende LiDAR-
Vorrichtung. Dabei trifft ein moduliertes Laserlicht auf einen MEMS-Spiegel, welcher das Laserlicht in Richtung eines Objekts scannt. Das zurückgeworfene Laserlicht wird mittels eines Photodetektors erfasst, und die Flugzeit kann zur Bestimmung der Distanz ausgewertet werden.
Erwünschte Eigenschaften einer optischen Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandbestimmung sind etwa eine kompakte Bauform (etwa für den Einbau in Mobiltelefone, Notepads, Laptops, AR/VR/MR-Brillen und andere mobile Elektronik), eine hohe Lebensdauer und zuverlässige Funktion, insbesondere unter Bedingungen mit starkem Hintergrundlicht (etwa Sonnenlicht), eine hohe räumliche Auflösung, ein großer räumlicher Messbereich sowie eine hohe Messgeschwindigkeit. Die bekannten Messvorrichtungen sind hinsichtlich dieser Eigenschaften - insbesondere deren Kombination - häufig verbesserungsbedürftig.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandbestimmung vorzuschlagen, die sich - bei hoher Auflösung, großem Messbereich und hoher Messgeschwindigkeit - durch eine kompakte Bauform, hohe Lebensdauer und zuverlässige Funktion auch bei starkem Hintergrundlicht auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Messvorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich zusammen mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Die vorgeschlagene optische Messvorrichtung zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung umfasst: eine Laserlichtquelle, eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts, eine MEMS-basierte Scaneinheit, umfassend einen um mindestens eine Achse verschwenkbaren Mikrospiegel zum Ablenken des von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts in einen Objektraum und einen Antrieb zum Verschwenken des Mikrospiegels um die mindestens eine Achse, einen Photodetektor, eingerichtet zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels abgelenkten Abtastlicht einfallenden und an dem Mikrospiegel reflektierten Anteils eines Detektionslichts, und eine Prismeneinheit, eingerichtet zum Beaufschlagen des Mikrospiegels mit dem von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlicht, so dass das Abtastlicht an dem Mikrospiegel in den Objektraum reflektiert wird, und zum Beaufschlagen des Photodetektors mit dem an dem Mikrospiegel reflektierten Anteil des Detektionslichts, so dass das Abtastlicht und das Detektionslicht entlang eines innerhalb der Prismeneinheit verlaufenden ersten Abschnitts einer optischen Achse und entlang eines zwischen der Prismeneinheit und dem Mikrospiegel verlaufenden zweiten Abschnitts der optischen Achse koaxial propagieren, wobei die Laserlichtquelle, der Photodetektor und die Scaneinheit auf einem gemeinsamen planaren Substrat angeordnet sind, wobei die Scaneinheit ein von dem zweiten Abschnitt der optischen Achse durchtretenes und für das Abtastlicht und das Detektionslicht durchlässiges kuppelförmiges Fenster umfasst, wobei der Mikrospiegel zwischen dem kuppelförmigen Fenster und dem Substrat, insbesondere zwischen dem kuppelförmigen Fenster und einer zwischen dem Mikrospiegel und dem Substrat angeordneten Bodenstruktur der Scaneinheit, luftdicht verkapselt ist und wobei die Prismeneinheit umfasst: eine über der Laserlichtquelle angeordnete und bezüglich des Substrats abgewinkelte erste Fläche, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts zum Einkoppeln in einen entlang des ersten Abschnitts der optischen Achse verlaufenden ersten Strahlengangsabschnitt, eine über dem Photodetektor angeordnete und bezüglich des Substrats abgewinkelte zweite Fläche, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts aus dem ersten Strahlengangsabschnitt zum Photodetektor und zum Transmittieren eines Anteils des an der ersten Fläche reflektierten Abtastlichts, und eine dritte Fläche, eingerichtet zum Transmittieren und/oder Ablenken des Abtastlichts aus dem ersten Strahlengangsabschnitt in einen entlang des zweiten Abschnitts der optischen Achse verlaufenden zweiten Strahlengangsabschnitt und zum Transmittieren und/oder Ablenken des an dem Mikrospiegel reflektierten Anteils des Detektionslichts aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt in den ersten Strahlengangsabschnitt, wobei der zweite Abschnitt der optischen Achse mit einer Oberfläche des Substrats und/oder mit einer Oberfläche des Mikrospiegels in einer Neutralstellung einen Eintrittswinkel einschließt, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
Als Neutralstellung wird dabei eine Stellung des Mikrospiegels bezeichnet, aus der dieser mittels des Antriebs ausgelenkt werden kann. Insbesondere kann die Neutralstellung eine Stellung sein, die der Mikrospiegel in Abwesenheit einer an dem Antrieb anliegenden Spannung oder bei Anliegen einer konstan- ten Offset-Spannung an dem Antrieb einnimmt. Die Neutralstellung kann so gewählt sein, dass eine gleich große Auslenkung des Mikrospiegels aus der Neutralstellung in mehrere Richtungen möglich ist. Die Neutralstellung kann so gewählt sein, dass eine mögliche Auslenkung des Mikrospiegels aus der Neutralstellung in einer Richtung maximiert wird.
Die vorgeschlagene Messvorrichtung eignet sich insbesondere in vorteilhafter Weise zur Verwendung in einem Verfahren zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung, welches die Schritte umfasst:
Emittieren des Abtastlichts mittels der Laserlichtquelle,
Beaufschlagen des Mikrospiegels mit dem von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlicht mittels der Prismeneinheit, so dass das von der Laserlichtquelle emittierte Abtastlicht in den Objektraum abgelenkt wird,
Verschwenken des Mikrospiegels mittels des Antriebs, so dass das an dem Mikrospiegel reflektierte Abtastlicht sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum erreicht,
Erfassen des koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels abgelenkten Abtastlicht einfallenden und an dem Mikrospiegel reflektierten Anteils des Detektionslichts,
Bestimmen des jeweiligen Abstand zwischen jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten und einem Referenzpunkt auf Grundlage einer relativen Zeitlage des Abtastlichts und des mittels des Photodetektors erfassten Anteils des Detektionslichts.
Unter der Annahme, dass der koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels abgelenkten Abtastlicht einfallende und an dem Mikrospiegel reflektierte Anteil des Detektionslicht ein an Objektpunkten der Vielzahl von Objektpunkten gestreuter und/oder reflektierter Anteil des Abtastlichts ist, erlaubt das genannte Verfahren unter Verwendung der vorgeschlagenen Messvorrichtung eine schnelle und räumlich hochaufgelöste Abstandsbestimmung an statischen und insbesondere an dynamisch bewegten Objekten über einen großen räumlichen Messbereich.
Die Messvorrichtung zeichnet sich durch die Möglichkeit einer kompakten und leichten Bauform aus, wozu insbesondere die leicht miniaturisierbare Anordnung der Laserlichtquelle, des Photodetektors und der Scaneinheit auf dem gemeinsamen Substrat, die Prismeneinheit in der oben beschriebenen Ausgestaltung und der schräg zur Oberfläche des Substrats durch das kuppelförmige Fenster in die Scaneinheit eintretende zweite Abschnitt der optischen Achse beitragen. Besonders die Bauhöhe der Messvorrichtung (senkrecht zur Oberfläche des Substrats) kann aufgrund dieser Merkmale gering gehalten werden.
Zugleich ist durch das kuppelförmige Fenster ein großer räumlicher Messbereich bei vergleichsweise geringen lateralen Abmessungen (d. h. parallel zur Oberfläche des Substrats) der Messvorrichtung erzielbar, da das Abtastlicht über einen großen Winkelbereich scanbar ist.
Ferner ist eine zuverlässige Funktion der Messvorrichtung auch bei starkem Hintergrundlicht aufgrund des guten erzielbaren Signal-Rausch-Abstands gewährleistbar. Ein verbesserter Signal-Rauschabstand ergibt sich etwa durch die Kuppelform des Fensters, durch die ein Auftreffen fokussierter Reflexe des Abtastlichts am Photodetektor vermieden bzw. verringert wird. Dass solche Reflexe dementsprechend auch nicht mittels einer Strahlenfalle, Blende o. ä. unterdrückt werden müssen, kommt wiederum einer kompakten Bauform der Messvorrichtung zugute.
Mit dem guten erzielbaren Signal-Rauschabstand geht auch die Möglichkeit eines augensicheren Betriebs, also der Verwendung einer hinreichend geringen Laserleistung des Abtastlichts zur Vermeidung von Augenschäden, einher.
Dadurch, dass der Mikrospiegel zwischen dem kuppelförmigen Fenster und dem Substrat luftdicht verkapselt ist, ist der Mikrospiegel gegenüber Umwelteinflüssen geschützt, was die Lebensdauer der optischen Messvorrichtung verbessern kann.
Ferner kann ein den Mikrospiegel enthaltender Raum unter dem kuppelförmigen Fenster einen gegenüber einem Umgebungsdruck verringerten Innendruck aufweisen. Damit wird eine beim Verschwenken des Mikrospiegels auftretende Dämpfung verringert und eine entsprechende Spiegelauslenkung erhöht, womit ein besonders großer Messbereich, ein verringerter Energieverbrauch und eine besonders gute Lebensdauer der optischen Messvorrichtung ermöglicht werden kann. Die Laserlichtquelle kann eine zeitlich modulierbare, insbesondere gepulst betreibbare, Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode, sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle kann eine zeitlich modulierbare Dauerstrichlaserlichtquelle sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle kann eine VCSEL-Diode und/oder eine kantenemittierende Laserdiode sein oder umfassen. Mit einer VCSEL-Diode ist eine besonders kompakte Bauform bei hoher Energieeffizienz, hoher Strahlqualität und/oder hoher Modulationsfrequenz bzw. Pulsfrequenz umsetzbar.
Eine Wellenlänge des mittels der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts ist vorzugsweise größer als oder gleich 850 nm, insbesondere im Bereich von 850 nm bis 2000 nm. Wird die Laserlichtquelle gepulst betrieben, so beträgt eine Pulsdauer des Abtastlichts vorzugsweise 100 ps bis 5 ns.
Der Photodetektor kann eine Avalanche-Photodiode (APD) und/oder eine PIN- Diode und/oder ein Silizium-Photomultiplier (SiPM) und/oder eine Einzelpho- tonen-Avalanche-Diode (SPAD) und/oder eine Detektionseinheit mit mehreren SPAD-Diodenzellen auf einem Chip sein oder umfassen, womit eine besonders kompakte Bauform bei hoher Detektionsempfindlichkeit erzielbar ist.
Die optische Messvorrichtung kann umfassen: eine Steuereinheit, eingerichtet zum Ansteuern des Mikrospiegels derart, dass das an dem Mikrospiegel reflektierte Abtastlicht während eines Ver- schwenkens des Mikrospiegels um die mindestens eine Achse sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum erreicht, und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten einen Abstand zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und einem Referenzpunkt auf Grundlage einer relativen Zeitlage des Abtastlichts und des mittels des Photodetektors erfassten Anteils des Detektionslichts zu bestimmen.
In Verbindung mit einer zeitlich modulierbaren Laserlichtquelle kann die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, die relative Zeitlage als Laufzeit- bzw. Phasendifferenz zwischen dem Abtastlicht und dem mittels des Photodetektors erfassten Anteils des Detektionslichts zu bestimmen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, die relative Zeitlage als Laufzeit zwischen einem von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichtpuls und einem mittels des Photodetektors erfassten Detektionslichtpuls, welcher ein im Objektraum reflektierter und/oder gestreuter Anteil des Abtastlichtpulses ist, zu bestimmen.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, nach dem Emittieren eines ersten Abtastlichtpulses das Emittieren eines zweiten Abtastlichtpulses erst dann zu erlauben, wenn ein dem ersten Abtastlichtpuls entsprechender Detektionslichtpuls erfasst wurde oder ein vorgegebenes Timeout-Intervall verstrichen ist.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu eingerichtet sein, auf Grundlage der Abstände zwischen jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten und dem Referenzpunkt ein Tiefenbild und/oder eine Oberflächenrekonstruktion zu erzeugen. Ein Tiefenbild ist dabei eine räumlich aufgelöste Darstellung von Abständen, beispielsweise in Bezug auf eine Referenzebene oder einen Referenzpunkt.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Laserleistung des Abtastlichts zeitweise anzuheben, wenn ein Bereich im Objektraum erkannt wird, aus dem nur ein geringes (unterhalb eines Schwellwerts) liegendes Detektionslichtsignal erfasst wird.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Laserleistung des Abtastlichts so zu regeln bzw. zu steuern, dass sie stets unterhalb eines augensicheren Schwellwerts bleibt.
Die optische Messvorrichtung kann einen Zeitfilter umfassen, der dazu eingerichtet ist, den mittels des Photodetektors erfassten Anteil des Detektionslicht durch zeitliches Gating von Anteilen des Abtastlichts zu trennen. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass mittels des Photodetektors interne Reflexe des Abtastlichts, die innerhalb der optischen Messvorrichtung auftreten, erfasst werden.
Der Eintrittswinkel kann größer als oder gleich 30 Grad und/oder kleiner als oder gleich 50 Grad sein. Vorzugsweise liegt der Eintrittswinkel zwischen 30 Grad und 50 Grad. Damit kann insbesondere erreicht werden, dass ein Eintrittspunkt, an dem das von der Laserlichtquelle emittierte Abtastlicht das kuppelförmige Fenster nach Durchgang durch die Prismeneinheit durchtritt, nicht an einem dem Mikrospiegel senkrecht zur Oberfläche des Substrats bzw. zur Oberfläche des Mikrospiegels in der Neutralstellung gegenüberliegenden Apex des kuppelförmigen Fensters liegt. Dadurch wird ein Anordnen von optischen Elemente im Bereich des Apex und somit ein teilweises Blockieren des am Mikrospiegel in den Objektraum reflektierten Abtastlichts sowie des koaxial dazu einfallenden Anteils des Detektionslichts vermieden.
Das kuppelförmige Fenster weist vorzugsweise eine sphärische Wölbung auf. Das kuppelförmige Fenster kann alternativ jede andere Wölbungsform aufweisen, beispielsweise eine elliptische Wölbung. Eine dem Substrat zugewandte innere Oberfläche des kuppelförmigen Fensters und eine von dem Substrat angewandte äußere Oberfläche des kuppelförmigen Fensters können identische oder unterschiedliche Wölbungsformen aufweisen.
Der zweite Abschnitt der optischen Achse kann das kuppelförmige Fenster senkrecht zu einer Oberfläche des kuppelförmigen Fensters durchtreten. Durch dieses Merkmal können Aberrationen im optischen Strahlengang minimiert werden. Alternativ kann der zweite Abschnitt der optischen Achse das kuppelförmige Fenster schräg zu der Oberfläche des kuppelförmigen Fensters durchtreten.
Der erste Abschnitt der optischen Achse kann parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufen. Somit kann eine besonders geringe Bauhöhe der optischen Messvorrichtung erzielt werden. Alternativ kann der erste Abschnitt der optischen Achse schräg zu der Oberfläche des Substrats verlaufen.
Die Prismeneinheit kann mehrere optische Einzelkomponenten umfassen, wobei eine oder mehrere der Einzelkomponenten Prismen sein können.
Die Prismeneinheit ist oder umfasst vorzugsweise ein Kompositprisma, umfassend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das erste Prisma die erste Fläche umfasst, die zweite Flä- ehe an einer im Inneren des Kompositprismas liegenden Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma ausgebildet ist und das zweite Prisma die dritte Fläche umfasst. Die zweite Fläche kann eine Strahlteilerbeschichtung, beispielsweise mit einem Reflexions-Transmissions-Verhältnis von 80:20, 70:30, 50:50 oder einem anderen Reflexions-Transmissions-Verhältnis umfassen.
Das erste Prisma weist vorzugsweise eine parallelogrammförmige Grundfläche auf. Das zweite Prisma weist vorzugsweise eine trapezförmige Grundfläche auf. Das Kompositprisma weist vorzugsweise eine trapezförmige Grundfläche auf, wobei die erste und die zweite Fläche zueinander parallel und die erste und die dritte Fläche zueinander abgewinkelt sind. Die Prismen können auch alternative Formen aufweisen.
Gemäß einem anderen Beispiel kann die Prismeneinheit einen die erste Fläche umfassenden Spiegel und/oder einen die zweite Fläche umfassenden Strahlteiler und/oder ein die dritte Fläche umfassendes Keilprisma umfassen.
Die Prismeneinheit kann eine Absorberschicht zum Absorbieren von Streulicht und/oder Lichtreflexen innerhalb der optischen Messvorrichtung umfassen, wodurch eine Messung mit verbesserter Zuverlässigkeit und/oder verbessertem Signal-Rauschabstand ermöglicht wird.
Die Prismeneinheit kann bezüglich der Scaneinheit so angeordnet sein, dass eine senkrechte Projektion der Prismeneinheit auf das Substrat eine senkrechte Projektion des Mikrospiegels auf das Substrat nicht überlappt.
Die optische Messvorrichtung kann einen ebenfalls auf dem Substrat angeordneten weiteren Photodetektor, eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel reflektierten direkten Anteils des Detektionslichts, umfassen.
Der weitere Photodetektor kann von der Laserlichtquelle optisch entkoppelt sein. Optisch entkoppelt bedeutet, dass nur ein geringer Teil einer von der Laserlichtquelle als Abtastlicht emittierten Leistung den weiteren Photodetektor trifft, beispielsweise weniger als 0,1 Prozent, vorzugsweise weniger als 0,01 Prozent, besonders vorzugsweise weniger als 0,001 Prozent.
Der weitere Photodetektor kann somit insbesondere vor internen Reflexen des Abtastlichts, die innerhalb der optischen Messvorrichtung auftreten, geschützt sein, so dass das Erfassen des Detektionslicht nicht durch solche Reflexe beeinträchtigt ist und eine etwaige, zur Unterdrückung eines Erfassens solcher Reflexe am erstgenannten Photodetektor notwendige Detektionstotzeit vermieden werden kann. Ferner kann eine Kondensatoroptik, die zum Beaufschlagen des weiteren Photodetektors mit dem direkten Anteil des Detektionslichts eingerichtet ist, eine größere Öffnungsfläche und/oder einen größeren Öffnungswinkel aufweisen als der Strahlengang, mittels dessen der erstgenannte Photodetektor mit dem koaxial zum Abtastlicht einfallenden Anteil des Detektionslichts beaufschlagt wird. Aufgrund der genannten Eigenschaften kann der weitere Photodetektor die Abstandsmessung an Objekten verbessern, die das Abtastlicht nur schwach reflektieren und/oder die in einem kurzen Abstand von der Messvorrichtung angeordnet sind. Die Kondensatoroptik kann eine Fresnel-Linse umfassen.
Die Verarbeitungseinheit, soweit vorhanden, kann dazu eingerichtet sein, ein erstes Tiefenbild auf Grundlage des mittels des erstgenannten Photodetektors erfassten koaxialen Anteil des Detektionslichts und ein zweites Tiefenbild auf Grundlage des mittels des weiteren Photodetektors erfassten direkten Anteils des Detektionslichts zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit kann zum Kombinieren des ersten und des zweiten Tiefenbildes zu einem dritten Tiefenbild, beispielsweise auf Grundlage einer schwellwertbasierten Segmentierung und/oder mittels eines Maschinenlernalgorithmus, eingerichtet sein.
Die optische Messvorrichtung kann eine ebenfalls auf dem Substrat angeordnete weitere Laserlichtquelle, eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts mit einer von einer Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts verschiedenen Wellenlänge, umfassen.
Mittels einer solchen weiteren Laserlichtquelle können die Anwendungsmöglichkeiten der optischen Messvorrichtung ausgedehnt werden, etwa können Messungen an Objekten oder Teilen von Objekten ermöglicht werden, welche die Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle emittierten Ab- tastlichts nur schwach reflektieren und/oder streuen.
Umfasst die optische Messvorrichtung eine weitere Laserlichtquelle, so kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserlichtquellen das jeweilige Abtastlicht sequentiell emittieren und der Photodetektor das jeweilige Detektionslicht sequentiell detektiert. Alternativ kann die optische Messvorrichtung einen zusätzlichen Photodetektor umfassen und es kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserlichtquellen das jeweilige Abtastlicht simultan emittieren und das von jeder der beiden Laserlichtquellen emittierte Abtastlicht von jeweils einem der Photodetektoren detektiert wird.
Der Mikrospiegel kann zum quasistatischen Verschwenken und/oder zum re- sonanten Verschwenken und/oder zum vektoriellen Verschwenken um die mindestens eine Achse eingerichtet sein. Resonantes Verschwenken bedeutet, dass der Mikrospiegel mittels des Antriebs periodisch mit einer Resonanzfrequenz des Verschwenkens angetrieben wird. Quasistatisches Verschwenken bedeutet, dass der Mikrospiegel nicht resonant angetrieben wird. Vektorielles Verschwenken bedeutet, dass der Mikrospiegel beim Verschwenken verschiedene diskrete Positionen annehmen kann.
Der Mikrospiegel kann um zwei Achsen, vorzugsweise zwei zueinander senkrechte Achsen, verschwenkbar sein. Der Mikrospiegel kann zum gleichzeitigen Verschwenken um jede der beiden Achsen, insbesondere zum gleichzeitigen resonanten periodischen Verschwenken um jede der beiden Achsen (doppelt- resonant) mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz, eingerichtet sein.
Mit einem zum resonanten Verschwenken, insbesondere zum gleichzeitigen resonanten Verschwenken um zwei Achsen, eingerichteten Mikrospiegel können eine besonders hohe Messgeschwindigkeit und ein energieeffizienter Betrieb der Scaneinheit erreicht werden. Eine hinreichende Abtastdichte im Objektraum kann durch geeignete Wahl eines Verhältnisses der beiden Resonanzfrequenzen zum Einstellen einer entsprechenden Lissajous-Figur erzielt werden.
Die optische Messvorrichtung kann eine über der Laserlichtquelle angeordnete Kompensationsoptik, eingerichtet zum Ausgleichen einer durch das kuppel- förmige Fenster verursachten Divergenz des Abtastlichts, umfassen.
Die optische Messvorrichtung kann einen über dem Photodetektor angeordneten Sperrfilter umfassen, der eingerichtet ist zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches eine Wellenlänge des Detektionslicht umfasst, und zum Blockieren (durch Reflektieren und/oder Absorbieren) von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes. Das schmale Wellenlängenband kann eine Breite von beispielsweise 10 nm, 20 nm oder 30 nm haben. Die Prismeneinheit und/oder das kuppelförmige Fenster und/oder eine oder mehrere andere optische Komponenten der optischen Messvorrichtung können eine Antireflex-Beschichtung zum Unterdrücken von Reflexen eines Hintergrundlichts umfassen. Bei Verwendung eines Sperrfilters und/oder einer Antireflex-Beschichtung ist eine besonders gute Unterdrückung von Hintergrundlicht, beispielsweise Sonnenlicht, und somit ein besonders guter Sig- nal-Rausch-Abstand erzielbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand Fig. 1 bis ... erläutert. Dabei zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 einen Längsschnitt einer optischen Messvorrichtung nach einem ersten Beispiel,
Fig. 2 eine Draufsicht der optischen Messvorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt einer optischen Messvorrichtung nach einem zweiten Beispiel,
Fig. 4 eine Draufsicht der optischen Messvorrichtung nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht einer optischen Messvorrichtung nach einem dritten Beispiel,
Fig. 6 und Fig. 7 Längsschnitte einer optischen Messvorrichtung nach einem vierten Beispiel.
Wiederkehrende und ähnliche Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind in den Abbildungen mit identischen oder ähnlichen alphanumerischen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte optische Messvorrichtung 1 zur ortsaufge lösten Abstandsbestimmung umfasst: eine Laserlichtquelle 2, eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts 3, eine MEMS-basierte Scaneinheit 4, umfassend einen um zwei zueinander senkrechte Schwenkachsen verschwenkbaren Mikrospiegel 5 zum Ablenken des von der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts 3 in einen Objektraum 6 und eine Lagerung 7, die mit einem Antrieb zum Verschwenken des Mikrospiegels 5 um die beiden Schwenkachsen verbunden ist, einen Photodetektor 8, eingerichtet zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils eines Detektionslichts 9, und eine Prismeneinheit 10, eingerichtet zum Beaufschlagen des Mikrospiegels 5 mit dem von der Laserlichtquelle 2 emittierten Abtastlicht 3, so dass das Abtastlicht 3 an dem Mikrospiegel 5 in den Objektraum 6 reflektiert wird, und zum Beaufschlagen des Photodetektors 8 mit dem an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteil des Detektionslichts 9, so dass das Abtastlicht 3 und das Detektionslicht 9 entlang eines innerhalb der Prismeneinheit 10 verlaufenden ersten Abschnitts 11 einer optischen Achse und entlang eines zwischen der Prismeneinheit 10 und dem Mikrospiegel 5 verlaufenden zweiten Abschnitts 12 der optischen Achse koaxial propagieren. In den Zeichnungen sind koaxial propagierende Lichtanteile teilweise der Übersichtlichkeit halber gegeneinander verschoben gezeigt.
Die Laserlichtquelle 2, der Photodetektor 8 und die Scaneinheit 4 sind auf einem gemeinsamen planaren Substrat 13 angeordnet.
Die Scaneinheit 4 umfasst ein von dem zweiten Abschnitt 12 der optischen Achse durchtretenes und für das Abtastlicht 3 und das Detektionslicht 9 durchlässiges kuppelförmiges Fenster 14.
Der Mikrospiegel 5 ist zwischen dem kuppelförmigen Fenster 14 und einer zwischen dem Mikrospiegel 5 und dem Substrat 13 angeordneten Boden- Struktur 38 der Scaneinheit 4 luftdicht verkapselt.
Die Prismeneinheit 10 umfasst: eine über der Laserlichtquelle 2 angeordnete und bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte erste Fläche 15, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts 3 zum Einkoppeln in einen entlang des ersten Abschnitts 11 der optischen Achse verlaufenden ersten Strahlengangsabschnitt 16, eine über dem Photodetektor 8 angeordnete und bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte zweite Fläche 17, eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts 9 aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 zum Photodetektor 8 und zum Transmittieren eines Anteils des an der ersten Fläche 15 reflektierten Abtastlichts 3, und eine dritte Fläche 18, eingerichtet zum Transmittieren und Ablenken des Abtastlichts 3 aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 in einen entlang des zweiten Abschnitts 12 der optischen Achse verlaufenden zweiten Strahlengangsabschnitt 19 und zum Transmittieren und Ablenken des an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9 aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt 19 in den ersten Strahlengangsabschnitt 16.
Der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse schließt mit einer Oberfläche 20 des Substrats 13 einen Eintrittswinkel 21 (hier gezeigt bezüglich einer zu der Oberfläche 20 des Substrats 13 parallelen Oberfläche 22 der Lagerung 7) ein, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist. In anderen Worten durchtritt der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse das kuppelförmige Fenster 14 schräg zur Oberfläche 20 des Substrats 13.
Im gezeigten Beispiel ist eine Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 in einer Neutralstellung parallel zu der Oberfläche 20 des Substrats 13 angeordnet. Daher schließt der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse mit der Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 den identischen Eintrittswinkel 21 ein. In der hier nicht gezeigten Neutralstellung des vorliegenden Beispiels ist die Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 zu der Oberfläche 22 der Lagerung 7 parallel.
Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Oberfläche 39 des Mikrospiegels 5 in der Neutralstellung gegenüber der Oberfläche 20 des Substrats 13 verkippt ist, beispielsweise dadurch, dass die Scaneinheit 4 auf einem zwischen dem Substrat 13 und der Bodenstruktur 38 der Scaneinheit 4 angeordneten Keil angeordnet ist. In diesem Fall schließt der zweite Abschnitt 11 der optischen Achse mit dem Mikrospiegel 5 einen Eintrittswinkel ein, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist. Ein Winkel zwischen der Oberfläche 20 des Substrats 13 und dem zweiten Abschnitt 11 der optischen Achse kann in diesem Fall einen Wert außerhalb des genannten Bereichs, etwa einen Wert von 0 Grad, haben.
Ein den Mikrospiegel 5 enthaltender Raum 23 unter dem kuppelförmigen Fenster 14 weist einen gegenüber einem Umgebungsdruck verringerten Innendruck auf.
Die Laserlichtquelle 2 ist eine gepulst betreibbare VCSEL-Diode, wobei eine Pulsdauer des Abtastlichts beispielsweise im Bereich von 100 ps bis 5 ns liegen kann. Eine Wellenlänge des mittels der Laserlichtquelle emittierten Abtastlichts ist beispielsweise 850 nm, kann aber auch eine andere Wellenlänge sein, beispielsweise 905 nm, 940 nm, 1350 nm oder eine andere Wellenlänge, die größer als 850 nm ist.
Die Laserlichtquelle 2 kann alternativ eine andere Art von Laserlichtquelle sein. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 2 eine zeitlich modulierbare, insbesondere gepulst betreibbare, Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Laserdiode, sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle 2 kann eine zeitlich modulierbare Dauerstrichlaserlichtquelle sein oder umfassen. Die Laserlichtquelle kann eine kantenemittierende Laserdiode sein oder umfassen.
Der Photodetektor 8 ist eine Avalanche-Photodiode (APD). Der Photodetektor 8 kann alternativ eine andere Art von Photodetektor sein. Beispielsweise kann der Photodetektor 8 eine PIN-Diode und/oder eine Einzelphotonen- Avalanche-Diode (SPAD) sein oder umfassen.
Die optische Messvorrichtung 1 umfasst eine Verstärkerschaltung, beispielsweise eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung, eingerichtet zum Ausgeben einer Spannung, die einem dem mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteil des Detektionslichts 9 entsprechendem Detektorstrom proportional ist. Da- neben umfasst die optische Messvorrichtung 1 einen Zeitfilter, der dazu eingerichtet ist, den mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteil des Detektionslichts 9 durch zeitliches Gating von Anteilen des Abtastlichts zu trennen. Das zeitliche Gating kann etwa durch zeitlich getaktetes An- und Ausschalten der Verstärkerschaltung zum Erzeugen einer Detektionstotzeit erfolgen.
Die optische Messvorrichtung 1 umfasst ferner einen Time-to-Digital-Converter zum Bestimmen einer relativen Zeitlage des Abtastlichts 3 und des mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteils des Detektionslichts 9, eine Steuereinheit, eingerichtet zum Ansteuern des Mikrospiegels 5 derart, dass das an dem Mikrospiegel 5 reflektierte Abtastlicht 3 während eines Verschwenkens des Mikrospiegels 5 um die mindestens eine Achse sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum 6 erreicht, und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten einen Abstand zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und einem Referenzpunkt auf Grundlage der relativen Zeitlage des Abtastlichts 3 und des mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteils des Detektionslichts 9 zu bestimmen.
Die Objektpunkte der Vielzahl von Objektpunkten sind hierbei beispielsweise Punkte eines Objekts 24 im Objektraum 6. Der koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallende und an dem Mikrospiegel 5 reflektierte Anteil des Detektionslichts 9 ist ein an Objektpunkten der Vielzahl von Objektpunkten gestreuter und/oder reflektierter Anteil des Abtastlichts 9.
Die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet sein, die relative Zeitlage als Laufzeit zwischen einem von der Laserlichtquelle 2 emittierten Abtastlichtpuls und einem mittels des Photodetektors 8 erfassten Detektionslichtpuls, welcher ein im Objektraum 6 reflektierter und/oder gestreuter Anteil des Abtastlichtpulses ist, zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit ist ferner dazu eingerichtet, auf Grundlage der Abstände zwischen jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten und dem Referenzpunkt ein Tiefenbild und/oder eine Oberflächenrekonstruktion zu erzeugen.
Die Steuereinheit und die Verarbeitungseinheit können als separate Einheiten ausgeführt oder gemeinsam in einer Schaltung oder Recheneinheit integriert sein. Die Steuereinheit und/oder die Verarbeitungseinheit kann auf dem Substrat 13 integriert sein. Die optische Messvorrichtung 1 kann auch ohne die Steuereinheit und/oder die Verarbeitungseinheit ausgeführt sein. In diesem Fall kann die optische Messvorrichtung 1 mit einer Steuereinheit und/oder einer Verarbeitungseinheit der beschriebenen Art verbindbar sein.
Der Eintrittswinkel 22 im gezeigten Beispiel beträgt ca. 30 Grad. Andere Werte de Eintrittswinkels 22 sind möglich, beispielsweise kann der Eintrittswinkel 22 größer als oder gleich 30 Grad und/oder kleiner als oder gleich 50 Grad sein.
Das kuppelförmige Fenster 14 weist eine sphärische Wölbung auf, wobei der Mikrospiegel 5 im Mittelpunkt der sphärischen Wölbung angeordnet ist, so dass der zweite Abschnitt 12 der optischen Achse das kuppelförmige Fenster 14 senkrecht zu dessen Oberfläche durchtritt. Das kuppelförmige Fenster 14 kann alternativ andere Wölbungsformen aufweisen und/oder der zweite Abschnitt 12 der optischen Achse kann das kuppelförmige Fenster 14 schräg zu dessen Oberfläche durchtreten.
Der erste Abschnitt 11 der optischen Achse verläuft parallel zu der Oberfläche 20 des Substrats 13. Alternativ kann der erste Abschnitt 11 der optischen Achse schräg zu der Oberfläche 20 des Substrats 13 verlaufen.
Die Prismeneinheit 10 ist ein Kompositprisma, umfassend ein erstes Prisma 25 und ein zweites Prisma 26. Dabei umfasst das erste Prisma 25 die erste Fläche 15, die zweite Fläche 17 ist an einer im Inneren des Kompositprismas liegenden Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma 25 und dem zweiten Prisma 26 ausgebildet und das zweite Prisma 26 umfasst die dritte Fläche 18. Die zweite Fläche umfasst eine Strahlteilerbeschichtung, beispielsweise mit einem Reflexions-Transmissions-Verhältnis von 70:30 (d. h. insbesondere werden 70 Prozent des koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts an der zweiten Fläche 17 in Richtung des Photodetektors 8 reflektiert, 30 Prozent in Richtung des ersten Prismas transmittiert), wobei alternativ auch andere Reflexions-Transmissions-Verhältnisse vorgesehen sein können. Das erste Prisma 25 weist eine parallelogrammförmige Grundfläche, das zweite Prisma 26 eine trapezförmige Grundfläche auf, so dass das Kompositprisma eine trapezförmige Grundfläche aufweist, wobei die erste Fläche 25 und die zweite Fläche 26 zueinander parallel und die erste Fläche 25 und die dritte Fläche 26 zueinander abgewinkelt sind. Die Prismeneinheit 10 kann auf andere Weise aufgebaut sein, beispielsweise kann die Prismeneinheit 10 kann einen die erste Fläche 15 umfassenden Spiegel und/oder einen die zweite Fläche 17 umfassenden Strahlteiler und/oder ein die dritte Fläche 18 umfassendes Keilprisma umfassen.
Wie in Fig. 2 gut zu erkennen ist, ist die Prismeneinheit 10 bezüglich der Scaneinheit 4 so angeordnet, dass eine senkrechte Projektion der Prismeneinheit 10 auf das Substrat 13 eine senkrechte Projektion des Mikrospiegels 5 auf das Substrat 13 nicht überlappt. Je nach Wert des Eintrittswinkels 21 kann auch ein Überlapp der genannten Projektionen vorgesehen sein.
Der Mikrospiegel 5 ist zum gleichzeitigen resonanten periodischen Ver- schwenken um jede der beiden Schwenkachsen mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz (doppelt-resonant) eingerichtet.
Der Mikrospiegel 5 kann auch quasistatischen Verschwenken und/oder zum vektoriellen Verschwenken um eine oder mehrere Achsen eingerichtet sein. Die optische Messvorrichtung 1 kann in manchen Ausführungsformen einen weiteren um eine oder mehrere Schwenkachsen verschwenkbaren Mikrospiegel umfassen.
Die Zeichnungen zeigen beispielhaft eine Lagerung ?, die den Mikrospiegel 5 um zwei zueinander senkrecht stehende Schwenkachsen verschwenkbar lagert und beispielsweise mit einem elektrostatischen Antrieb verbunden ist. Alternativ kann eine andere Lagerungsgeometrie, etwa mit nicht zueinander senkrechten Schwenkachsen, und/oder ein anderer Antrieb, etwa ein elektromagnetischer oder piezoelektrischer Antrieb, vorgesehen sein.
Die optische Messvorrichtung 1 weist eine über der Laserlichtquelle 2 angeordnete Linse als Kollimations- und Kompensationsoptik 27 auf, welche dazu eingerichtet ist, das von der Laserlichtquelle 2 emittierte Abtastlicht 3 im Wesentlichen zu kollimieren, dabei aber zugleich eine durch das kuppelförmige Fenster 14 verursachte Divergenz des Abtastlichts 3 auszugleichen. Bei manchen Ausführungsformen, etwa bei einer hinreichend kollimierten Laserlichtquelle 2, kann die Kollimations- und Kompensationsoptik 27 auch weggelassen werden.
Die optische Messvorrichtung 1 weist einen über dem Photodetektor angeordneten Sperrfilter 28 auf, der eingerichtet ist zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes (beispielsweise 20 nm), welches eine Wellenlänge des Detektionslicht umfasst, und zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes. Ferner weist die optische Messvorrichtung 1 eine über dem Photodetektor 8 angeordnete Kondensationslinse 29 auf, die zum Fokussieren des koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3 einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9 eingerichtet ist.
Die Kollimations-und Kompensationsoptik 27, der Sperrfilter 28 und die Kondensationslinse 29 sind in einer auf dem Substrat 13 angeordneten Komponentenhalterung 30 angebracht. Die Komponentenhalterung 30 stützt auch die Prismeneinheit 10. Die optische Messvorrichtung 1 umfasst ferner eine Abdeckung 31 zum Schutz der optischen Komponenten und zum Unterdrücken von Streulicht (die Abdeckung 31 ist in Fig. 2 nicht gezeigt).
Mit einer optischen Messvorrichtung der gezeigten Art kann beispielsweise ein scanbarer Winkelbereich von 175 Grad bei einem Abstandsmessbereich bis zu 10 m bei Sonnenlichteintrahlung erzielbar sein, wobei eine Abstandsmessgenauigkeit von etwa bis zu 3 mm erreicht werden kann. Mit dem dop- pelt-resonanten Mikrospiegel kann beispielsweise eine Objektpunkt- Messfrequenz von bis zu 20 MHz und/oder eine Bildwiederholrate von bis zu 240 fps realisierbar sein. Aufgrund der kompakten Ausgestaltung ist beispielsweise eine Gesamtbauhöhe 32 von weniger als 6 mm bei einem Gesamtvolumen der optischen Messvorrichtung 1 von ca. 0,4 cm3 erzielbar sein.
Im Folgenden werden jeweils nur diejenigen Merkmale weiterer Ausführungsbeispiele beschrieben, die sich von dem vorbeschriebenen Beispiel we- sentlich unterscheiden.
Die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigte optische Messvorrichtung 1' weist neben dem Photodetektor 8, der zum Erfassen des koaxialen Anteils 9a des Detektionslichts eingerichtet ist, einen ebenfalls auf dem Substrat 13 angeordneten weiteren Photodetektor 8' auf. Der Photodetektor 8' ist eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel 5 reflektierten direkten Anteils 9b des Detektionslichts.
Die optische Messvorrichtung 1' weist einen über dem Photodetektor 8' angeordneten Sperrfilter 28' auf, der eingerichtet ist zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes (beispielsweise 20 nm), welches eine Wellenlänge des Detektionslicht umfasst, und zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes. Ferner weist die optische Messvorrichtung 1 eine über dem Photodetektor 8' angeordnete Kondensationslinse 29' - hier als Fresnel-Linse ausgestaltet - auf, wobei der direkte Anteils 9b des Detektionslichts den Photodetektor 8', der im gezeigten Beispiel eine gegenüber dem Photodetektor 8 vergrößerte Detektorfläche aufweist, defokussiert erreicht.
Gegenüber dem Photodetektor 8 zeichnet sich der Photodetektor 8' durch eine besonders große Eintrittsfläche 33 in dem Strahlengang, durch den der direkte Anteil 9b dem Photodetektor 8' zugeführt wird, aus. Im gezeigten Beispiel tritt der direkte Anteil 9b des Detektionslichts durch die Prismeneinheit 10 auf den Photodetektor 8'. Die Prismeneinheit 10 weist eine an einer von dem Substrat 13 abgewandten Seite des Prismas (neben der Eintrittsfläche 33) angeordnete Absorberschicht 40 auf.
Die Verarbeitungseinheit kann in diesem Beispiel dazu eingerichtet sein, ein erstes Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8 erfassten koaxialen Anteils 9a des Detektionslichts und ein zweites Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8' erfassten direkten Anteils 9b des Detektionslichts auf Grundlage einer schwellwertbasierten Segmentierung und/oder mittels eines Maschinenlernalgorithmus zu bestimmen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten optischen Messvorrichtung 1" ist der weitere Pho- todetektor 8'von der Laserlichtquelle 2 optisch entkoppelt, indem er auf dem Substrat 13 neben der Prismeneinheit 10 angeordnet ist. Dadurch trifft nur ein äußerst geringer Teil einer von der Laserlichtquelle 2 als Abtastlicht emittierten Leistung den Photodetektor 8', etwa weniger als 0,01 Prozent. Augrund der optischen Entkopplung ist der Photodetektor 8'insbesondere vor internen Reflexen des Abtastlichts, die innerhalb der optischen Messvorrichtung auftreten, geschützt.
Die in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigte optische Messvorrichtung 1'" umfasst eine ebenfalls auf dem Substrat 13 angeordnete weitere Laserlichtquelle 2', eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts 3' mit einer von einer Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle 2 emittierten Abtastlichts 3 (erste Wellenlänge) verschiedenen Wellenlänge (zweite Wellenlänge). Der Mikrospiegel 5 ist ferner auch zum Ablenken des von der weiteren Laserlichtquelle 2' emittierten Abtastlichts 3' in den Objektraum 6 eingerichtet.
Die optische Messvorrichtung 1'" weist neben dem Photodetektor 8 einen ebenfalls auf dem Substrat 13 angeordneten zusätzlichen Photodetektor 8" auf. Während der erstgenannte Photodetektor 8 zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3/3' einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9 der ersten Wellenlänge eingerichtet ist, ist der zusätzliche Photodetektor 8"zum Erfassen eines ebenfalls koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels 5 abgelenkten Abtastlicht 3/3' einfallenden und an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9' der zweiten Wellenlänge eingerichtet.
Somit können etwa Messungen an Objekten oder Teilen von Objekten ermöglicht werden, welche die erste Wellenlänge nur schwach, die zweite Wellenlänge dagegen stärker reflektieren und/oder streuen. Beispielhafte Kombinationen der ersten/zweiten Wellenlänge sind etwa 850 nm/905 nm, 905 nm/940 nm, 940 nm/1350 nm oder andere Kombinationen der genannten oder anderer Wellenlängen, insbesondere im Bereich von 850 nm bis 2000 nm.
Anstelle der Prismeneinheit 10 umfasst die optische Messvorrichtung 1'" die als vierteiliges Kompositprisma ausgestaltete Prismeneinheit 10', welche ne- ben dem ersten Prisma 25 und dem zweiten Prisma 26 ein drittes Prisma 34 und ein viertes Prisma 35 umfasst.
Dabei umfasst - wie bei der Prismeneinheit 10 - das erste Prisma 25 die über der Laserlichtquelle 2 angeordnete, bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte und zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts 3 zum Einkoppeln in den ersten Strahlengangsabschnitt 16 eingerichtete erste Fläche 15, das zweite Prisma 26 umfasst die zum Transmittieren und Ablenken des Abtastlichts 3/3' aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 in den zweiten Strahlengangsabschnitt 19 und zum Transmittieren und Ablenken des an dem Mikrospiegel 5 reflektierten Anteils des Detektionslichts 9/9' aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt 19 in den ersten Strahlengangsabschnitt 16 eingerichtete dritte Fläche 18.
Die über dem Photodetektor 8 angeordnete, bezüglich des Substrats 13 abgewinkelte und zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts 9/9' aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 zum Photodetektor 8 und zum Transmittieren eines Anteils des Abtastlichts 3/3' eingerichtete zweite Fläche 17 ist an einer im Inneren des Kompositprismas liegenden Grenzfläche zwischen dem dritten Prisma 34 und dem vierten Prisma 35 ausgebildet.
Ferner umfasst die Prismeneinheit 10' eine an einer Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma 25 und dem drittem Prisma 34 ausgebildete vierte Fläche 36 sowie eine an einer Grenzfläche zwischen dem vierten Prisma 36 und dem zweiten Prisma 26 ausgebildete fünfte Fläche 37. Die vierte Fläche 36 ist eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts 3' zum Einkoppeln in den ersten Strahlengangsabschnitt 16. Die fünfte Fläche 37 ist eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts 9/9' aus dem ersten Strahlengangsabschnitt 16 zum Photodetektor 8" und zum Transmittieren eines Anteils des Abtastlichts 3/3'.
Wie die Prismeneinheit 10 weist auch die Prismeneinheit 10' eine an einer von dem Substrat 13 abgewandten Seite des Prismas angeordnete Absorberschicht 40 auf.
Alternativ kann die Prismeneinheit 10 wiederum auf andere Weise bzw. aus anderen Einzelkomponenten aufgebaut sein.
Die optische Messvorrichtung 1"' umfasst ferner einen über dem Photodetektor 8 angeordneten Sperrfilter 28, eingerichtet zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches die erste Wellenlänge umfasst, sowie einen über dem Photodetektor 8" angeordneten Sperrfilter 28", eingerichtet zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches die zweite Wellenlänge umfasst, wobei die Sperrfilter 28 und 28"zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des jeweiligen Wellenlängenbandes eingerichtet sind. Somit erfasst der Photodetektor 8 im Wesentlichen nur das Detektionslicht 9 der ersten Wellenlänge, der Photodetektor 8" im Wesentlichen nur das Detektionslicht 9' der zweiten Wellenlänge.
Die Verarbeitungseinheit kann in diesem Beispiel dazu eingerichtet sein, ein erstes Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8 erfassten Anteils des Detektionslichts 9 der ersten Wellenlänge und ein zweites Tiefenbild auf Grundlage des mittels des Photodetektors 8" erfassten Anteils des Detektionslichts 9" der zweitem Wellenlänge auf Grundlage einer schwellwertbasierten Segmentierung und/oder mittels eines Maschinenlernalgorithmus zu bestimmen.
Die optische Messvorrichtung 1"' kann neben den Photodetektoren 8, 8' einen weiteren, insbesondere von den Laserlichtquellen 2, 2' optisch entkoppelten, Photodetektor, eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel 5 reflektierten direkten Anteils des Detektionslichts, umfassen.
Liste der Bezugszeichen
1, 1', 1", 1"' Optische Messvorrichtung,
2, 2' Laserlichtquelle,
3, 3' Abtastlicht,
4 Scaneinheit,
5 Mikrospiegel,
6 Objektraum, 7 Lagerung,
8, 8', 8" Photodetektor,
9, 9' Detektionslicht,
9a Koaxialer Anteil des Detektionslichts,
9b Direkter Anteil des Detektionslichts,
10, 10' Prismeneinheit,
11 Erster Abschnitt der optischen Achse,
12 Zweiter Abschnitt der optischen Achse,
13 Substrat,
14 Kuppelförmiges Fenster,
15 Erste Fläche,
16 Erster Strahlengangsabschnitt,
17 Zweite Fläche,
18 Dritte Fläche,
19 Zweiter Strahlengangsabschnitt,
20 Oberfläche des Substrats,
21 Eintrittswinkel,
22 Oberfläche der Lagerung,
23 Raum unter dem kuppelförmigen Fenster,
24 Objekt,
25 Erstes Prisma,
26 Zweites Prisma,
27 Kollimations- und Kompensationsoptik,
28, 28', 28" Sperrfilter,
29, 29' Kondensationslinse,
30 Komponentenhalterung,
31 Abdeckung,
32 Gesamtbauhöhe,
33 Eintrittsfläche
34 Drittes Prisma,
35 Viertes Prisma,
36 Vierte Fläche,
37 Fünfte Fläche,
38 Bodenstruktur,
39 Oberfläche des Mikrospiegels,
40 Absorberschicht.

Claims

25 Patentansprüche
1. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1'") zur ortsaufgelösten Abstandsbestimmung, umfassend: eine Laserlichtquelle (2, 2'), eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts (3, 3'), eine MEMS-basierte Scaneinheit (4), umfassend einen um mindestens eine Achse verschwenkbaren Mikrospiegel (5) zum Ablenken des von der Laserlichtquelle (2, 2') emittierten Abtastlichts (3, 3') in einen Objektraum (6) und einen Antrieb zum Verschwenken des Mikrospiegels (5) um die mindestens eine Achse, einen Photodetektor (8, 8"), eingerichtet zum Erfassen eines koaxial zu dem mittels des Mikrospiegels (5) abgelenkten Abtastlicht (3, 3') einfallenden und an dem Mikrospiegel (5) reflektierten Anteils eines Detektionslichts (9, 9'), und eine Prismeneinheit (10, 10'), eingerichtet zum Beaufschlagen des Mikrospiegels (5) mit dem von der Laserlichtquelle (2, 2') emittierten Abtastlicht (3, 3'), so dass das Abtastlicht (3, 3') an dem Mikrospiegel (5) in den Objektraum (6) reflektiert wird, und zum Beaufschlagen des Photodetektors (8, 8") mit dem an dem Mikrospiegel (5) reflektierten Anteil des Detektionslichts (9, 9'), so dass das Abtastlicht (3, 3') und das Detektionslicht (9, 9') entlang eines innerhalb der Prismeneinheit (10, 10') verlaufenden ersten Abschnitts (11) einer optischen Achse und entlang eines zwischen der Prismeneinheit (10, 10') und dem Mikrospiegel (5) verlaufenden zweiten Abschnitts (12) der optischen Achse koaxial propagieren, wobei die Laserlichtquelle (2, 2'), der Photodetektor (8, 8") und die Scaneinheit (4) auf einem gemeinsamen planaren Substrat (13) angeordnet sind, wobei die Scaneinheit (4) ein von dem zweiten Abschnitt (12) der optischen Achse durchtretenes und für das Abtastlicht (3, 3') und das Detektionslicht (9, 9') durchlässiges kuppelförmiges Fenster (14) umfasst, wobei der Mikrospiegel (5) zwischen dem kuppelförmigen Fenster (14) und dem Substrat (13) luftdicht verkapselt ist und wobei die Prismeneinheit (10, 10') umfasst: eine über der Laserlichtquelle (2, 2') angeordnete und bezüglich des Substrats (13) abgewinkelte erste Fläche (15), eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Abtastlichts (3, 3') zum Einkoppeln in einen entlang des ersten Abschnitts (11) der optischen Achse verlaufenden ersten Strahlengangsabschnitt (16), eine über dem Photodetektor (8, 8") angeordnete und bezüglich des Substrats (13) abgewinkelte zweite Fläche (17), eingerichtet zum Reflektieren eines Anteils des Detektionslichts (9, 9') aus dem ersten Strahlengangsabschnitt (16) zum Photodetektor (8, 8") und zum Transmittieren eines Anteils des an der ersten Fläche (15) reflektierten Abtastlichts (3, 3'), und eine dritte Fläche (18), eingerichtet zum Transmittieren und/oder Ablenken des Abtastlichts (3, 3') aus dem ersten Strahlengangsabschnitt (16) in einen entlang des zweiten Abschnitts (12) der optischen Achse verlaufenden zweiten Strahlengangsabschnitt (19) und zum Transmittieren und/oder Ablenken des an dem Mikrospiegel (5) reflektierten Anteils des Detektionslichts (9, 9') aus dem zweiten Strahlengangsabschnitt (19) in den ersten Strahlengangsabschnitt (16), wobei der zweite Abschnitt (12) der optischen Achse mit einer Oberfläche (20) des Substrats (13) und/oder mit einer Oberfläche (39) des Mikrospiegels in einer Neutralstellung einen Eintrittswinkel (21) einschließt, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
2. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1'") nach Anspruch 1, wobei der Eintrittswinkel (21) größer als oder gleich 30 Grad sowie kleiner als oder gleich 50 Grad ist, der erste Abschnitt der optischen Achse parallel zu der Oberfläche (20) des Substrats (13) verläuft und der zweite Abschnitt (12) der optischen Achse das kuppelförmige Fenster (14) senkrecht zu einer Oberfläche (20) des kuppelförmigen Fensters (14) durchtritt.
3. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1"') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit, eingerichtet zum Ansteuern des Mikrospiegels (5) derart, dass das an dem Mikrospiegel (5) reflektierte Abtastlicht (3, 3') während eines Verschwenkens des Mikrospiegels (5) um die mindestens eine Achse sequentiell eine Vielzahl von Objektpunkten im Objektraum (6) erreicht, und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu jedem Objektpunkt der Vielzahl von Objektpunkten einen Abstand zwischen dem jeweiligen Objektpunkt und einem Referenzpunkt auf Grundlage einer relativen Zeitlage des Abtastlichts (3, 3') und des mittels des Photodetektors (8, 8") erfassten Anteils des Detektionslichts (9, 9') zu bestimmen.
4. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1"') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Zeitfilter, der dazu eingerichtet ist, den mittels des Photodetektors (8, 8") erfassten Anteil des Detektionslichts (9, 9') durch zeitliches Gating von Anteilen des Abtastlichts (3, 3') zu trennen.
5. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1"') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen ebenfalls auf dem Substrat (13) angeordneten und von der Laserlichtquelle (2, 2') optisch entkoppelten weiteren Photodetektor (8'), eingerichtet zum Erfassen eines nicht an dem Mikrospiegel (5) reflektierten direkten Anteils des Detektionslichts (9, 9').
6. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1"') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine ebenfalls auf dem Substrat (13) angeordnete weitere Laserlichtquelle (2, 2'), eingerichtet zum Emittieren eines Abtastlichts (3, 3') mit einer von einer Wellenlänge des von der erstgenannten Laserlichtquelle (2, 2') emittierten Abtastlichts (3, 3') verschiedenen Wellenlänge. 28
7. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1'") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikrospiegel (5) um zwei Achsen, vorzugsweise zwei zueinander senkrechte Achsen, verschwenkbar und zum gleichzeitigen resonanten periodischen Verschwenken um jede der beiden Achsen mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz eingerichtet ist.
8. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1'") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserlichtquelle (2, 2') eine VCSEL-Diode ist o- der umfasst und/oder wobei der Photodetektor (8, 8") eine Avalanche- Photodiode ist oder umfasst.
9. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1'") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine über der Laserlichtquelle (2, 2') angeordnete Kompensationsoptik (27), eingerichtet zum Ausgleichen einer durch das kuppelförmige Fenster (14) verursachten Divergenz des Abtastlichts (3, 3').
10. Optische Messvorrichtung (1, 1', 1", 1'") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen über dem Photodetektor (8, 8") angeordneten Sperrfilter (28, 28', 28"), eingerichtet zum Transmittieren eines schmalen Wellenlängenbandes, welches eine Wellenlänge des Detektionslicht (9, 9') umfasst, und zum Blockieren von Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbandes.
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