WO2024088985A1 - Vorrichtung zur messung einer laufzeit eines mess-lichtstrahls, nutzerendgerät, detektions- und beleuchtungsgerät, verfahren zur messung einer laufzeit eines mess-lichtstrahls, computerprogramm und/oder computerlesbares medium und datenverarbeitungsvorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur messung einer laufzeit eines mess-lichtstrahls, nutzerendgerät, detektions- und beleuchtungsgerät, verfahren zur messung einer laufzeit eines mess-lichtstrahls, computerprogramm und/oder computerlesbares medium und datenverarbeitungsvorrichtung Download PDF

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Definitions

  • Device for measuring a transit time of a measuring light beam user terminal, detection and illumination device, method for measuring a transit time of a measuring light beam, computer program and/or computer-readable medium and data processing device
  • the present disclosure relates to a device for measuring a travel time of a measuring light beam, comprising a measuring light source for emitting the measuring light beam, a light sensor for detecting the measuring light beam, a waveguide and a data processing device, wherein the waveguide is designed such that the measuring light beam emitted by the measuring light source is guided to an object located in an object region of the device and the measuring light beam reflected by the object is guided to the light sensor at least partially through the waveguide, wherein the waveguide has a measuring diffraction structure for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam and the measuring light beam travels a wavelength-dependent path length in the waveguide.
  • the present disclosure also relates to a user terminal, a detection and illumination device, a method for measuring a travel time of a measuring light beam, a computer program and/or a computer-readable medium and a data processing device.
  • a waveguide is known from the prior art.
  • WO 2020/157306 A1 discloses a functionalized waveguide for a detector system, wherein the waveguide has a transparent waveguide with a front side and a back side, wherein the waveguide has a partially transparent coupling region and a coupling-out region spaced therefrom in a first direction, wherein the coupling-in region comprises a diffractive structure which deflects only a portion of the radiation coming from an object to be detected and striking the front side in such a way that the deflected portion propagates as coupled-in radiation in the waveguide through reflections to the coupling-out region and strikes the coupling-out region, wherein the coupling-out region deflects at least a portion of the coupled-in radiation striking it in such a way that the deflected portion emerges from the waveguide via the front or back to strike the detector system, wherein the extent of the coupling region in a second direction transverse to the first direction is greater than the extent of the coupling-out region in the
  • the transit time of the measuring light beam and thus the result of the measurement of the transit time and/or a measurement of the distance between the object and the device can be influenced by a wavelength-dependent deflection of the measuring light beam and an associated wavelength-dependent optical path length of the measuring light beam, since the measuring light beam is coupled into and out of the waveguide differently due to the different wavelengths and can thus cover different optical path lengths.
  • the object is to enrich the state of the art and to enable an improved measurement of a travel time of a measuring light beam.
  • An embodiment of the disclosure can solve the problem of achieving a wavelength-independent improvement in the measurement of the distance between the object and the device.
  • a device for measuring a travel time of a measuring light beam comprises a measuring light source for emitting the measuring light beam, a light sensor for detecting the measuring light beam, a waveguide and a data processing device, wherein the waveguide is designed such that the measuring light beam emitted by the measuring light source is guided to an object located in an object region of the device and the measuring light beam reflected by the object is guided to the light sensor at least partially through the waveguide, wherein the waveguide has a measuring diffraction structure for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam and the measuring light beam travels a wavelength-dependent path length in the waveguide, wherein the data processing device is set up to determine an optical path length contribution and/or a runtime contribution for the measuring light beam detected by the light sensor when measuring the runtime, taking into account the wavelength-dependent path length of the measuring light beam within the waveguide.
  • a user terminal comprises the device described above for measuring the transit time of the measuring light beam.
  • the detection and illumination device comprises the device described above for measuring the travel time of the measuring light beam.
  • a method for measuring a travel time of a measuring light beam comprises: guiding the measuring light beam to an object located in an object region and the measuring light beam reflected by the object to a light sensor at least partially through a waveguide with a measuring diffraction structure for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam, wherein the measuring light beam travels a wavelength-dependent path length in the waveguide; and determining an optical path length contribution and/or a travel time contribution for the measuring light beam detected by the light sensor, taking into account the wavelength-dependent path length of the measuring light beam in the waveguide.
  • a computer program and/or computer-readable medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method described above and/or the steps of the method is provided.
  • a data processing device configured to carry out the method described above for measuring a travel time of a measuring light beam.
  • the device for measuring the travel time of the measuring light beam can be set up to determine the travel time of the measuring light beam.
  • the travel time can be a difference between a first point in time at which the measuring light beam is emitted by the light source and a second point in time at which the measuring light beam reflected by the object is detected by the light sensor.
  • the travel time can determine the path covered by the measuring light beam, from which a distance between the device and the object can be deduced.
  • the device for measuring the travel time of the measuring light beam can be similar to the areas of application of a LIDAR sensor in terms of possible areas of application, whereby the device differs from a LIDAR sensor at least in that with a device according to the disclosure it is not absolutely necessary to move or scan a laser beam over the angular range to be observed. Rather, with a device according to the disclosure it can be possible to use the emitted measuring light beam to cover the entire measuring range to be covered without having to move or scan the measuring light beam.
  • a device according to the disclosure may differ from a LIDAR sensor in that a possible range of the measuring range differs from the range of a LIDAR sensor.
  • a measuring range of a device may optionally have a range of approximately 3 m.
  • the device is optionally set up in such a way that the measuring light beam is at least partially guided through the waveguide along an optical path between the object in the object area and the light sensor.
  • the measuring light beam can enter the waveguide, i.e. can be coupled into the waveguide, can travel an optical path within the waveguide and can exit the waveguide, i.e. can be coupled out of the waveguide.
  • the object area can be defined as a detection area or field of view of the device, within which the object can be arranged to measure the time of flight.
  • the measuring light beam can travel a wavelength-dependent path length within the waveguide, since the waveguide has the measuring diffraction structure, which is set up to deflect the measuring light beam depending on the wavelength.
  • the wavelength-dependent deflection of the measuring light beam can mean that the measuring light beam travels different paths within the waveguide depending on the wavelength, since the measuring light beam can be coupled into the waveguide differently depending on the wavelength, ie, in particular deflected by different angles.
  • the data processing device can determine an optical path length contribution of the measuring light beam.
  • the optical path length contribution optionally indicates a wavelength-dependent optical path length within the waveguide of the measuring light beam for a specific wavelength of the measuring light beam, which is caused by the propagation of the measuring light beam with the wavelength through the waveguide. It was recognized that measuring light beams with different wavelengths can cover different optical path lengths within the waveguide.
  • the measuring light beam can cover an optical path within the waveguide that is different to a wavelength-independent optical path without the waveguide. A first part of the measuring light beam and/or a first measuring light beam with a first wavelength can thus be deflected as a result of the wavelength-dependent deflection.
  • the optical path length contribution can therefore be dependent on the wavelength. If the propagation speed of the measuring light beam within the waveguide is known, the travel time contribution can be defined analogously. The travel time contribution can indicate a wavelength-dependent travel time of the measuring light beam within the waveguide for a specific wavelength of the measuring light beam.
  • a first part of the measuring light beam and/or a first measuring light beam with a first wavelength can travel a first optical path with a first travel time due to the wavelength-dependent deflection within the waveguide and a second part of the measuring light beam and/or a second measuring light beam with a second wavelength that is different from the first wavelength can travel a second optical path with a second travel time.
  • the travel time contribution can therefore be dependent on the wavelength.
  • the disclosure offers the advantage that by determining the path length contribution and/or the transit time contribution, it is possible to precisely determine the distance between the object and the device with a polychromatic measuring light beam and/or with measuring light beams with multiple wavelengths and to avoid the wavelength-dependent deflection of the measuring light beam within the waveguide leading to different results of the transit time measurement depending on the wavelength of the measuring light beam. Furthermore, it is possible to be able to use a polychromatic measuring light beam in a targeted manner in order to be able to couple the measuring light beam into the waveguide and/or out of the waveguide at different angles, for example, in order to be able to enlarge a detection range of the device for measuring the transit time.
  • the wavelength-dependent deflection within the waveguide can also make it possible to provide a waveguide that can be at least partially transparent to the human eye, while the measuring light beam can be deflected. This makes it possible to To redirect the light beam in such a way that components for measuring the optical path length, in particular the measuring light source and the light sensor, can be arranged at a location that is not visible to a user.
  • the measuring diffraction structure can be set up for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam in a near-infrared spectral range, NIR range.
  • the wavelength-dependent deflection occurs due to diffraction at the measuring diffraction structure if the measuring light beam satisfies a Bragg condition due to its wavelength and/or its angle of incidence relative to the measuring diffraction structure. Outside the spectral range, the measuring light beam does not satisfy the Bragg condition. This means that no such deflection occurs outside the spectral range through the measuring diffraction structure.
  • the measuring diffraction structure can be transparent outside the spectral range and transmit light outside the spectral range largely without diffraction and/or deflection.
  • the measuring light beam is not visible to the human eye, which increases the user-friendliness of the device, since visible “illumination” of the object by the measuring light beam is unnecessary.
  • the device can reconstruct a display and/or an imaging object using visible light, avoiding crosstalk, i.e. mutual influence, between the visible light and the measuring light beam.
  • the measuring diffraction structure can be configured to redirect the measuring light beam in a spectral range from 700 nm to 940 nm and/or up to 1100 nm depending on the wavelength. This makes it possible to use a cost-effective light sensor.
  • another spectral range is also possible in which the measuring diffraction structure is configured for wavelength-dependent redirection, whereby a different light source, a different light sensor and/or a waveguide made of a different material must be provided for this purpose.
  • the light sensor may have a plurality of pixels and the data processing device may be configured to Image points of a respectively detected part of the measuring light beam to retrieve and/or calculate the optical path length contribution and/or the transit time contribution.
  • the light sensor has the plurality of image points or pixels, wherein the image points are each set up to detect the measuring light beam and/or a part of the measuring light beam.
  • the light sensor has several image points in order to provide an improved detection range of the device for measuring the transit time of the measuring light beam. It was recognized that the wavelength-dependent deflection of the measuring light beam results in spectrally different parts of the measuring light beam, i.e. parts of the measuring light beam and/or measuring light beams with different wavelengths, being coupled out differently from the waveguide in the direction of the light sensor.
  • the wavelength of the measuring light beam is known for a given pixel, from which the optical path length of the measuring light beam can be determined. This results in a path length contribution for different pixels, which results from the different wavelengths of the parts of the measuring light beam that hit the pixels.
  • the optical path length contribution and/or the transit time contribution can correspond to a vertical pixel position and a horizontal pixel position.
  • the light sensor has a plurality of pixels, and a vertical pixel position and/or a horizontal pixel position can be assigned to each pixel.
  • the pixels are arranged according to a matrix.
  • the position of a pixel can be used to determine the wavelength of the measuring light beam.
  • the optical path length contribution can thus be determined according to the pixel position.
  • the detection area or field of view can be resolved using the pixels of the matrix and an optical path length can be assigned to a respective pixel of the matrix.
  • the measuring diffraction structure can be designed to couple the measuring light beam reflected by the object and striking a surface of the waveguide at a first angle of incidence of +/- 20° into the waveguide and/or to couple the measuring light beam reflected by the object and striking the surface of the waveguide at a second angle of incidence of +/- 20° defined perpendicular to the first angle of incidence into the waveguide.
  • the first angle of incidence can define a detection range of the device in a vertical direction.
  • the second angle of incidence can define the detection range of the device in a horizontal direction. It was recognized that the specified ranges of the angles of incidence can be provided particularly effectively with the waveguide and in particular with the measuring diffraction structure for deflecting the measuring light beam in the near-infrared spectral range.
  • the waveguide can also be designed to couple the measuring light beam out of the waveguide with a first exit angle of +/- 20° arranged analogously to the first angle of incidence and/or a second exit angle of +/- 20° arranged analogously to the second angle of incidence.
  • the data processing device can be set up to record distance data relating to the object using an input device and to calibrate the determination of the optical path length and/or the travel time using the distance data. It was recognized that the device can be calibrated in order to be able to carry out a travel time measurement even if, for example, the type of waveguide and/or the measurement diffraction structure is unknown.
  • the optical path length through the waveguide can be calibrated using a measurement of a travel time of the measurement light signal with a known wavelength and a known object distance.
  • the device can have an image light source for emitting a visible image light beam and the waveguide can have an image diffraction structure for wavelength-dependent deflection of the image light beam.
  • the image light source is optionally designed to couple the image light beam into the waveguide so that the image light beam is deflected by the image diffraction structure.
  • the image light beam can be coupled into the waveguide by an optical structure.
  • the deflected image light beam is coupled out of the waveguide in order to reconstruct a virtual or real image in the visible range, i.e. a visually perceptible representation, outside the waveguide.
  • the device can be set up to control the image light source depending on the optical path length and/or the travel time of the measuring light beam. This makes it possible for the image light source to emit image information that is tailored to the object.
  • the object can be a body part of a user whose position is detected relative to the waveguide, and the image can be reconstructed or displayed in coordination with the position in the vicinity of the waveguide.
  • the device can be set up to image a user interface spaced from the waveguide in a second direction and to detect a user input through the user interface based on the travel time of the measuring light beam. It was recognized that the user interface can be imaged using the image light source and the image diffraction structure. The user interface is reconstructed in such a way that the user interface appears to float in an environment of the waveguide at a distance from the waveguide. A user can interact with the user interface, for example by positioning a body part according to the user interface. The position of the user's body part can be detected based on the travel time of the measuring light beam and interpreted as user input.
  • the device can be set up to image an imaging object spaced from the waveguide in a second direction relative to the object.
  • the device in the example can provide an advantageous application in the field of augmented reality (AR).
  • the object can, for example, be a scenery or an environment of the waveguide into which the imaging object is imaged.
  • the imaging object can be imaged as a virtual object in an application in which a user looks through the waveguide.
  • the imaging object can be imaged as a real object in an application in which the user looks through the waveguide at the image light source.
  • the device records the geometry of the object by measuring the travel time of the measuring light beam. The imaging object can thus be imaged with a depth corresponding to the object.
  • the device can be set up to control the image light source dynamically and/or depending on a detected movement of the object. This makes it possible to provide particularly dynamic, i.e. time-dependent, applications in the field of augmented reality.
  • the device can have a mirror and/or a prism for deflecting the measuring light beam emerging from the waveguide and/or for deflecting the measuring light beam reflected by the object.
  • Deflecting the measuring light beam emerging from the waveguide and/or the measuring light beam reflected by the object can be particularly advantageous for providing it to a user terminal, since the possible deflection means that the device can be arranged in a variety of ways or its components can be arranged in a variety of ways.
  • the components of the device with the exception of the waveguide, can advantageously be arranged in a housing of the user terminal so that they are not visible to a user of the user terminal.
  • a user terminal comprises the device described above for measuring the Running time of the measuring light beam.
  • the device of the user terminal can have one or more of the optional technical features described above in order to achieve an associated technical effect.
  • the detection and illumination device comprises the device described above for measuring the travel time of the measuring light beam.
  • the device of the detection and illumination device can have one or more of the optional technical features described above in order to achieve an associated technical effect.
  • a method for measuring a travel time of a measuring light beam comprises: guiding the measuring light beam to an object and the measuring light beam reflected by the object to a light sensor at least partially through a waveguide with a measuring diffraction structure for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam, wherein the measuring light beam travels a wavelength-dependent path length in the waveguide; and determining an optical path length contribution and/or a travel time contribution for the measuring light beam detected by the light sensor, taking into account the wavelength-dependent path length of the measuring light beam in the waveguide.
  • the method can be carried out in particular with the device described above for measuring the transit time of the measuring light beam.
  • the device described above for measuring the transit time of the measuring light beam.
  • the optical path length contribution and/or transit time contribution can be determined depending on a wavelength-dependent number of total reflections within the waveguide and/or a wavelength-dependent deflection angle within the waveguide. It was recognized that the number of total reflections and the deflection angle have an influence on the optical path of a measuring light beam within the waveguide. Taking into account the The number of total reflections within the waveguide and/or the deflection angle allows the optical path length contribution and/or the transit time contribution to be calculated if the geometry of the waveguide is known.
  • the measurement light source and/or the image light source may comprise one or more of the following types of light sources: light-emitting diodes (LEDs), laser diodes, semiconductor lasers, and solid-state lasers.
  • LEDs light-emitting diodes
  • laser diodes semiconductor lasers
  • solid-state lasers solid-state lasers
  • An emission spectrum of the measuring light source can optionally lie in the infrared spectral range. This can offer the advantage that the light emitted by the measuring light source is not visible to the human eye and accordingly the light emitted by the measuring light source is not perceived as disturbing by people.
  • the emission spectrum can lie in a spectral range in which the waveguide is optically transparent.
  • the emission spectrum of the measuring light source can lie in a range from about 780 nm to about 2 pm.
  • the emission spectrum of the measuring light source can lie in a range from about 780 nm to about 1,100 nm. This can offer the advantage that silicon-based detectors can be used to detect the measuring light, such as CMOS sensors and/or CCD arrays.
  • the choice of a suitable detector can be advantageous, such as an AIGaAs-based detector and/or an InGaAs-based detector.
  • the choice of detector can be adapted to the measuring light source and the emission spectrum of the measuring light source.
  • the spectral ranges specified do not mean that the emission spectrum must necessarily cover the entire specified spectral range. Rather, the emission spectrum can cover a small spectral range of the specified spectral range.
  • the measuring light source can have an emission spectrum with a full width at half maximum (FWHM) of 100 nm or less, optionally 50 nm or less and optionally 10 nm or less.
  • FWHM full width at half maximum
  • the measuring light source can be designed to provide an emission spectrum at 1.55 pm and/or in a spectral range around 1.55 pm.
  • This spectral range which is widely used in telecommunications, can offer the advantage that absorption by water, including moisture in the air, can be particularly low and associated losses can be kept low, thereby increasing the range and/or reducing the emission power to be provided.
  • the one or more diffraction structures or holographic structures used can be adapted to the emission spectrum of the measuring light source and/or an emission spectrum of the image light source.
  • the one or more diffraction structures or holographic structures used can be designed to have a particularly high efficiency in the spectral range of the measuring light.
  • the one or more diffraction structures or holographic structures used can be designed to an intended angular range for the coupling and/or decoupling of light from the respective diffraction structures or holographic structures.
  • An emission spectrum of the image light source can optionally be in the visible range, i.e. in a spectral range between 400 nm and 780 nm. This can offer the advantage that image information displayed using light emitted by the image light source can be visible to the human eye.
  • the use of light-emitting diodes as a measuring light source or as part of it can offer the advantage that the measuring light is emitted in a predetermined emission angle range that is greater than zero, instead of a collimated laser beam with an emission angle of almost zero.
  • This allows a large emission angle range to be realized, which can lead to a large field of view (FOV), i.e. a large measuring range.
  • FOV field of view
  • the measuring range or FOV can correspond to an angular range of 15° or more and optionally 50°.
  • a computer program and/or computer-readable medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method described above and/or the steps of the method is provided.
  • a data processing device configured to carry out the method described above for measuring a travel time of a measuring light beam.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for measuring a running time according to an aspect of the disclosure
  • Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus for measuring a running time according to an aspect of the disclosure
  • Fig. 3 is a schematic representation of a waveguide of a time-of-flight measuring device according to an aspect of the disclosure for illustrating a wavelength-dependent optical path length contribution
  • Fig. 4 is a schematic representation of a waveguide of a device for measuring a time of flight according to an aspect of the disclosure for illustrating a wavelength-dependent optical path length contribution
  • Fig. 5 is a schematic representation of a waveguide of a device for measuring a time of flight according to an aspect of the disclosure for illustrating a wavelength-dependent optical path length contribution
  • Fig. 6 is a schematic representation of a deflection curve of a measurement diffraction structure of a waveguide of a device for measuring a transit time according to an aspect of the disclosure
  • Fig. 7 is a schematic representation of a waveguide of a device for measuring a time of flight according to an aspect of the disclosure for illustrating a wavelength-dependent optical path length contribution
  • Fig. 8 is a schematic representation of a dependence of a wavelength on a first angle of incidence and on a second angle of incidence of a measuring diffraction structure of a waveguide of a device for measuring a transit time according to an aspect of the disclosure
  • Fig. 9 is a schematic representation of a dependence of an optical path length contribution on a first angle of incidence and on a second angle of incidence of a waveguide of a device for measuring a transit time according to an aspect of the disclosure
  • Fig. 10 is a schematic representation of a deflection efficiency of a light beam deflected by a measuring diffraction structure
  • Fig. 11 is a schematic representation of an apparatus for measuring a transit time according to an aspect of the disclosure.
  • Fig. 12 is a schematic representation of a device for measuring a running time according to an aspect of the disclosure.
  • Fig. 13 is a flow chart of a method for measuring a runtime according to an aspect of the disclosure.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure.
  • the device 10 is designed to measure the time of flight 92 of a measuring light beam 80.
  • the device 10 comprises a measuring light source 20 for emitting the measuring light beam 80, a light sensor 30 for detecting the measuring light beam 80, a waveguide 50 and a data processing device 90.
  • the measuring light source 20 is designed to emit the measuring light beam 80.
  • the measuring light beam 80 emitted by the measuring light source 20 comprises light in a near-infrared spectral range, NIR range, S and has a wavelength L in the range from 700 nm to 940 nm.
  • the measuring light source 20 comprises, for example, a light-emitting diode (LED) and emits the measuring light beam 80 as polychromatic light with a plurality of wavelengths within the NIR range S.
  • LED light-emitting diode
  • the measuring light source 20 is connected to the data processing device 90 for communication purposes in order to be controlled by the data processing device 90.
  • the data processing device 90 can thus coordinate the sending or emission of the measuring light beam 80 in particular in terms of time and/or detect a first point in time of the emission of the measuring light beam 80 by the measuring light source 20.
  • the device 10 has an imaging device 21 which is designed to direct the measuring light beam 80 in the direction of the waveguide 50.
  • the imaging device 21 comprises, for example, a prism, a mirror and/or a lens.
  • the measuring light beam 80 is coupled into the waveguide 50 in a transmission coupling region 55 of the waveguide 50 and propagates through the waveguide 50 as a measuring light beam 81 coupled into the waveguide 50.
  • the coupled measuring light beam 81 is reflected within the waveguide 50. In particular, a total reflection 57 of the coupled measuring light beam 81 takes place.
  • the waveguide 50 has the following geometry 56 in the following exemplary embodiments: height 266 mm (extension along the first direction R1 ), thickness 1.2 mm (extension along a second direction R2, perpendicular to the first direction R1 ), width 150 mm (extension along a schematically illustrated by a cross, third direction R3, perpendicular to the first direction R1 and perpendicular to the second direction R2).
  • the waveguide 50 can be made, for example, from a glass, in particular a borosilicate glass, and have a refractive index N1 in the range from 1.45 to 1.5 that is only weakly dependent on the wavelength L in the spectral range S.
  • the measuring light beam 81 coupled into the waveguide 50 propagates in particular in the first direction R1 through the waveguide 50 and strikes a measuring diffraction structure 51 in a transmission coupling-out region 60.
  • the measuring diffraction structure 51 of the transmission coupling-out region 60 is designed to deflect the coupled measuring light beam 81 depending on the wavelength L of the measuring light beam 81 by a deflection angle 58 resulting from the wavelength L. This makes it possible to avoid further total reflection 57 of the measuring light beam 81 at the boundary layer between the waveguide 50 and an environment 59 of the waveguide 50, and the measuring light beam 81 can be coupled out of the waveguide 50 and propagate as a measuring light beam 82 coupled out of the waveguide 50 in the environment 59 of the waveguide 50.
  • An object 15, illustrated schematically as a circle in Figure 1, is arranged in the surroundings 59 of the waveguide 50.
  • the object 15 has a geometry such that the object 15 has sections that are at different distances from the waveguide 50.
  • the object 15 is arranged in an object region 16.
  • the object region can be arranged in a detection area (field of view) of the device 10.
  • the object region 16 is a section of the surroundings of the waveguide 50 that is arranged outside the waveguide 50.
  • the device 10 is set up to emit the measuring light beam 82 into the object region 16.
  • the coupled-out measuring light beam 82 can thus reach the object 15 and be reflected by the object 15 in the direction of the waveguide 50 for measuring the travel time 92.
  • the coupled-out measuring light beam 82 is reflected at the object and propagates as a measuring light beam 85 reflected from the object 15 in the direction of the waveguide 50.
  • the propagation of the decoupled measuring light beam 82 and the reflected measuring light beam 85 are very different from each other for better representation.
  • the measuring light beam 85 reflected by the object 15 strikes a measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 65 in a sensor coupling region 65 of the waveguide 50 as a measuring light beam 86 coupled into the sensor coupling region 65.
  • the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 65 is designed to deflect the coupled measuring light beam 86 depending on the wavelength L of the measuring light beam 86. This ensures that the measuring light beam 86 is deflected in the waveguide 50 in such a way that the measuring light beam 86 propagates in the first direction R1 through the waveguide 50 and thereby propagates through a plurality of total reflections 57 to a sensor coupling-out region 70.
  • the measuring diffraction structures 51, 52 are designed for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam 81, 86 with a wavelength L in the NIR range S.
  • the wavelength L of the measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86 designates the wavelength L that can be determined in a vacuum or in air and/or the wavelength L of the measuring light beam 80 as emitted by the measuring light source 20.
  • the measuring light beam 81, 86 has a wavelength L that is influenced by the refractive index N1 of the waveguide 50.
  • the measuring light beam 86 is coupled out of the waveguide 50 in such a way that the measuring light beam 80 is directed in the direction of the light sensor 30.
  • the device 10 comprises an imaging device 31 arranged between the waveguide 50 and the light sensor 30.
  • the imaging device 31 comprises, for example, a prism, a mirror and/or a lens.
  • the measuring light beam 80, 81, 85 propagating from the measuring light source 20 to the object 15 is shown with a solid line and the measuring light beam 80, 85, 86 reflected by the object 15 and propagating to the light sensor 30 is shown by a dashed line.
  • the measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86 covers an optical path length 91 with a travel time 92.
  • the optical path length 91 and the travel time 92 depend on the geometry 56 of the waveguide 50, the refractive index N1 of the waveguide 50 and the wavelength-dependent deflection of the measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86 by the measuring diffraction structures 51, 52 included in the waveguide 50.
  • the deflection with different deflection angles 58 for each wavelength L by the measuring diffraction structures 51, 52 results in different optical paths through the waveguide 50 and thus a potentially different number of total reflections 57 within the waveguide 50 for each wavelength L.
  • the path length contribution 93 is the contribution caused by the waveguide 50 to the total optical path length 91 traveled by the measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86.
  • the transit time contribution 94 is the contribution caused by the waveguide 50 to the total transit time 92 of the measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86 required by the measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86 and measured by the device 10.
  • the waveguide 50 is arranged such that the measuring light beam 80 emitted by the measuring light source 20 is guided to the object 15 and the measuring light beam 85 reflected by the object 15 is guided to the light sensor 30 at least partially through the waveguide 50, wherein the waveguide 50 has the measuring diffraction structures 51, 52 for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam 81, 86 and the reflected measuring light beam 86 covers the wavelength-dependent path length 91 in the waveguide 50.
  • the light sensor 30 is communicatively connected to the data processing device 90 in order to transmit information concerning detection of the measuring light beam 80 to the data processing device 90. This enables the data processing device 90 to determine a second time of
  • the transit time 92 of the measuring light beam 80 can be determined by the data processing device 60 as the difference between the first time of emission of the measuring light beam 80 by the measuring light source 20 and the second time of detection of the measuring light beam 80 by the light sensor 30.
  • the data processing device 90 is set up to determine an optical path length contribution 93 and/or a travel time contribution 94 for the measuring light beam 80 detected by the light sensor 30 when measuring the travel time 92, taking into account the wavelength-dependent path length 91 of the emitted and reflected measuring light beam 86 in the waveguide 50.
  • the distance between the object 15 and the device 10 can be determined precisely using the path length contribution 93 and/or the travel time contribution 94.
  • the light sensor 30 comprises a pixel matrix with a plurality of pixels 32.
  • Figure 1 schematically shows a row, i.e. a one-dimensional arrangement of pixels 32.
  • the pixels 32 of the light sensor 30 are also arranged in a direction perpendicular to the image plane of Figure 1 and thus form a two-dimensional arrangement of pixels 32.
  • the pixels 32 are arranged at a specific position relative to the waveguide 50.
  • the positions of the pixels 32 are each defined by a vertical pixel position vp, indicated schematically by an arrow, and a horizontal pixel position hp, indicated schematically by a cross and extending into the image plane.
  • the image points 32 are each set up to detect the measuring light beam 80. As described with reference to Figures 3 to 9, a wavelength L of the measuring light beam 80 can be assigned to each of the image points 32. In other words, different image points 32 detect different parts of the measuring light beam 80 with different wavelengths L, which are within the waveguide 50 different optical paths 91 and have different travel times 92. This means that an optical path length contribution 93 and/or travel time contribution 94 can be assigned to the image points 32 or pixel positions vp, hp.
  • an optical path length contribution 93 and/or travel time contribution 94 may be assigned to the image points 32 or their vertical pixel positions vp, while each horizontal angle of the detection area propagates through the waveguide 50 at a different horizontal angle due to refraction.
  • a different optical path length is given for different horizontal angles and thus horizontal pixel positions hp, whereby each image point 32 can be assigned a horizontal angle of incidence and thus a horizontal propagation angle in the waveguide 50.
  • the data processing device 90 is set up to retrieve the optical path length contribution 93 and/or runtime contribution 94 for the image points 32 of a respectively detected part of the measuring light beam 80.
  • the data processing device 90 has a memory 95 in which an optical path length contribution 93 and/or a runtime contribution 94 is stored for each wavelength L, i.e. for the part of the measuring light beam 80.
  • the pixel position vp, hp at which the measuring light beam 80 is detected can be detected by the light sensor 30 and transmitted to the data processing device 90.
  • the data processing device 90 retrieves the path length contribution 93 and/or runtime contribution 94 corresponding to the pixel position vp, hp from the memory 96 or a look-up table as illustrated by way of example in Figure 9.
  • the data processing device 90 is designed to calculate the optical path length contribution 93 and/or runtime contribution 94 for the image points 32 of a respectively detected part of the measuring light beam 80.
  • the data processing device 90 has a processor 96.
  • the geometry 56 of the waveguide 50 and the refractive index N1 of the waveguide 50 are known.
  • the optical path length contribution 93 and/or The delay contribution 94 can be calculated depending on the number of total reflections 57 within the waveguide 50 and/or the wavelength-dependent deflection angle 58.
  • the optical path length contribution 93 and/or the travel time contribution 94 corresponds to the vertical pixel position vp and the horizontal pixel position hp.
  • the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 60 is designed to couple the measuring light beam 86 reflected by the object 15 and striking a surface 66 of the waveguide 50 at a first angle of incidence A1 of +/- 20° into the waveguide 50 and to couple the measuring light beam 86 reflected by the object 15 and striking the surface 66 of the waveguide 50 at a second angle of incidence A2 of +/- 20° into the waveguide 50.
  • the first angle of incidence A1 is defined in a plane spanned by the first direction R1 and the second direction R2 between a direction of the measuring light beam 86 and a normal vector (not shown) of the surface 66.
  • the second angle of incidence A2 is defined in a plane spanned by the second direction R2 and the third direction R3 between a direction of the measuring light beam 86 and a normal vector (not shown) of the surface 66.
  • the device 10 has an input device 97.
  • the input device 97 The input device
  • the data processing device 90 is set up to determine the optical path length 91 and/or the travel time 92 based on the distance data
  • the path length contribution 93 and/or the transit time contribution 94 can be determined, in particular relatively. This allows the measurement of the distance between the object 15 and the device 10 to be calibrated.
  • the device 10 can be connected to such an input device 97.
  • the device 10 has a mirror and/or a prism for deflecting the measuring light beam 82 emerging from the waveguide 50 and/or for deflecting the measuring light beam 85 reflected by the object 15.
  • the measuring diffraction structure 51 of the transmitting coupling-out region 60 and the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling-in region 65 are arranged to overlap in the first direction R1.
  • the measuring diffraction structure 51 of the transmitting coupling-out region 60 and the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling-in region 65 can be arranged to partially overlap or not overlap or disjointly in the first direction R1.
  • the measurement diffraction structures 51, 52 comprised by the waveguide 50 are, for example, reflective volume holograms, transmittive volume holograms, surface holograms, and/or relief gratings as described in WO 2020/157306 A1.
  • the arrangement of the measurement diffraction structures 51, 52 can depend on a type of measurement diffraction structures 51, 52.
  • a reflective measurement diffraction structure 51, 52 can be arranged in a section of the waveguide 50 facing away from the object 15 and/or a transmittive measurement diffraction structure 51, 52 can be arranged in a section of the waveguide 50 facing the object 15.
  • the measuring diffraction structures 51, 52 of the transmission coupling-out region 60 and/or the sensor coupling-in region 65 or the sensor coupling-in region 65 and/or the transmission coupling-out region 60 can be designed such that they do not provide an optical imaging function in addition to the deflection.
  • the measuring diffraction structures 51, 52 or the sensor coupling region 65 and/or the transmitting coupling region 60 provide an optical imaging function in addition to the deflection and thus provide an optical imaging.
  • the optical imaging function can implement the function of a converging lens or diverging lens, a concave or convex mirror, whereby the curved surfaces (centered or decentered) can be spherically curved or aspherically curved surfaces.
  • the properties of the waveguide 50 can thus be adapted in order to be able to arrange an image plane or focal plane in the object region 16, for example.
  • the waveguide 50 has only one of the measuring diffraction structures 51, 52 in order to achieve a more cost-effective and/or simpler construction of the device 10.
  • a beam splitter can be provided.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure.
  • the device 10 of Figure 2 is described with reference to the device 10 of Figure 1. The differences between the devices 10 according to Figures 1 and 2 are described.
  • the waveguide 50 of the device 10 according to Figure 2 has a measuring diffraction structure 53 in the transmission coupling region 55.
  • the waveguide 50 also has a measuring diffraction structure 54 in the sensor coupling region 70.
  • the device 10 can have one of the two measuring diffraction structures 53, 54 mentioned, i.e. either the measuring diffraction structure 53 of the transmission coupling region 55 or the measuring diffraction structure 54 of the sensor coupling region 70.
  • the measuring Diffraction structure 53 of the transmission coupling region 55 and the sensor coupling region 70 are set up for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam 81, 86 with a wavelength L in the NIR range S.
  • the measuring diffraction structure 53 of the transmission coupling region 55 and the measuring diffraction structure 51 of the transmission coupling region 70 can be set up in such a way to bring about a similar wavelength-dependent deflection.
  • the measuring diffraction structure 54 of the sensor coupling region 70 and the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 65 can be set up in such a way to bring about a similar wavelength-dependent deflection.
  • a measuring light beam 80, 85 to be coupled in and a measuring light beam 80, 82 coupled out can experience a deflection through the measuring diffraction structure 51, 52, 53, 54 that is similar to one another.
  • Figure 2 shows the deflection through the measuring diffraction structure 51, 52, 53, 54 purely schematically.
  • the deflection angles 58 are not illustrated to scale.
  • the deflection angle of the measuring diffraction structure 53 of the transmission coupling area 55 is not drawn to scale and can be larger than shown in order to achieve total reflection of the coupled measuring light beam 81.
  • the measuring diffraction structure 53 of the transmit coupling region 55 and the measuring diffraction structure 54 of the sensor coupling region 70 are arranged to overlap in the first direction R1.
  • the measuring diffraction structure 53 of the transmit coupling region 55 and the measuring diffraction structure 54 of the sensor coupling region 70 can be arranged to partially overlap or not overlap or disjointly in the first direction R1.
  • the measuring diffraction structures 53, 54 of the transmission coupling region 55 and/or the sensor decoupling region 70 or the transmission coupling region 55 and/or the sensor decoupling region 70 can be designed in such a way that they do not have an optical imaging function in addition to the deflection.
  • the measuring diffraction structures 53, 54 or the transmission coupling region 55 and/or the sensor decoupling region 70 In addition to deflection, they provide an optical imaging function and thus produce an optical image.
  • the optical imaging function can implement the function of a converging lens or diverging lens, a concave or convex mirror, whereby the curved surfaces (centered or decentered) can be spherically curved or aspherically curved surfaces.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure for representing a wavelength-dependent optical path length contribution 93.
  • Figure 3 shows a simplified representation of the waveguide 50 of Figure 2.
  • Figure 3 shows the waveguide 50 with the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 65 and the measuring
  • Diffraction structure 54 of the sensor coupling area 70 The measuring diffraction structure 53 of the transmitting coupling area 55 and the measuring
  • Diffraction structure 51 of the transmission coupling-out region 60 are not shown in Figure 3.
  • the parts of the measuring light beam 80, 85, 86 illustrated schematically in Figure 3 show the measuring light beam 85 reflected by the object 15 (not shown), the measuring light beam 86 coupled into the waveguide 50 in the sensor coupling region 65 and the measuring light beam 80 coupled out of the waveguide 50 into the sensor coupling-out region 70.
  • Figure 3 illustrates three different parts of the measuring light beam 80, 85, 86, each with different wavelengths L within the NIR range S.
  • the parts of the measuring light beam 80, 85, 86 with the different wavelengths L are shown with different line types.
  • One part of the measuring light beam 80, 85, 86 is shown with arrows with a solid line, with a dotted line and with a dashed line.
  • the measuring light beam 85 strikes the surface 66 of the waveguide 50 at a first angle of incidence A1, as described with reference to Figure 1, and is coupled into the waveguide 50 depending on the wavelength L.
  • the parts of the measuring light beam 85 are deflected by the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 65.
  • the deflection takes place in such a way that the different parts of the measuring light beam 85, 86 have different deflection angles 58 and travel different optical paths within the waveguide 50 with correspondingly different optical path lengths 91 and different travel times 92, thus leading to different path length contributions 93 and/or travel time contributions 94.
  • the measuring light beam 86 propagates through the waveguide 50 and strikes the measuring diffraction structure 54 of the sensor coupling-out region 70, where it is deflected according to the respective wavelength L of the respective part of the measuring light beam 86 and coupled out of the waveguide 50.
  • the coupled-out measuring light beam 80 is directed in the direction of the light sensor 30 (not shown in Figure 3).
  • the different parts of the measuring light beam 80 are directed to image points 32 (not shown in Figure 3) with different vertical pixel positions vp, as shown schematically in Figure 3.
  • the different parts of the measuring light beam 80, 85, 86 are thus detected by different image points 32 of the light sensor 30 depending on the wavelength L.
  • the different pixels 32 of the light sensor 30 can be assigned an optical path and thus an optical path length 91 and a travel time 92 of the measuring light beam 80, 85, 86.
  • FIG 4 shows a schematic representation of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure for representing a wavelength-dependent optical path length contribution 93.
  • Figure 4 shows the waveguide 50 of the device 10 as described with reference to Figures 2 and 3.
  • Figure 4 shows a different perspective of the waveguide 50.
  • the measuring light beam 85 strikes the surface 66 of the waveguide 50 at a second angle of incidence A2 as described with reference to Figure 1 and is coupled into the waveguide 50 depending on the wavelength L.
  • the measuring light beam 80, 85, 86 is deflected by the measuring diffraction structure 52, 54 according to the wavelength L as described with reference to Figure 3.
  • the horizontal component of the deflection preferably has no or only a slight wavelength dependence, but is essentially determined by the refraction of the light beam when entering the waveguide 50 through an entry angle. This is advantageously due to the design of the measuring diffraction structure 52, 54 and in particular to its grating vector.
  • each part of the measuring light beam 80, 85, 86 is coupled out of the waveguide 50 in the sensor coupling-out region 70 by the measuring diffraction structure 54 and, depending on the entry angle, strikes an image point 32 that can be assigned to the entry angle and has a horizontal pixel position hp assigned to the entry angle.
  • the measuring diffraction structure 52 of the sensor coupling region 65 has a height of 16 mm, a width of 150 mm and a thickness of 100 /z m.
  • the measuring diffraction structure 54 of the sensor coupling region 70 has a height of 16 mm, a width of 16 mm and a thickness of 100 /z m.
  • Figure 5 shows a schematic representation of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure for representing a wavelength-dependent optical path length contribution 93.
  • Figure 5 shows the waveguide 50 of the device 10 as described with reference to Figures 2 to 4.
  • Figure 5 shows a further perspective of the waveguide 50, with only the measuring light beam 86 within the waveguide 50 being illustrated.
  • the waveform of the measuring light beam 86 shows that the measuring light beam 86 passes through the waveguide 50 with a number of total reflections 57 from the measuring diffraction structure 52 of the sensor
  • Figure 6 shows a schematic representation of a deflection curve 200 of a measurement diffraction structure 51, 52, 53, 54 of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure.
  • Figure 6 shows a relationship between a deflection angle 58 and the wavelength L for the measurement diffraction structures 51, 52, 53, 54 shown with reference to Figures 1 to 5. It can be seen that with increasing wavelength L in the spectral range S, coupling occurs at a monotonically decreasing deflection angle 58, the deflection angle 58 being approximately +20° at a wavelength L of 720 nm and approximately -20° at a wavelength L of 950 nm.
  • Figure 7 shows a schematic representation of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure for representing a wavelength-dependent optical path length contribution 93.
  • Figure 7 is described with reference to Figure 3 and its description.
  • the coupling and decoupling structures i.e. the measuring diffraction structures 52, 54 of the sensor coupling region 65 and the sensor decoupling region 70, are designed such that the incident angles A1, A2 are coupled out of the waveguide 50 unchanged, i.e. the measuring light beam 80, 85, 86 experiences a deflection by the same deflection angle 58 for each wavelength L when coupling in and when coupling out.
  • Both measuring diffraction structures 52, 54 therefore have the same optical function and can be manufactured in the same way to one another.
  • the different angles of incidence and the dispersion of the waveguide material result in different propagation angles and optical path lengths within the waveguide 50.
  • the measuring light beam 80, 85, 86 is deflected by the measuring diffraction structures 52, 54 as described with reference to Figure 6.
  • a measuring light beam 80, 85, 86 at an angle of incidence A1 of -20° is coupled in with a wavelength L of 951 nm and, according to the geometry 56 of the waveguide 50 and the measuring diffraction structures 52, 54 in the waveguide 50 described with reference to Figures 1 and 5, has an optical path length contribution 93 of 477.4 mm due to the propagation through the waveguide 50.
  • a measuring light beam 80, 85, 86 at an angle of incidence A1 of 0° is coupled in with a wavelength L of 861 nm and has an optical path length contribution 93 of 411.6 mm.
  • a measuring light beam 80, 85, 86 at an angle of incidence A1 of +20° is coupled in with a wavelength L of 725 nm and has an optical path length contribution 93 of 365.9 mm.
  • Figure 8 shows a schematic representation of an optional dependence of a wavelength L on a first angle of incidence A1 and on a second angle of incidence A2 of a measuring diffraction structure 51, 52, 53, 54 of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to one aspect of the disclosure.
  • Figure 8 shows the generalization of the deflection curve 200 according to Figure 6 relating to two angles of incidence A1, A2.
  • Figure 8 illustrates at which angles of incidence A1, A2 which wavelength L can be coupled into and/or out of the waveguide 50 with one of the measuring diffraction structures 51, 52, 53, 54.
  • the first angle of incidence A1 is an angle between a normal of the surface 66 of the waveguide 50 and a direction of the measuring light beam 80, 81, 86 in or projected into a plane spanned by the first direction R1 and the second direction R2.
  • the second angle of incidence A2 is an angle between a normal of the surface 66 of the waveguide 50 and a direction of the measuring light beam 80, 81, 86 in or projected into a plane spanned by the second direction R2 and the third direction R3 (see Figures 1 to 7).
  • Figure 9 shows a schematic representation of an optional dependence of an optical path length contribution 93 on a first angle of incidence A1 and on a second angle of incidence A2 of a waveguide 50 of a device 10 for measuring a transit time 92 according to one aspect of the disclosure.
  • the optical path length contribution 93 can be deduced from the angles of incidence A1, A2.
  • the wavelength L can also be deduced from the angles of incidence A1, A2.
  • the angles of incidence A1, A2, the optical path length contribution 93 and the wavelength L are therefore in a relationship to one another that is predetermined by the geometry of the waveguide 50 and the nature of the measuring diffraction structures 51, 52, 53, 54.
  • the information according to Figure 9 can be stored in a memory 96 of a device according to Figures 1 to 7 so that it can be retrieved.
  • Figure 9 can thus serve as a look-up table, wherein the wavelength L of the measuring light beam 80 can be determined by the horizontal pixel position hp and the vertical pixel position vp as described with reference to Figures 1, 3 and 4.
  • the path length distribution caused by the waveguide 50 i.e. the distribution of the path length contributions 93, is subtracted from the distance distribution determined by the time of flight measurement for the distance between the object 15 and the device 10 in order to obtain a corrected measurement result for the distance distribution.
  • Figure 10 shows a schematic representation of a deflection efficiency I of a measuring light beam 80, 81, 82, 85, 86 deflected by a measuring diffraction structure 51, 52, 53, 54.
  • a measuring diffraction structure 51, 52, 53, 54 is one of the measuring diffraction structures 51, 52, 53, 54 described with reference to the preceding figures.
  • the upper graph of Figure 10 shows the deflection efficiency I as a function of the deflection angle 58 and the wavelength L in the spectral range S.
  • the deflection efficiency I can be adjusted comparatively precisely by a certain Deflection angle 58 is localized and with increasing wavelength L the localization decreases by the deflection angle 58 corresponding to the wavelength L.
  • This is also shown in the lower graph of Figure 10. Therein, curves for different wavelengths L are shown, wherein a low wavelength L causes an essentially unimodal and localized angular distribution around a deflection angle 58, while the angular distribution around a respective deflection angle 58 is less localized at larger wavelengths L.
  • the measurement diffraction structure 51, 52, 53, 54 can be produced by appropriate exposure of the waveguide 50.
  • the deflection efficiency I and thus the object area 16 or the field of view (FOV) can be adjusted.
  • the angular selectivity can be improved according to the requirements, so that a narrower band spectrum is coupled out at a particular angle and thus a runtime uncertainty is reduced.
  • Figure 11 shows a schematic representation of a device 10 for measuring a transit time 92 according to an optional aspect of the disclosure.
  • the device 10 has an image light source 22 for emitting a visible image light beam 23.
  • the image light source 22 comprises, for example, a matrix of light-emitting diodes and/or an LC display.
  • the waveguide 50 has an image diffraction structure 77 for deflecting the image light beam 23 depending on the wavelength. This is used to image or reconstruct a user interface 87 spaced apart from the waveguide 50 in the second direction R2, as described in WO 2020/157306 A1 with reference to the lighting and projection system.
  • the image light source 22 can be arranged such that the image light source 22 and the image diffraction structure 77 are spaced apart from one another in the first direction R1. This allows a wavelength-dependent transparency of the device 10 in the region of the image diffraction structure 77 and/or a more diverse arrangement of the components of the device 10 can be achieved.
  • the data processing device 90 is set up to detect a user input 24 through the user interface 87 based on the travel time 92 of the measuring light beam 80.
  • the object 15 whose distance from the device 10 is to be determined is, for example, a body part of a user.
  • the user moves the object 15 in order to interact with the user interface 87.
  • the device 10 is set up to control the image light source 22 depending on the optical path length 91 and/or the travel time 92 of the measuring light beam 80, i.e. the distance between the object 15 and the device 10.
  • the embodiment of the device 10 shown in Figure 11 can be used in particular for a user terminal 210 and is thereby included in the user terminal 210.
  • the user terminal 210 is, for example, a smartphone, a particularly portable computer and/or a device on a motor vehicle. This makes it possible in particular to implement gesture monitoring and/or a motion detector.
  • the arrangement of the image diffraction structure 77 and optionally an additional deflection function of the image diffraction structure 77 enables the light to be directed to an area of the user terminal 210 that is not visible to a user.
  • Figure 12 shows a schematic representation of a device 10 for measuring a transit time 91 according to an optional aspect of the disclosure.
  • Figure 12 reference is made to the description of the previous figures.
  • the device 10 is designed to virtually image an imaging object 88 spaced apart from the waveguide 50 in a second direction R2 relative to the object 15. This allows a user to look through the waveguide 50 and sees the imaging object 88 arranged relative to the object 15.
  • the image light source 22 and the image diffraction structure 77 are arranged at a distance from one another in the first direction R1.
  • the device 10 is designed to control the image light source 22 dynamically and/or depending on a detected movement of the object 15.
  • the embodiment shown in Figure 12 is particularly applicable to a detection and illumination device 220 and is thereby dependent on the detection and illumination device.
  • Figure 13 shows a flow chart of an optional method 100 for measuring a runtime 92 according to one aspect of the disclosure.
  • the method 100 can be carried out using one of the devices 10 for measuring the runtime 92 described in the preceding figures.
  • the method 100 is a method 100 for measuring the travel time 92 of a measuring light beam 80.
  • the method 100 comprises: guiding 110 the measuring light beam 80 to an object 15 located in an object region 16 of the device 10 and the measuring light beam 85 reflected by the object 15 to a light sensor 30 at least partially through a waveguide 50 with a measuring diffraction structure 51, 52 for wavelength-dependent deflection of the measuring light beam 81, 86, wherein the measuring light beam 86 covers a wavelength-dependent path length 91 in the waveguide 50.
  • An optical path length contribution 93 and/or a transit time contribution 94 for the measuring light beam 80 detected by the light sensor 30 is determined 120, taking into account the wavelength-dependent path length 91 of the measuring light beam 86 in the waveguide 50.

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Abstract

Vorrichtung (10) zur Messung einer Laufzeit (92) eines Mess-Lichtstrahls (80), umfassend eine Mess-Lichtquelle (20) zum Emittieren des Mess-Lichtstrahls (80), einen Lichtsensor (30) zum Detektieren des Mess-Lichtstrahls (80), einen Wellenleiter (50) und eine Datenverarbeitungsvorrichtung (90), wobei der Wellenleiter (50) derart ausgebildet ist, dass der von der Mess-Lichtquelle (20) emittierte Mess-Lichtstrahl (80) zu einem Objekt (15) in einem Objektbereich (16) der Vorrichtung (10) und der von dem Objekt (15) reflektierte Mess-Lichtstrahl (85) zu dem Lichtsensor (30) wenigstens teilweise durch den Wellenleiter (50) geleitet wird, wobei der Wellenleiter (50) eine Mess-Diffraktionsstruktur (51, 52) zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahl (81, 86) aufweist und der Mess-Lichtstrahl (86) in dem Wellenleiter (50) eine wellenlängenabhängige Weglänge (91) zurücklegt, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (90) dazu eingerichtet ist, bei der Messung der Laufzeit (92) einen optischen Weglängenbeitrag (93) und/oder einen Laufzeitbeitrag (94) für den von dem Lichtsensor (30) detektierten Mess-Lichtstrahl (80) unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge (91) des Mess-Lichtstrahls (86) innerhalb des Wellenleiters (50) zu ermitteln.

Description

Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls, Nutzerendgerät, Detektions- und Beleuchtungsgerät, Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls, Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium und Datenverarbeitungsvorrichtung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls, umfassend eine Mess-Lichtquelle zum Emittieren des Mess-Lichtstrahls, einen Lichtsensor zum Detektieren des Mess-Lichtstrahls, einen Wellenleiter und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei der Wellenleiter derart ausgebildet ist, dass der von der Mess-Lichtquelle emittierte Mess-Lichtstrahl zu einem in einem Objektbereich der Vorrichtung befindlichen Objekt und der von dem Objekt reflektierte Mess-Lichtstrahl zu dem Lichtsensor wenigstens teilweise durch den Wellenleiter geleitet wird, wobei der Wellenleiter eine Mess-Diffraktionsstruktur zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahl aufweist und der Mess-Lichtstrahl in dem Wellenleiter eine wellenlängenabhängige Weglänge zurücklegt. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Nutzerendgerät, ein Detektions- und Beleuchtungsgerät, ein Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls, ein Computerprogramm und/oder ein computerlesbares Medium und eine Datenverarbeitungsvorrichtung.
Ein Wellenleiter ist aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart WO 2020/157306 A1 einen funktionalisierten Wellenleiter für ein Detektorsystem, wobei der Wellenleiter einen transparenten Wellenleiter mit einer Vorderseite und einer Rückseite aufweist, wobei der Wellenleiter einen teil-transparenten Einkoppelbereich und einen davon in einer ersten Richtung beabstandeten Auskoppelbereich aufweist, wobei der Einkoppelbereich eine diffraktive Struktur umfasst, die von einem zu detektierenden Objekt kommende und auf die Vorderseite treffende Strahlung nur einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil als eingekoppelte Strahlung im Wellenleiter durch Reflexionen bis zum Auskoppelbereich propagiert und auf den Auskoppelbereich trifft, wobei der Auskoppelbereich von der auf ihn treffenden eingekoppelten Strahlung mindestens einen Teil so umlenkt, dass der umgelenkte Teil aus dem Wellenleiter über die Vorderseite oder Rückseite austritt, um auf das Detektorsystem zu treffen, wobei die Ausdehnung des Einkoppelbereichs in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung größer ist als die Ausdehnung des Auskoppelbereiches in der zweiten Richtung.
Vorrichtungen zur Messung der Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Laufzeit des Mess-Lichtstrahls und damit das Ergebnis der Messung der Laufzeit und/oder einer Messung der Entfernung zwischen dem Objekt und der Vorrichtung können durch eine wellenlängenabhängige Umlenkung des Mess- Lichtstrahls und einer damit verbundenen wellenlängenabhängigen optischen Weglänge des Mess-Lichtstrahls beeinflusst werden, da der Mess-Lichtstrahl aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich in den Wellenleiter eingekoppelt und aus den Wellenleiter ausgekoppelt wird und so unterschiedliche optische Weglängen zurücklegen kann.
Es ist die Aufgabe, den Stand der Technik zu bereichern und eine verbesserte Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls zu ermöglichen. Eine Ausgestaltung der Offenbarung kann die Aufgabe lösen, eine wellenlängenunabhängige Verbesserung der Messung der Entfernung zwischen dem Objekt und der Vorrichtung zu erzielen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Optionale Weiterbildungen der Offenbarung sind durchabhängige Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Mess- Lichtquelle zum Emittieren des Mess-Lichtstrahls, einen Lichtsensor zum Detektieren des Mess-Lichtstrahls, einen Wellenleiter und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei der Wellenleiter derart ausgebildet ist, dass der von der Mess-Lichtquelle emittierte Mess-Lichtstrahl zu einem in einem Objektbereich der Vorrichtung befindlichen Objekt und der von dem Objekt reflektierte Mess-Lichtstrahl zu dem Lichtsensor wenigstens teilweise durch den Wellenleiter geleitet wird, wobei der Wellenleiter eine Mess-Diffraktionsstruktur zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahl aufweist und der Mess- Lichtstrahl in dem Wellenleiter eine wellenlängenabhängige Weglänge zurücklegt, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, bei der Messung der Laufzeit einen optischen Weglängenbeitrag und/oder einen Laufzeitbeitrag für den von dem Lichtsensor detektierten Mess-Lichtstrahl unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge des Mess-Lichtstrahls innerhalb des Wellenleiters zu ermitteln.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Nutzerendgeräte bereitgestellt. Das Nutzerendgeräte umfasst die oben beschriebene Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Detektions- und
Beleuchtungsgerät bereitgestellt. Das Detektions- und Beleuchtungsgerät umfasst die oben beschriebene Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess- Lichtstrahls.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren auf: Leiten des Mess-Lichtstrahls zu einem in einem Objektbereich befindlichen Objekt und des von dem Objekt reflektierten Mess-Lichtstrahls zu einem Lichtsensor wenigstens teilweise durch einen Wellenleiter mit einer Mess-Diffraktionsstruktur zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls, wobei der Mess- Lichtstrahl in dem Wellenleiter eine wellenlängenabhängige Weglänge zurücklegt; und Ermitteln eines optischen Weglängenbeitrags und/oder eines Laufzeitbeitrags für den von dem Lichtsensor detektierten Mess-Lichtstrahl unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge des Mess-Lichtstrahls in dem Wellenleiter. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms bzw. der Befehle durch einen Computer diesen veranlassen, das oben beschriebene Verfahren und/oder die Schritte des Verfahrens durchzuführen, bereitgestellt.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt. Dabei ist die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls durchzuführen.
Die Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann dazu eingerichtet sein, die Laufzeit des Mess- Lichtstrahls zu ermitteln. Die Laufzeit kann dabei eine Differenz sein zwischen einem ersten Zeitpunkt, an dem der Mess-Lichtstrahl von der Lichtquelle emittiert wird, und einem zweiten Zeitpunkt, an dem der von dem Objekt reflektierte Mess- Lichtstrahl von dem Lichtsensor detektiert wird. Aus der Laufzeit kann sich der von dem Mess-Lichtstrahl zurückgelegt Weg ergeben, aus dem auf einen Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt geschlossen werden kann. In mancher Hinsicht kann die Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls hinsichtlich möglicher Anwendungsbereiche den Anwendungsbereichen eines LIDAR-Sensor ähneln, wobei sich die Vorrichtung zumindest darin von einem LIDAR-Sensor unterscheidet, dass es bei einer offenbarungsgemäßen Vorrichtung nicht zwingend erforderlich ist, einen Laserstrahl über den zu beobachtenden Winkelbereich zu bewegen bzw. zu scannen. Vielmehr kann es mit einer offenbarungsgemäßen Vorrichtung möglich sein, mit dem emittierten Mess- Lichtstrahl den gesamten zu erfassenden Messbereich zu erfassen, ohne den Mess-Lichtstrahl bewegen bzw. scannen zu müssen. Zudem kann eine offenbarungsgemäße Vorrichtung unter anderem darin von einem LIDAR-Sensor abweichen, dass eine mögliche Reichweite des Messbereichs von der Reichweite eines LIDAR-Sensors abweicht. So kann optional ein Messbereich einer offenbarungsgemäßen Vorrichtung eine Reichweite von etwa 3 m aufweisen. Die Vorrichtung ist optional dabei derart eingerichtet, dass der Mess-Lichtstrahl entlang eines optischen Weges zwischen dem in dem Objektbereich befindlichen Objekt und dem Lichtsensor wenigstens teilweise durch den Wellenleiter geleitet wird. Dabei kann der Mess-Lichtstrahl in den Wellenleiter eintreten, kann also in den Wellenleiter eingekoppelt werden, kann innerhalb des Wellenleiters einen optischen Weg zurücklegen und kann aus dem Wellenleiter austreten, kann also aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden. Dabei kann der Objektbereich als ein Erfassungsbereich beziehungsweise Sichtfeld (Field of View) der Vorrichtung definiert werden, innerhalb dessen das Objekt zur Messung der Laufzeit angeordnet sein kann. Der Mess-Lichtstrahl kann innerhalb des Wellenleiters eine wellenlängenabhängige Weglänge zurücklegen, da der Wellenleiter die Mess- Diffraktionsstruktur aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Mess-Lichtstrahl wellenlängenabhängig umzulenken. Das wellenlängenabhängige Umlenken des Mess-Lichtstrahls kann bedeuten, dass der Mess-Lichtstrahl je nach Wellenlänge innerhalb des Wellenleiters unterschiedliche Wege zurückgelegt, da der Mess- Lichtstrahl je nach Wellenlänge unterschiedlich, d.h., insbesondere um unterschiedlichen Winkel umgelenkt, in den Wellenleiter eingekoppelt werden kann.
Um die Weglänge des Mess-Lichtstrahls möglichst präzise ermitteln zu können, kann die Datenverarbeitungsvorrichtung einen optischen Weglängenbeitrag des Mess-Lichtstrahls ermitteln. Dabei gibt der optische Weglängenbeitrag optional eine wellenlängenabhängige optische Weglänge innerhalb des Wellenleiters des Mess- Lichtstrahls für eine bestimmte Wellenlängen des Mess-Lichtstrahls an, die durch die Propagation des Mess-Lichtstrahls mit der Wellenlänge durch den Wellenleiter begründet ist. Es wurde erkannt, dass Mess-Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen unterschiedliche optische Weglängen innerhalb des Wellenleiters zurücklegen können. Der Mess-Lichtstrahl kann innerhalb des Wellenleiters einen optischen Weg zurücklegen, der unterschiedlich zu einem wellenlängenunabhängigen optischen Weg ohne den Wellenleiter ist. Ein erster Teil des Mess-Lichtstrahls und/oder ein erster Mess-Lichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge kann somit aufgrund der wellenlängenabhängigen Umlenkung innerhalb des Wellenleiters einen ersten optischen Weg zurücklegen und ein zweiter Teil des Mess-Lichtstrahls und/oder ein zweiter Mess-Lichtstrahl mit einer zweiten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wellenlänge einen zweiten optischen Weg zurücklegen. Der optische Weglängenbeitrag kann somit von der Wellenlänge abhängig sein. Bei einer bekannten Propagationsgeschwindigkeit des Mess-Lichtstrahls innerhalb des Wellenleiters kann analog der Laufzeitbeitrag definiert werden. Dabei kann der Laufzeitbeitrag eine wellenlängenabhängige Laufzeit des Mess-Lichtstrahls innerhalb des Wellenleiters für eine bestimmte Wellenlängen des Mess-Lichtstrahls angeben. Mit anderen Worten kann ein erster Teil des Mess-Lichtstrahls und/oder ein erster Mess-Lichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge aufgrund der wellenlängenabhängigen Umlenkung innerhalb des Wellenleiters einen ersten optischen Weg mit einer ersten Laufzeit zurücklegen und ein zweiter Teil des Mess-Lichtstrahls und/oder ein zweiter Mess-Lichtstrahl mit einer zweiten, von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wellenlänge einen zweiten optischen Weg mit einer zweiten Laufzeit zurücklegen. Der Laufzeitbeitrag kann somit von der Wellenlänge abhängig sein.
Die Offenbarung bietet den Vorteil, dass es durch das Ermitteln des Weglängenbeitrags und/oder des Laufzeitbeitrags möglich ist, den Abstand zwischen dem Objekt und der Vorrichtung mit einem polychromatischen Mess- Lichtstrahl und/oder mit Mess-Lichtstrahlen mit mehreren Wellenlängen präzise zu ermitteln und dabei zu vermeiden, dass die wellenlängenabhängige Umlenkung des Mess-Lichtstrahls innerhalb des Wellenleiters je nach Wellenlänge des Mess- Lichtstrahls zu unterschiedlichen Ergebnissen der Messung der Laufzeit führt. Ferner ist es möglich, gezielt einen polychromatischen Mess-Lichtstrahl verwenden zu können, um den Mess-Lichtstrahl beispielsweise mit unterschiedlichen Winkeln in den Wellenleiter einkoppeln und/oder aus den Wellenleiter auskoppeln zu können, um einen Erfassungsbereich der Vorrichtung zur Messung der Laufzeit zu vergrößern. Durch die wellenlängenabhängige Umlenkung innerhalb des Wellenleiters kann es zudem möglich sein, einen Wellenleiter bereitzustellen, der für das menschliche Auge wenigstens teilweise transparent sein kann, während der Mess-Lichtstrahl umgelenkt werden kann. Dadurch ist es möglich, den Mess- Lichtstrahl derart umzulenken, dass Komponenten zur Messung der optischen Weglänge, also insbesondere die Mess-Lichtquelle und der Lichtsensor, an einen für einen Nutzer nicht sichtbaren Ort angeordnet werden können.
Die Mess-Diffraktionsstruktur kann zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls in einem nahinfraroten Spektralbereich, NIR-Bereich, eingerichtet sein. Dabei erfolgt die wellenlängenabhängige Umlenkung aufgrund von Beugung an der Mess-Diffraktionsstruktur, wenn der Mess-Lichtstrahl aufgrund seiner Wellenlänge und/oder seines Einfallswinkels relativ zu der Mess-Diffraktionsstruktur einem Bragg-Bedingung erfüllt. Außerhalb des Spektralbereich erfüllt der Mess- Lichtstrahl die Bragg-Bedingung nicht. Damit erfolgt außerhalb des Spektralbereich keine derartige Umlenkung durch die Mess-Diffraktionsstruktur. Damit kann die Mess-Diffraktionsstruktur außerhalb des Spektralbereich transparent sein und Licht außerhalb des Spektralbereichs weitgehend ohne Beugung und/oder Umlenkung transmittieren. In dem Spektralbereich ist der Mess-Lichtstrahl für das menschliche Auge nicht sichtbar, was die Nutzerfreundlichkeit der Vorrichtung erhöht, da eine sichtbare „Beleuchtung“ des Objekts durch den Mess-Lichtstrahl entbehrlich ist. Ferner kann die Vorrichtung in einer Ausführungsform der Offenbarung eine Anzeige und/oder ein Abbildungsobjekt durch sichtbares Licht rekonstruieren, wobei ein Crosstalk, also eine gegenseitige Beeinflussung, zwischen dem sichtbaren Licht und dem Mess-Lichtstrahl vermieden wird. Insbesondere kann die Mess-Diffraktionsstruktur dazu eingerichtet sein, den Mess-Lichtstrahl in einem Spektralbereich von 700 nm bis 940 nm und/oder bis 1100 nm wellenlängenabhängig umzulenken. Damit ist es möglich, auf einen kosteneffektiven Lichtsensor zurückzugreifen. Alternativ ist auch ein anderer Spektralbereich möglich, in dem die Mess-Diffraktionsstruktur zum wellenlängenabhängigen Umlenken eingerichtet ist, wobei dafür eine andere Lichtquelle, ein anderer Lichtsensor und/oder ein Wellenleiter aus einem anderen Material bereitzustellen ist.
Der Lichtsensor kann eine Mehrzahl von Pixeln bzw. Bildpunkten aufweisen, und die Datenverarbeitungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, für mehrere der Bildpunkte eines jeweils detektierten Teils des Mess-Lichtstrahls den optischen Weglängenbeitrag und/oder Laufzeitbeitrag abzurufen und/oder zu berechnen. Der Lichtsensor weist die Mehrzahl von Bildpunkten bzw. Pixeln auf, wobei die Bildpunkte jeweils dazu eingerichtet sind, den Mess-Lichtstrahl und/oder einen Teil des Mess-Lichtstrahls zu detektieren. Dabei weist der Lichtsensor mehrere Bildpunkte auf, um einen verbesserten Erfassungsbereich der Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls bereitzustellen. Dabei wurde erkannt, dass das wellenlängenabhängige Umlenken des Mess-Lichtstrahls zur Folge hat, dass spektral verschiedene Anteile des Mess-Lichtstrahls, also Teile des Mess- Lichtstrahls und/oder Mess-Lichtstrahle mit unterschiedlichen Wellenlängen, unterschiedlich aus den Wellenleiter in Richtung des Lichtsensors ausgekoppelt werden. Dabei ist eine Zuordnung zwischen der Wellenlänge des Mess-Lichtstrahls und einen der Bildpunkte gegeben, denn ein Teil des Mess-Lichtstrahls mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem bestimmten Bildpunkt detektiert. Damit ist für einen gegebenen Bildpunkt die Wellenlänge des Mess-Lichtstrahls bekannt, woraus auf die optische Weglänge des Mess-Lichtstrahls geschlossen werden kann. Damit ergibt sich für verschiedene Bildpunkte jeweils ein Weglängenbeitrag, der aus den verschiedenen Wellenlängen der auf die Bildpunkte treffenden Teilen des Mess-Lichtstrahls resultiert.
Der optischen Weglängenbeitrag und/oder der Laufzeitbeitrag kann einer vertikalen Pixelposition und einer horizontalen Pixelposition entsprechen. Dabei weist der Lichtsensor die Mehrzahl von Bildpunkten auf, und den Bildpunkten ist jeweils eine vertikale Pixelposition und/oder eine horizontale Pixelposition zuordenbar. Beispielsweise sind die Bildpunkte gemäß einer Matrix angeordnet. Anhand der Position eines Pixels kann auf die Wellenlänge des Mess-Lichtstrahls geschlossen werden. Somit kann der optische Weglängenbeitrag entsprechend der Pixelposition ermittelt werden. Anhand der Pixel der Matrix kann der Erfassungsbereich beziehungsweise das Field of View aufgelöst werden und eine optische Weglänge einem jeweiligen Pixel der Matrix zugeordnet werden. Die Mess-Diffraktionsstruktur kann dazu eingerichtet sein, den von dem Objekt reflektierten und unter einem ersten Einfallswinkel von +/- 20° auf eine Oberfläche des Wellenleiters treffenden Mess-Lichtstrahl in den Wellenleiter einzukoppeln und/oder den von dem Objekt reflektierten und unter einem senkrecht zu dem ersten Einfallswinkel definierten zweiten Einfallswinkel von +/- 20° auf die Oberfläche des Wellenleiters treffenden Mess-Lichtstrahl in den Wellenleiter einzukoppeln. Dabei kann der erste Einfallswinkel einen Erfassungsbereich der Vorrichtung in einer vertikalen Richtung definieren. Der zweite Einfallswinkel kann den Erfassungsbereich der Vorrichtung in einer horizontalen Richtung definieren. Dabei wurde erkannt, dass die angegebenen Bereiche der Einfallswinkel mit dem Wellenleiter und insbesondere mit der Mess-Diffraktionsstruktur zum Umlenken des Mess-Lichtstrahls in dem nahinfraroten Spektralbereich besonders effektiv bereitzustellen sind. Durch ein Ausschöpfen des Spektralbereichs, also das emittieren des Mess-Lichtstrahls mit mehreren Wellenlängen innerhalb des Spektralbereichs, kann somit Licht mit einem verglichen zu einer bekannten Optik großen Bereich von Einfallswinkeln in dem Wellenleiter eingekoppelt werden, was den Erfassungsbereich gegenüber beispielsweise einer Optik mit einer Linse vergrößern kann. Der Wellenleiter kann dazu auch dazu eingerichtet sein, den Mess-Lichtstrahl mit einem analog zu dem ersten Einfallswinkel angeordneten ersten Austrittswinkel von +/- 20° und/oder einem analog zu dem zweiten Einfallswinkel angeordneten zweiten Austrittswinkel von +/- 20° aus dem Wellenleiter auszukoppeln.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, durch eine Eingabevorrichtung das Objekt betreffende Entfernungsdaten zu erfassen und das Ermitteln der optischen Weglänge und/oder der Laufzeit anhand der Entfernungsdaten zu kalibrieren. Dabei wurde erkannt, dass ein Kalibrieren der Vorrichtung möglich ist, um auch eine Messung der Laufzeit durchführen zu können, wenn beispielsweise die Art des Wellenleiters und/oder der Mess- Diffraktionsstruktur unbekannt sind. Dabei kann die optische Weglänge durch den Wellenleiter mithilfe einer Messung einer Laufzeit des Mess-Lichtsignals mit einer bekannten Wellenlänge und einem bekannten Objektabstand kalibriert werden. Die Vorrichtung kann eine Bild-Lichtquelle zum Emittieren eines sichtbaren Bild- Lichtstrahls aufweisen und der Wellenleiter kann eine Bild-Diffraktionsstruktur zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Bild-Lichtstrahls aufweisen. Die Bild- Lichtquelle ist optional dazu eingerichtet, den Bild-Lichtstrahl in den Wellenleiter einzukoppeln, damit der Bild-Lichtstrahl durch die Bild-Diffraktionsstruktur umgelenkt wird. Optional kann der Bild-Lichtstrahl durch eine optische Struktur in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Der umgelenkte Bild-Lichtstrahl wird aus den Wellenleiter ausgekoppelt, um ein virtuelles oder reelles Bild im sichtbaren Bereich, also eine visuell wahrnehmbare Darstellung, außerhalb des Wellenleiters zu rekonstruieren.
Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Bild-Lichtquelle in Abhängigkeit der optischen Weglänge und/oder der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls anzusteuern. Damit ist es möglich, dass die Bild-Lichtquelle Bildinformationen emittiert, die auf das Objekt abgestimmt sind. Beispielsweise kann das Objekt ein Körperteil eines Nutzers sein, dessen Position relativ zu dem Wellenleiter erfasst wird, und das Bild kann in Abstimmung mit der Position in der Umgebung des Wellenleiters rekonstruiert bzw. angezeigt werden.
Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine in einer zweiten Richtung von dem Wellenleiter beabstandete Nutzerschnittstelle abzubilden und eine Nutzereingabe durch die Nutzerschnittstelle anhand der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls zu erfassen. Dabei wurde erkannt, dass durch die Bild-Lichtquelle und die Bild- Diffraktionsstruktur die Nutzerschnittstelle abgebildet werden kann. Die Nutzerschnittstelle wird dabei derart rekonstruiert, dass die Nutzerschnittstelle in eine Umgebung des Wellenleiters beabstandet zu dem Wellenleiter zu schweben scheint. Ein Nutzer kann in Interaktion mit der Nutzerschnittstelle treten, beispielsweise in dem der Nutzer ein Körperteil gemäß der Nutzerschnittstelle positioniert. Die Position des Körperteils des Nutzers kann anhand der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls erfasst werden und als Eingabe des Nutzers interpretiert werden. Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein in einer zweiten Richtung von dem Wellenleiter beabstandetes Abbildungsobjekt relativ zu dem Objekt abzubilden. Dabei wurde erkannt, dass die Vorrichtung in dem Beispiel eine vorteilhafte Anwendung im Bereich der augmented reality (AR) bereitstellen kann. Das Objekt kann beispielsweise eine Szenerie beziehungsweise eine Umgebung des Wellenleiters sein, in die das Abbildungsobjekt abgebildet wird. Beispielsweise kann das Abbildungsobjekt in einer Anwendung, in der ein Nutzer durch den Wellenleiter schaut, als ein virtuelles Objekt abgebildet werden. Beispielsweise kann das Abbildungsobjekt in einer Anwendung, in der der Nutzer durch den Wellenleiter auf die Bild-Lichtquelle schaut, als reelles Objekt abgebildet werden. Damit das Abbildungsobjekt vorteilhaft abbildbar ist, erfasst die Vorrichtung die Geometrie des Objektes durch die Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls. Damit kann das Abbildungsobjekt mit einer dem Objekt entsprechenden Tiefe abgebildet werden.
Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Bild-Lichtquelle dynamisch und/oder in Abhängigkeit einer erfassten Bewegung des Objekts anzusteuern. Damit ist es möglich, insbesondere dynamische, also zeitabhängige, Anwendungen im Bereich der augmented reality bereitzustellen.
Die Vorrichtung kann einen Spiegel und/oder ein Prisma zum Umlenken des aus dem Wellenleiter austretenden Mess-Lichtstrahls und/oder zum Umlenken des von dem Objekt reflektierten Mess-Lichtstrahls aufweisen. Ein Umlenken des aus dem Wellenleiter austretenden Mess-Lichtstrahls und/oder des von dem Objekt reflektierten Mess-Lichtstrahls kann insbesondere zur Bereitstellung für ein Nutzerendgeräte vorteilhaft sein, da durch das möglich Um lenken die Vorrichtung vielfältig anordenbar ist bzw. deren Komponenten vielfältig anordenbar sind. Dadurch können die Komponenten der Vorrichtung, mit Ausnahme des Wellenleiters, vorteilhaft für einen Nutzer des Nutzerendgeräts nicht sichtbar in einem Gehäuse des Nutzerendgeräts angeordnet werden.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Nutzerendgeräte bereitgestellt. Das Nutzerendgeräte umfasst die oben beschriebene Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls. Dabei kann die Vorrichtung des Nutzerendgeräts ein oder mehrere der oben beschriebenen optionalen technischen Merkmale aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Detektions- und
Beleuchtungsgerät bereitgestellt. Das Detektions- und Beleuchtungsgerät umfasst die oben beschriebene Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess- Lichtstrahls. Dabei kann die Vorrichtung des Detektions- und Beleuchtungsgeräts ein oder mehrere der oben beschriebenen optionalen technischen Merkmale aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren auf: Leiten des Mess-Lichtstrahls zu einem Objekt und des von dem Objekt reflektierten Mess-Lichtstrahls zu einem Lichtsensor wenigstens teilweise durch einen Wellenleiter mit einer Mess-Diffraktionsstruktur zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls, wobei der Mess-Lichtstrahl in dem Wellenleiter eine wellenlängenabhängige Weglänge zurücklegt; und Ermitteln eines optischen Weglängenbeitrags und/oder eines Laufzeitbeitrags für den von dem Lichtsensor detektierten Mess-Lichtstrahl unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge des Mess-Lichtstrahls in dem Wellenleiter.
Das Verfahren kann insbesondere mit der oben beschriebenen Vorrichtung zur Messung der Laufzeit des Mess-Lichtstrahls durchgeführt werden. Damit gilt das mit Bezug zu der Vorrichtung beschriebene analog für das Verfahren und umgekehrt.
Der optische Weglängenbeitrag und/oder Laufzeitbeitrag kann abhängig von einer wellenlängenabhängigen Anzahl von Totalreflexionen innerhalb des Wellenleiters und/oder eines wellenlängenabhängigen Umlenkwinkels innerhalb des Wellenleiters ermittelt werden. Dabei wurde erkannt, dass die Anzahl der Totalreflexionen und der Umlenkwinkel einen Einfluss auf den optischen Weg eines Mess-Lichtstrahls innerhalb des Wellenleiters haben. Unter Berücksichtigung der Anzahl von Totalreflexionen innerhalb des Wellenleiters und/oder des Umlenkwinkels lässt sich bei bekannter Geometrie des Wellenleiters der optische Weglängenbeitrag und/oder der Laufzeitbeitrag berechnen.
Optional können die Mess-Lichtquelle und/oder die Bild-Lichtquelle eine oder mehrere der folgenden Arten von Lichtquellen aufweisen: Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden, Halbleiter-Laser, und Festkörper-Laser.
Ein Emissionsspektrum der Mess-Lichtquelle kann dabei optional im infraroten Spektralbereich liegen. Dies kann den Vorteil bieten, dass das von der Mess- Lichtquelle emittierte Licht für das menschliche Auge nicht sichtbar ist und entsprechend das von der Mess-Lichtquelle emittierte Licht von Menschen nicht als störend wahrgenommen wird. Optional kann das Emissionsspektrum in einem Spektralbereich liegen, in welchem der Wellenleiter optisch transparent ist. Optional kann das Emissionsspektrum der Mess-Lichtquelle in einem Bereich von etwa 780 nm bis etwa 2 pm liegen. Optional kann das Emissionsspektrum der Mess- Lichtquelle in einem Bereich von etwa 780 nm bis etwa 1.100 nm liegen. Dies kann den Vorteil bieten, dass Silizium-basierte Detektoren für die Detektion des Messlichts verwendbar sein können, wie etwa CMOS Sensoren und/oder CCD Arrays. Für Wellenlängen, welche insbesondere bei längeren Wellenlängen als 1.100 nm liegen, kann die Wahl eines dafür geeigneten Detektors vorteilhaft sein, wie etwa ein AIGaAs-basierter Detektor und/oder ein InGaAs-basierter Detektor. Die Wahl des Detektors kann an die Mess-Lichtquelle und das Emissionsspektrum der Mess-Lichtquelle angepasst sein. Die angegebenen Spektralbereiche bedeuten dabei nicht, dass das Emissionsspektrum zwingend jeweils den gesamten, angegebenen Spektralbereich abdecken muss. Vielmehr kann das Emissionsspektrum einen kleinen spektralen Bereich des angegebenen Spektralbereichs abdecken. Optional kann die Mess-Lichtquelle ein Emissionsspektrum mit einer Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum, FWHM) von 100 nm oder weniger, optional 50 nm oder weniger und optional 10 nm oder weniger aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Mess-Lichtquelle dazu ausgelegt sein, ein Emissionsspektrum bei 1 ,55 pm und/oder in einem Spektralbereich um 1 ,55 pm herum bereitzustellen. Dieser in der Telekommunikation weit verbreitete Spektralbereich kann den Vorteil bieten, dass die Absorption durch Wasser, auch durch Feuchtigkeit in der Luft, besonders gering sein kann und entsprechend damit verbundene Verluste gering gehalten werden können, wodurch eine Reichweite erhöht und/oder die bereitzustellende Emissionsleistung verringert werden können.
Optional können die eine oder mehreren verwendeten Diffraktionsstrukturen bzw. holographischen Strukturen an das Emissionsspektrum der Mess-Lichtquelle und/oder ein Emissionsspektrum der Bildlichtquelle angepasst sein. Optional können die eine oder mehreren verwendeten Diffraktionsstrukturen bzw. holographischen Strukturen dazu ausgelegt sein, im spektralen Bereich des Messlichts eine besonders hohe Effizienz aufzuweisen. Optional können die eine oder mehreren verwendeten Diffraktionsstrukturen bzw. holographischen Strukturen an einen beabsichtigten Winkelbereich für die Ein- und/oder Auskopplung von Licht aus den jeweiligen Diffraktionsstrukturen bzw. holographischen Strukturen ausgelegt sein.
Ein Emissionsspektrum der Bild-Lichtquelle kann optional im sichtbaren Bereich liegen, also etwa in einem Spektralbereich zwischen 400 nm und 780 nm. Dies kann den Vorteil bieten, dass mittels von der Bild-Lichtquelle emittiertem Licht dargestellte Bildinformationen für das menschliche Auge sichtbar sein können.
Die Verwendung von Leuchtdioden als Mess-Lichtquelle oder als Teil davon kann den Vorteil bieten, dass das Mess-Licht in einem vorgegebenen Emissionswinkelbereich emittiert wird, der größer als Null ist, anstatt eines kollimierten Laserstrahls mit einem Emissionswinkel von nahezu Null. Dadurch kann ein großer Emissionswinkelbereich realisiert werden, welcher zu einem großen Field of View (FOV), also einem großen Messbereich, führen kann. Optional kann der Messbereich bzw. das FOV einem Winkelbereich von 15° oder mehr und optional von 50° entsprechen. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms bzw. der Befehle durch einen Computer diesen veranlassen, das oben beschriebene Verfahren und/oder die Schritte des Verfahrens durchzuführen, bereitgestellt.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt. Dabei ist die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Mess-Lichtstrahls durchzuführen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Offenbarung beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung zur Darstellung einer wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ablenkungskurve einer Mess- Diffraktionsstruktur eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrag;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Wellenlänge von einem ersten Einfallswinkel und von einem zweiten Einfallswinkel einer Mess-Diffraktionsstruktur eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit eines optischen Weglängenbeitrags von einem ersten Einfallswinkel und von einem zweiten Einfallswinkel eines Wellenleiters einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Um lenkeff izienz eines durch eine Mess-Diffraktionsstruktur umgelenkten Lichtstrahls;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung; und
Fig. 13 einen Ablaufschema eines Verfahrens zur Messung einer Laufzeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung.
Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, die Laufzeit 92 eines Mess-Lichtstrahls 80 zu messen (Time of Flight). Dafür umfasst die Vorrichtung 10 eine Mess-Lichtquelle 20 zum Emittieren des Mess-Lichtstrahls 80, einen Lichtsensor 30 zum Detektieren des Mess-Lichtstrahls 80, einen Wellenleiter 50 und eine Datenverarbeitungsvorrichtung 90. Die Mess-Lichtquelle 20 ist dazu eingerichtet, den Mess-Lichtstrahl 80 zu emittieren. Der dabei von der Mess-Lichtquelle 20 emittierte Mess-Lichtstrahl 80 umfasst Licht in einem nahinfraroten Spektralbereich, NIR-Bereich, S und weist eine Wellenlänge L im Bereich von 700 nm bis 940 nm auf. Die Mess-Lichtquelle 20 umfasst beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) und emittiert den Mess-Lichtstrahl 80 als polychromatisches Licht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen innerhalb des NIR- Bereichs S.
Die Mess-Lichtquelle 20 ist mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 90 kommunikationstechnisch verbunden, um von der Datenverarbeitungsvorrichtung 90 gesteuert zu werden. Damit kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 das Aussenden beziehungsweise Emittieren des Mess-Lichtstrahls 80 insbesondere zeitlich koordinieren und/oder einen ersten Zeitpunkt des Emittierens des Mess- Lichtstrahls 80 durch die Mess-Lichtquelle 20 erfassen.
Die Vorrichtung 10 weist eine Abbildungsvorrichtung 21 auf, die dazu eingerichtet ist, den Mess-Lichtstrahl 80 in Richtung des Wellenleiters 50 zu lenken. Die Abbildungsvorrichtung 21 umfasst beispielsweise ein Prisma, ein Spiegel und/oder eine Linse.
Der Mess-Lichtstrahls 80 wird in einem Sende-Einkoppelbreich 55 des Wellenleiters 50 in den Wellenleiter 50 eingekoppelt und propagiert als in den Wellenleiter 50 eingekoppelter Mess-Lichtstrahl 81 durch den Wellenleiter 50. Dabei wird der eingekoppelte Mess-Lichtstrahl 81 innerhalb des Wellenleiters 50 reflektiert. Insbesondere erfolgt eine Totalreflexion 57 des eingekoppelten Mess-Lichtstrahls 81.
Der Wellenleiter 50 weist in den folgenden beispielhaften Ausführungsformen folgende Geometrie 56 auf: Höhe 266 mm (Ausdehnung entlang der ersten Richtung R1 ), Dicke 1.2 mm (Ausdehnung entlang einer zweiten Richtung R2, senkrecht zu der ersten Richtung R1 ), Breite 150 mm (Ausdehnung entlang einer schematisch durch ein Kreuz illustrierten, dritten Richtung R3, senkrecht zu der ersten Richtung R1 und senkrecht zu der zweiten Richtung R2). Der Wellenleiter 50 kann beispielsweise aus einem Glas, insbesondere einem Borosilikatglas gefertigt sein und eine nur schwach von der Wellenlänge L in dem Spektralbereich S abhängige Brechzahl N1 im Bereich von 1 ,45 bis 1 ,5 aufweisen.
Der in den Wellenleiter 50 eingekoppelte Mess-Lichtstrahl 81 propagiert dabei insbesondere in der ersten Richtung R1 durch den Wellenleiter 50 und trifft in einem Sende-Auskoppelbereich 60 auf eine Mess-Diffraktionsstruktur 51. Die Mess- Diffraktionsstruktur 51 des Sende-Auskoppelbereich 60 ist dazu eingerichtet, den eingekoppelten Mess-Lichtstrahl 81 in Abhängigkeit der Wellenlänge L des Mess- Lichtstrahls 81 um einen sich aus der Wellenlänge L ergebenden Umlenkwinkel 58 umzulenken. Damit kann eine weitere Totalreflexion 57 des Mess-Lichtstrahls 81 an der Grenzschicht zwischen dem Wellenleiter 50 und einer Umgebung 59 des Wellenleiters 50 vermieden werden und der Mess-Lichtstrahl 81 kann aus dem Wellenleiter 50 ausgekoppelt werden und als aus dem Wellenleiter 50 ausgekoppelter Mess-Lichtstrahl 82 in der Umgebung 59 des Wellenleiters 50 propagieren.
In der Umgebung 59 des Wellenleiters 50 ist ein in der Figur 1 schematisch als Kreis illustriertes Objekt 15 angeordnet. Das Objekt 15 weist eine derartige Geometrie auf, dass das Objekt 15 unterschiedlich von dem Wellenleiter 50 beabstandete Abschnitte aufweist. Das Objekt 15 ist in einem Objektbereich 16 angeordnet. Der Objektbereich kann dabei in einem Erfassungsbereich (field of view) der Vorrichtung 10 angeordnet sein. Der Objektbereich 16 ist ein außerhalb des Wellenleiters 50 angeordneter Abschnitt einer Umgebung des Wellenleiters 50. Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, den Mess-Lichtstrahl 82 in den Objektbereich 16 zu emittieren. Damit kann der ausgekoppelte Mess-Lichtstrahl 82 das Objekt 15 erreichen und von dem Objekt 15 zur Messung der Laufzeit 92 von dem Objekt 15 in Richtung des Wellenleiters 50 reflektiert werden. An dem Objekt wird der ausgekoppelte Mess- Lichtstrahl 82 reflektiert und propagiert als von dem Objekt 15 reflektierter Mess- Lichtstrahl 85 in Richtung des Wellenleiters 50. Dabei ist die Propagation des ausgekoppelten Mess-Lichtstrahls 82 und des reflektierten Mess-Lichtstrahls 85 zur besseren Darstellung stark unterschiedlich voneinander.
Der von dem Objekt 15 reflektierte Mess-Lichtstrahl 85 trifft in einem Sensor- Einkoppelbereich 65 des Wellenleiters 50 als ein in dem Sensor-Einkoppelbereich 65 eingekoppelter Mess-Lichtstrahl 86 auf eine Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65. Die Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor- Einkoppelbereichs 65 ist dazu eingerichtet, den eingekoppelten Mess-Lichtstrahl 86 in Abhängigkeit der Wellenlänge L des Mess-Lichtstrahls 86 umzulenken. Damit kann sichergestellt werden, dass der Mess-Lichtstrahls 86 in dem Wellenleiter 50 derart umgelenkt wird, dass der Mess-Lichtstrahls 86 in der ersten Richtung R1 durch den Wellenleiter 50 propagiert und dabei durch eine Mehrzahl von Totalreflexionen 57 bis zu einem Sensor-Auskoppelbereich 70 propagiert.
Die Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 sind zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls 81 , 86 mit einer Wellenlänge L in dem NIR-Bereich S eingerichtet. Dabei bezeichnet die Wellenlänge L des Mess-Lichtstrahls 80, 81 , 82, 85, 86 die im Vakuum beziehungsweise in Luft bestimmbare Wellenlänge L und/oder die Wellenlänge L des Mess-Lichtstrahls 80, wie durch die Mess- Lichtquelle 20 emittiert. Innerhalb des Wellenleiters 50 weist der Mess-Lichtstrahl 81 , 86 eine durch die Brechzahl N1 des Wellenleiters 50 beeinflusste Wellenlänge L auf.
In dem Sensor-Auskoppelbereich 70 wird der Mess-Lichtstrahl 86 aus dem Wellenleiter 50 derart ausgekoppelt, dass der Mess-Lichtstrahl 80 in Richtung des Lichtsensors 30 gelenkt wird. Dafür umfasst die Vorrichtung 10 eine zwischen dem Wellenleiter 50 und dem Lichtsensor 30 angeordnete Abbildungsvorrichtung 31 . Die Abbildungsvorrichtung 31 umfasst beispielsweise ein Prisma, ein Spiegel und/oder eine Linse.
Dabei ist in Figur 1 der von der Mess-Lichtquelle 20 zu dem Objekt 15 propagierende Mess-Lichtstrahl 80, 81 , 85 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt und der von dem Objekt 15 reflektierte und zu dem Lichtsensor 30 propagierende Mess-Lichtstrahl 80, 85, 86 ist durch eine gestrichene Linie dargestellt. Insgesamt legt dabei der Mess-Lichtstrahl 80, 81 , 82, 85, 86 eine optische Weglänge 91 mit einer Laufzeit 92 zurück. Die optische Weglänge 91 und die Laufzeit 92 ist abhängig von der Geometrie 56 des Wellenleiters 50, der Brechzahl N1 des Wellenleiters 50 sowie von der wellenlängenabhängigen Umlenkung des Mess-Lichtstrahls 80, 81 , 82, 85, 86 durch die von dem Wellenleiter 50 umfassten Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52. Durch die Umlenkung mit je Wellenlänge L unterschiedlichen Umlenkwinkeln 58 durch die Mess- Diffraktionsstrukturen 51 , 52 ergeben sich verschiedene optische Pfade durch den Wellenleiter 50 und somit eine je Wellenlänge L potentiell verschiedene Anzahl von Totalreflexionen 57 innerhalb des Wellenleiters 50. Somit ergibt sich für den mess- Lichtstrahl 80, 81 , 82, 85, 86 ein optischer Weglängenbeitrag 93 und/oder ein Laufzeitbeitrag 94 für den von dem Lichtsensor 30 detektierten Mess-Lichtstrahl 80 innerhalb des Wellenleiters 50. Der Weglängenbeitrag 93 ist dabei der durch den Wellenleiter 50 hervorgerufene Beitrag zu der gesamten von dem Mess-Lichtstrahl 80, 81 , 82, 85, 86 zurückgelegten optischen Weglänge 91. Der Laufzeitbeitrag 94 ist der durch den Wellenleiter 50 hervorgerufene Beitrag zu der gesamten von dem Mess-Lichtstrahl 80, 81 , 82, 85, 86 benötigten und von der Vorrichtung 10 gemessenen Laufzeit 92 des Mess-Lichtstrahls 80, 81 , 82, 85, 86.
Damit ist der Wellenleiter 50 derart angeordnet ist, dass der von der Mess- Lichtquelle 20 emittierte Mess-Lichtstrahl 80 zu dem Objekt 15 und der von dem Objekt 15 reflektierte Mess-Lichtstrahl 85 zu dem Lichtsensor 30 wenigstens teilweise durch den Wellenleiter 50 geleitet wird, wobei der Wellenleiter 50 die Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahl 81 , 86 aufweist und der reflektierte Mess-Lichtstrahl 86 in dem Wellenleiter 50 die wellenlängenabhängige Weglänge 91 zurücklegt.
Der Lichtsensor 30 ist mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 90 kommunikationstechnisch verbunden, um ein Detektieren des Mess-Lichtstrahls 80 betreffende Informationen an die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 zu übermitteln. Damit kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 einen zweiten Zeitpunkt des
Detektierens des Mess-Lichtstrahls 80 durch den Lichtsensor 30 erfassen.
Damit kann die Laufzeit 92 des Mess-Lichtstrahls 80 von der Datenverarbeitungsvorrichtung 60 als Differenz zwischen dem ersten Zeitpunkt des Emittierens des Mess-Lichtstrahls 80 durch die Mess-Lichtquelle 20 und dem zweiten Zeitpunkt des Detektierens des Mess-Lichtstrahls 80 durch den Lichtsensor 30 ermittelt werden.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 ist dazu eingerichtet, bei der Messung der Laufzeit 92 einen optischen Weglängenbeitrag 93 und/oder einen Laufzeitbeitrag 94 für den von dem Lichtsensor 30 detektierten Mess-Lichtstrahl 80 unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge 91 des emittierten und des reflektierten Mess-Lichtstrahls 86 in dem Wellenleiter 50 zu ermitteln. Anhand des Weglängenbeitrags 93 und/oder des Laufzeitbeitrags 94 kann genau die Entfernung zwischen dem Objekt 15 und der Vorrichtung 10 ermittelt werden.
Der Lichtsensor 30 umfasst eine Pixelmatrix mit einer Mehrzahl von Bildpunkten 32. In Figur 1 ist schematisch eine Reihe, also eine eindimensionale Anordnung von Bildpunkten 32 dargestellt. Die Bildpunkte 32 des Lichtsensors 30 sind auch in einer Richtung senkrecht zu der Bildebene von Figur 1 angeordnet und bilden somit eine zweidimensionale Anordnung von Bildpunkten 32. Die Bildpunkte 32 sind relativ zu dem Wellenleiter 50 an einer bestimmten Position angeordnet. Die Positionen der Bildpunkte 32 ist jeweils durch eine schematisch durch einen Pfeil angedeutete vertikale Pixelposition vp und eine schematisch durch ein Kreuz angedeutete und in die Bildebene hineinreichende horizontale Pixelposition hp definiert.
Die Bildpunkte 32 sind jeweils dazu eingerichtet, den Mess-Lichtstrahl 80 zu detektieren. Wie mit Bezug zu Figuren 3 bis 9 beschrieben, ist den Bildpunkten 32 jeweils eine Wellenlänge L des Mess-Lichtstrahls 80 zuordenbar. Mit anderen Worten detektieren verschiedene Bildpunkte 32 verschiedene Teile des Mess- Lichtstrahls 80 mit verschiedenen Wellenlängen L, die innerhalb des Wellenleiters 50 verschiedene optische Wege 91 zurückgelegen und verschiedene Laufzeiten 92 aufweisen. Damit können den Bildpunkten 32 beziehungsweise Pixelpositionen vp, hp jeweils ein optischer Weglängenbeitrag 93 und/oder Laufzeitbeitrag 94 zugeordnet werden. Dabei ist es auch möglich, dass den Bildpunkten 32 beziehungsweise deren vertikalen Pixelpositionen vp ein optischer Weglängenbeitrag 93 und/oder Laufzeitbeitrag 94 zugeordnet werden kann, während jeder horizontalen Winkel des Erfassungsbereich im Wesentlichen auf Grund von Brechung unter einem anderen horizontalen Winkel durch den Wellenleiter 50 propagiert. Dabei ist eine unterschiedliche optische Weglänge für unterschiedliche horizontale Winkel und somit horizontalen Pixelpositionen hp gegeben, womit jedem Bildpunkt 32 ein horizontaler Einfallswinkel und damit ein horizontaler Propagationswinkel im Wellenleiter 50 zugeordnet werden kann.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 ist dazu eingerichtet, für die Bildpunkte 32 eines jeweils detektierten Teils des Mess-Lichtstrahls 80 den optischen Weglängenbeitrag 93 und/oder Laufzeitbeitrag 94 abzurufen. Dafür weist die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 einen Speicher 95 auf, in dem für jede Wellenlänge L, also für den Teil des Mess-Lichtstrahls 80, ein optischer Weglängenbeitrag 93 und/oder ein Laufzeitbeitrag 94 gespeichert ist. Die Pixelposition vp, hp, an der der Mess-Lichtstrahls 80 detektiert wird, kann von dem Lichtsensor 30 erfasst und an die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 übermittelt werden. Anhand der Pixelposition vp, hp ruft die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 den der Pixelposition vp, hp entsprechenden Weglängenbeitrag 93 und/oder Laufzeitbeitrag 94 aus dem Speicher 96 beziehungsweise einem Look-up-table wie in Figur 9 beispielhaft illustriert ab.
Alternativ oder zusätzlich ist die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 dazu eingerichtet, für die Bildpunkte 32 eines jeweils detektierten Teils des Mess- Lichtstrahls 80 den optischen Weglängenbeitrag 93 und/oder Laufzeitbeitrag 94 zu berechnen. Dafür weist die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 einen Prozessor 96 auf. Dabei ist die Geometrie 56 des Wellenleiters 50 und die Brechzahl N1 des Wellenleiters 50 bekannt. Der optische Weglängenbeitrag 93 und/oder Laufzeitbeitrag 94 kann in Abhängigkeit von der Anzahl der Totalreflexionen 57 innerhalb des Wellenleiters 50 und/oder des wellenlängenabhängigen Umlenkwinkels 58 berechnet werden.
Bei dem Abrufen und/oder Berechnen des optischen Weglängenbeitrags 93 und/oder des Laufzeitbeitrags 94 entspricht der optische Weglängenbeitrag 93 und/oder der Laufzeitbeitrag 94 der vertikalen Pixelposition vp und der horizontalen Pixelposition hp.
Die Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 60 ist dazu eingerichtet ist, den von dem Objekt 15 reflektierten und unter einem ersten Einfallswinkel A1 von +/- 20° auf eine Oberfläche 66 des Wellenleiters 50 treffenden Mess-Lichtstrahl 86 in den Wellenleiter 50 einzukoppeln und den von dem Objekt 15 reflektierten und unter einem zweiten Einfallswinkel A2 von +/- 20° auf die Oberfläche 66 des Wellenleiters 50 treffenden Mess-Lichtstrahl 86 in den Wellenleiter 50 einzukoppeln. Der erste Einfallswinkel A1 ist dabei in einer durch die erste Richtung R1 und die zweite Richtung R2 aufgespannten Ebene zwischen einer Richtung des Mess-Lichtstrahls 86 und einem Normalenvektor (nicht eingezeichnet) der Oberfläche 66 definiert. Der zweite Einfallswinkel A2 ist dabei in einer durch die zweite Richtung R2 und die dritte Richtung R3 aufgespannten Ebene zwischen einer Richtung des Mess-Lichtstrahls 86 und einem Normalenvektor (nicht eingezeichnet) der Oberfläche 66 definiert.
Die Vorrichtung 10 weist eine Eingabevorrichtung 97 auf. Die Eingabevorrichtung
97 und die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 sind kommunikationstechnisch miteinander verbunden, damit durch die Eingabevorrichtung 97 das Objekt 15 betreffende Entfernungsdaten 98 erfasst beziehungsweise eingegeben werden können. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 ist dazu eingerichtet, das Ermitteln der optischen Weglänge 91 und/oder der Laufzeit 92 anhand der Entfernungsdaten
98 zu kalibrieren. Bei einem bekannten Abstand zwischen dem Objekt 15 und der Vorrichtung 10 kann durch die Verwendung eines polychromatischen Mess- Lichtstrahls 80 und/oder durch mehrere Mess-Lichtstrahlen 80 mit verschiedenen Wellenlängen L der Weglängenbeitrag 93 und/oder der Laufzeitbeitrag 94 insbesondere relativ ermittelt werden. Damit kann die Messung des Abstands zwischen dem Objekt 15 und der Vorrichtung 10 kalibriert werden. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) ist die Vorrichtung 10 mit einer derartigen Eingabevorrichtung 97 verbinbdar.
In einer nicht-gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung 10 einen Spiegel und/oder ein Prisma zum Umlenken des aus dem Wellenleiter 50 austretenden Mess-Lichtstrahls 82 und/oder zum Umlenken des von dem Objekt 15 reflektierten Mess-Lichtstrahls 85 auf.
In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 10 sind die Mess- Diffraktionsstruktur 51 des Sende-Auskoppelbereichs 60 und die Mess- Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 in der ersten Richtung R1 überlappend angeordnet. In einer nicht gezeigten Ausführungsform können die Mess-Diffraktionsstruktur 51 des Sende-Auskoppelbereichs 60 und die Mess- Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 in der ersten Richtung R1 teilweise überlappend oder nicht überlappend bzw. disjunkt angeordnet sein.
Die von dem Wellenleiter 50 umfassten Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 sind beispielweise reflektive Volumenhologramme, transmittive Volumenhologramme, Flächenhologramme, und/oder Reliefgitter wie in WO 2020/157306 A1 beschrieben. Dabei kann die Anordnung der Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 abhängig von einer Art der Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 sein. Beispielsweise kann eine reflektive Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52 in einem dem Objekt 15 abgewandten Abschnitt des Wellenleiters 50 angeordnet sein und/oder eine transmittive Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52 kann in einem dem Objekt 15 zugewandten Abschnitt des Wellenleiters 50 angeordnet sein.
Die Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 des Sende-Auskoppelbereichs 60 und/oder des Sensor-Einkoppelbereichs 65 beziehungsweise der Sensor-Einkoppelbereich 65 und/oder der Sende-Auskoppelbereich 60 können derart ausgebildet sein, dass sie neben der Umlenkung keine optische abbildende Funktion bewirken. Es ist jedoch auch möglich, dass die Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 beziehungsweise der Sensor-Einkoppelbereich 65 und/oder der Sende-Auskoppelbereich 60 zusätzlich zur Umlenkung eine optische Abbildungsfunktion bereitstellen und somit eine optische Abbildung bewirken. So kann die optische Abbildungsfunktion beispielsweise die Funktion einer Sammellinse oder Zerstreuungslinse, eines konkaven oder konvexen Spiegels, wobei die gekrümmten Flächen (zentriert oder dezentriert) sphärisch gekrümmt oder asphärisch gekrümmte Flächen sein können, verwirklichen. Damit können die Eigenschaften des Wellenleiters 50 angepasst werden, um beispielsweise eine Bildebene beziehungsweise fokale Ebene in den Objektbereich 16 anordnen zu können.
In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) weist der Wellenleiter 50 nur eine der Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52 auf, um einen kostengünstigeren und/oder einfacheren Aufbau der Vorrichtung 10 zu erzielen. Dabei kann ein Strahlteiler vorgesehen sein.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung. Die Vorrichtung 10 der Figur 2 wird mit Bezug zu der Vorrichtung 10 der Figur 1 beschrieben. Dabei werden die Unterschiede der Vorrichtungen 10 gemäß Figuren 1 und 2 beschrieben.
Der Wellenleiter 50 der Vorrichtung 10 gemäß Figur 2 weist in dem Sende- Einkoppelbereich 55 eine Mess-Diffraktionsstruktur 53 auf. Der Wellenleiter 50 weist zudem in dem Sensor-Auskoppelbereich 70 eine Mess-Diffraktionsstruktur 54 auf. In einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsform kann die Vorrichtung 10 eine der beiden genannten Mess-Diffraktionsstrukturen 53, 54 aufweisen, also entweder die Mess-Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 oder die Mess- Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70.
Analog zu der Mess-Diffraktionsstruktur 51 des Sende-Auskoppelbereichs 60 bzw. der Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 sind die Mess- Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 und des Sensor- Auskoppelbereichs 70 zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess- Lichtstrahls 81 , 86 mit einer Wellenlänge L in dem NIR-Bereich S eingerichtet. Dabei können die Mess-Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 und die Mess-Diffraktionsstruktur 51 des Sende-Auskoppelbereichs 70 derart eingerichtet sein, um eine gleichartige wellenlängenabhängige Umlenkung bewirken. Analog können die Mess-Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70 und die Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65, derart eingerichtet sein, um eine gleichartige wellenlängenabhängige Umlenkung bewirken. Damit können ein einzukoppelnder Mess-Lichtstrahl 80, 85 und ein ausgekoppelter Mess- Lichtstrahl 80, 82 eine zueinander gleichartige Umlenkung durch die Mess- Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 erfahren. Dabei zeigt Figur 2 die Umlenkung durch die Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 rein schematisch. Insbesondere sind die Umlenkwinkel 58 nicht maßstabsgerecht illustriert. Insbesondere der Umlenkwinkel der Mess-Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 ist nicht maßstabsgerecht eingezeichnet und kann größer sein als eingezeichnet, um eine Totalreflexion des eingekoppelten Mess-Lichtstrahls 81 zu erzielen.
In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 10 sind die Mess- Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 und die Mess- Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70 in der ersten Richtung R1 überlappend angeordnet. In einer nicht gezeigten Ausführungsform können die die Mess-Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 und die Mess- Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70 in der ersten Richtung R1 teilweise überlappend oder nicht überlappend bzw. disjunkt angeordnet sein.
Die Mess-Diffraktionsstrukturen 53, 54 des Sende-Einkoppelbereichs 55 und/oder des Sensor-Auskoppelbereichs 70 beziehungsweise der Sende-Einkoppelbereichs 55 und/oder des Sensor-Auskoppelbereichs 70 können derart ausgebildet sein, dass sie neben der Umlenkung keine optische abbildende Funktion bewirken. Es ist jedoch auch möglich, dass die Mess-Diffraktionsstrukturen 53, 54 beziehungsweise Sende-Einkoppelbereichs 55 und/oder des Sensor-Auskoppelbereichs 70 zusätzlich zur Umlenkung eine optische Abbildungsfunktion bereitstellen und somit eine optische Abbildung bewirken. So kann die optische Abbildungsfunktion beispielsweise die Funktion einer Sammellinse oder Zerstreuungslinse, eines konkaven oder konvexen Spiegels, wobei die gekrümmten Flächen (zentriert oder dezentriert) sphärisch gekrümmt oder asphärisch gekrümmte Flächen sein können, verwirklichen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags 93. Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Wellenleiters 50 der Figur 2. Dabei zeigt Figur 3 den Wellenleiter 50 mit der Mess- Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 und der Mess-
Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70. Die Mess- Diffraktionsstruktur 53 des Sende-Einkoppelbereichs 55 und die Mess-
Diffraktionsstruktur 51 des Sende-Auskoppelbereichs 60 sind in Figur 3 nicht dargestellt. Die in Figur 3 schematisch illustrierten Teile des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 zeigen den von dem Objekt 15 (nicht gezeigt) reflektierten Mess-Lichtstrahl 85, den in dem Sensor-Einkoppelbereich 65 in den Wellenleiter 50 eingekoppelten Mess-Lichtstrahl 86 und den aus dem Wellenleiter 50 in den Sensor- Auskoppelbereich 70 ausgekoppelten Mess-Lichtstrahl 80.
Figur 3 illustriert drei verschiedene Teile des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 mit jeweils voneinander verschiedenen Wellenlängen L innerhalb des NIR-Bereichs S. Dabei sind die Teile des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen L mit verschiedenen Linientypen dargestellt. Jeweils ein Teil des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 ist mit Pfeilen mit einer durchgezogenen Linie, mit einer punktgestrichenen Linie und mit einer gestrichenen Linie dargestellt. Der Mess- Lichtstrahl 85 trifft wie mit Bezug zu Figur 1 beschrieben unter einem ersten Einfallswinkel A1 auf die Oberfläche 66 des Wellenleiters 50 und wird je nach Wellenlänge L in den Wellenleiter 50 eingekoppelt. Gemäß Figur 3 werden beim Einkoppeln des Mess-Lichtstrahls 85 in den Wellenleiter 50 in den Sensor-Einkoppelbereich 65 die Teile des Mess-Lichtstrahls 85 durch die Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 umgelenkt. Dabei erfolgt das Umlenken derart, dass die verschiedenen Teile des Mess-Lichtstrahls 85, 86 unterschiedliche Umlenkwinkel 58 aufweisen und innerhalb des Wellenleiters 50 verschiedene optische Wege mit dementsprechend unterschiedlichen optischen Weglängen 91 und unterschiedlichen Laufzeiten 92 zurücklegen, also zu unterschiedlichen Weglängenbeiträgen 93 und/oder der Laufzeitbeiträgen 94 führen.
Der Mess-Lichtstrahl 86 propagiert durch den Wellenleiter 50 und trifft auf die Mess- Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70 und wird dort gemäß der jeweiligen Wellenlänge L des jeweiligen Teils des Mess-Lichtstrahls 86 umgelenkt und aus den Wellenleiter 50 ausgekoppelt. Dabei wird der ausgekoppelte Mess- Lichtstrahl 80 in Richtung des Lichtsensors 30 (nicht in Figur 3 gezeigt) gelenkt. Durch das Umlenken des Mess-Lichtstrahls 80, 86 durch die Mess- Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70 werden die verschiedenen Teile des Mess-Lichtstrahls 80 auf Bildpunkte 32 (nicht in Figur 3 gezeigt) mit voneinander verschiedenen vertikalen Pixelpositionen vp gelenkt, wie in Figur 3 schematisch dargestellt. Damit werden die verschiedenen Teile des Mess- Lichtstrahls 80, 85, 86 je nach Wellenlänge L durch unterschiedliche Bildpunkte 32 des Lichtsensors 30 detektiert. Den unterschiedlichen Bildpunkten 32 des Lichtsensors 30 kann ein optischer Pfad und somit einer optische Weglänge 91 und eine Laufzeit 92 des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 zugeordnet werden.
Die Anordnung der Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 und optional eine zusätzliche Umlenkfunktion der Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 ermöglicht das Licht an einen für einen Nutzer nicht sichtbaren Bereich der Vorrichtung 10 geleitet wird. Somit kann die Mess-Lichtquelle 20 und der Lichtsensor 30 für einen Nutzer verborgen angeordnet werden. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags 93. Figur 4 zeigt dabei den Wellenleiter 50 der Vorrichtung 10 wie mit Bezug zu Figuren 2 und 3 beschrieben. Dabei zeigt Figur 4 eine andere Perspektive des Wellenleiters 50. Der Mess-Lichtstrahl 85 trifft wie mit Bezug zu Figur 1 beschrieben unter einem zweiten Einfallswinkel A2 auf die Oberfläche 66 des Wellenleiters 50 und wird je nach Wellenlänge L in den Wellenleiter 50 eingekoppelt.
Gemäß Figur 4 wird der Mess-Lichtstrahl 80, 85, 86 durch die Mess- Diffraktionsstruktur 52, 54 wie mit Bezug zu Figur 3 beschrieben gemäß der Wellenlänge L umgelenkt. Die horizontale Komponente der Umlenkung weist dabei vorzugsweise jedoch keine bzw. nur eine geringe Wellenlängenabhängigkeit auf, sondern wird im Wesentlichen durch die Brechung des Lichtstrahls beim Eintritt in den Wellenleiter 50 durch einen Eintrittswinkel bestimmt. Dies liegt vorteilhafterweise an der Auslegung der Mess-Diffraktionsstruktur 52, 54 und insbesondere an deren Gittervektor. Dadurch wird jeder Teil des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 aus dem Wellenleiter 50 in dem Sensor-Auskoppelbereich 70 durch die Mess-Diffraktionsstruktur 54 ausgekoppelt und trifft je nach Eintrittswinkel auf einen dem Eintrittswinkel zuordenbaren Bildpunkt 32 mit einer dem Eintrittswinkel zugeordneten horizontalen Pixelposition hp.
Die Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 weist eine Höhe von 16 mm, eine Breite von 150 mm und eine Dicke: von 100 /z m auf. Die Mess- Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-Auskoppelbereichs 70 weist eine Höhe von 16 mm, eine Breite von 16 mm und eine Dicke von 100 /z m auf.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags 93. Figur 5 zeigt dabei den Wellenleiter 50 der Vorrichtung 10 wie mit Bezug zu Figuren 2 bis 4 beschrieben. Dabei zeigt Figur 5 eine weitere Perspektive des Wellenleiters 50, wobei nur der Mess-Lichtstrahl 86 innerhalb des Wellenleiters 50 illustriert ist. Dabei zeigt die Wellenform des Mess-Lichtstrahls 86, dass der Mess-Lichtstrahl 86 durch den Wellenleiter 50 mit einer Anzahl von Totalreflexionen 57 von der Mess-Diffraktionsstruktur 52 des Sensor-
Einkoppelbereichs 65 zu der Mess-Diffraktionsstruktur 54 des Sensor-
Auskoppelbereichs 70 propagiert.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ablenkungskurve 200 einer Mess- Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung. Dabei zeigt Figur 6 eine Beziehung zwischen einem Umlenkwinkel 58 und der Wellenlänge L für die mit Bezug zu Figuren 1 bis 5 gezeigten Mess-Diffraktionsstrukturen 51 , 52, 53, 54. Dabei ist ersichtlich, dass mit steigender Wellenlänge L im dem Spektralbereich S ein Einkoppeln bei einem monoton sinkenden Umlenkwinkel 58 erfolgt, wobei der Umlenkwinkel 58 etwa bei einer Wellenlänge L von 720 nm +20° beträgt und etwa bei einer Wellenlänge L von 950 nm -20° beträgt.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung zur Darstellung eines wellenlängenabhängigen optischen Weglängenbeitrags 93. Figur 7 wird unter Bezugnahme zu Figur 3 und deren Beschreibung beschrieben. Dabei werden Ein- und Auskoppelstruktur, also die Mess-Diffraktionsstrukturen 52, 54 des Sensor-Einkoppelbereichs 65 und des Sensor-Auskoppelbereichs 70 so ausgebildet, dass die einfallenden Winkel A1 , A2 unverändert aus dem Wellenleiter 50 ausgekoppelt werden, also der Mess- Lichtstrahl 80, 85, 86 je Wellenlänge L beim Einkoppeln und beim Auskoppeln eine Umlenkung um dieselben Umlenkwinkel 58 erfährt. Beide Mess- Diffraktionsstrukturen 52, 54 tragen also die gleiche optische Funktion und lassen sich zueinander gleichartig herstellen. Durch die unterschiedlichen Einfallswinkel und die Dispersion des Waveguide-Materials ergeben sich unterschiedliche Propagationswinkel und optische Weglängen innerhalb des Wellenleiters 50. Gemäß Figur 7 erfolgt ein Umlenken des Mess-Lichtstrahls 80, 85, 86 durch die Mess-Diffraktionsstrukturen 52, 54 wie mit Bezug zu Figur 6 beschrieben. Ein Mess- Lichtstrahl 80, 85 ,86 unter einem Einfallswinkel A1 von -20° wird mit einer Wellenlänge L von 951 nm eingekoppelten und weist gemäß der mit Bezug zu Figuren 1 und 5 beschriebenen Geometrie 56 des Wellenleiters 50 und der Mess- Diffraktionsstrukturen 52, 54 in dem Wellenleiter 50 durch die Propagation durch den Wellenleiter 50 einen optischen Weglängenbeitrag 93 von 477.4 mm auf. Ein Mess-Lichtstrahl 80, 85 ,86 unter einem Einfallswinkel A1 von 0° wird mit einer Wellenlänge L von 861 nm eingekoppelten und weist einen optischen Weglängenbeitrag 93 von 411.6 mm auf. Ein Mess-Lichtstrahl 80, 85 ,86 unter einem Einfallswinkel A1 von +20° wird mit einer Wellenlänge L von 725nm eingekoppelten und weist einen optischen Weglängenbeitrag 93 von 365,9 mm auf.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer optionalen Abhängigkeit einer Wellenlänge L von einem ersten Einfallswinkel A1 und von einem zweiten Einfallswinkel A2 einer Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52 ,53 ,54 eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Dabei stellt Figur 8 die zwei Einfallswinkel A1 , A2 betreffende Verallgemeinerung der Ablenkungskurve 200 gemäß Figur 6 dar. Figur 8 illustriert unter welchen Einfallswinkeln A1 , A2 welche Wellenlänge L in den Wellenleiter 50 mit einer der Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52 ,53 ,54 ein- und/oder ausgekoppelt werden kann. Dabei ist der erste Einfallswinkel A1 ein Winkel zwischen einer Normale der Oberfläche 66 des Wellenleiters 50 und einer Richtung des Mess- Lichtstrahls 80, 81 , 86 in einer beziehungsweise projiziert in eine durch die erste Richtung R1 und die zweite Richtung R2 aufgespannten Ebene. Der zweite Einfallswinkel A2 ist ein Winkel zwischen einer Normale der Oberfläche 66 des Wellenleiters 50 und einer Richtung des Mess-Lichtstrahls 80, 81 , 86 in einer beziehungsweise projiziert in eine durch die zweite Richtung R2 und die dritte Richtung R3 aufgespannten Ebene (siehe Figuren 1 bis 7). Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer optionalen Abhängigkeit eines optischen Weglängenbeitrags 93 von einem ersten Einfallswinkel A1 und von einem zweiten Einfallswinkel A2 eines Wellenleiters 50 einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Dabei wird ersichtlich, dass von den Einfallswinkeln A1 , A2 auf den optischen Weglängenbeitrag 93 geschlossen werden kann. Gemäß Figur 8 wiederrum kann von den von den Einfallswinkeln A1 , A2 gleichfalls auf die Wellenlänge L geschlossen werden. Damit ergibt sich für jede Wellenlänge L ein entsprechender Weglängenbeitrag 93, der dank der Symmetrie der Figuren 8 und 9 bezüglich des zweiten Einfallswinkels A2 eindeutig ist. Damit stehen die Einfallswinkeln A1 , A2, der optische Weglängenbeitrag 93 und die Wellenlänge L in einer durch die Geometrie des Wellenleiters 50 und der Beschaffenheit der Mess- Diffraktionsstrukturen 51 , 52, 53, 54 vorbestimmten Beziehung zueinander. Die Informationen gemäß Figur 9 können in einem Speicher 96 einer Vorrichtung gemäß der Figuren 1 bis 7 abrufbar gespeichert sein. Figur 9 kann somit als ein Look-up-Table dienen, wobei die Wellenlänge L des Mess-Lichtstrahl 80 durch die horizontale Pixelposition hp und die vertikale Pixelposition vp bestimmbar ist wie mit Bezug zu Figuren 1 , 3 und 4 beschrieben. Von der durch die Laufzeitmessung bestimmten Entfernungsverteilung für die Entfernung zwischen dem Objekt 15 und der Vorrichtung 10 wird die durch den Wellenleiter 50 verursachte Weglängenverteilung, also die Verteilung der Weglängenbeiträge 93 subtrahiert, um ein korrigiertes Messergebnis für die Entfernungsverteilung zu erhalten.
Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Um lenkeff izienz I eines durch eine Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 umgelenkten Mess-Lichtstrahls 80, 81 , 82, 85, 86. Eine derartige Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 ist dabei einer der mit Bezug zu den vorangehenden Figuren beschriebenen Mess- Diffraktionsstrukturen 51 , 52, 53, 54. Der obere Graph der Figur 10 zeigt dabei die Umlenkeffizienz I in Abhängigkeit von dem Umlenkwinkel 58 und der Wellenlänge L in dem Spektralbereich S. Dabei ist ersichtlich, dass bei vergleichsweise kleinen Wellenlängen L die Umlenkeffizienz I vergleichsweise präzise um einen bestimmten Umlenkwinkel 58 lokalisiert ist und mit steigender Wellenlänge L die Lokalisierung um den der Wellenlänge L entsprechenden Umlenkwinkel 58 abnimmt. Dies ist ebenso in dem unteren Graph der Figur 10 gezeigt. Darin sind Kurven für verschiedene Wellenlängen L gezeigt, wobei eine niedrige Wellenlänge L eine im Wesentlichen unimodale und lokalisierte Winkelverteilung um einen Umlenkwinkel 58 hervorruft, während die Winkelverteilung um einen jeweiligen Umlenkwinkel 58 bei größeren Wellenlängen L weniger lokalisiert ist. Die Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52, 53, 54 kann durch eine entsprechende Belichtung des Wellenleiters 50 hergestellt werden. Durch einen oder mehrere entsprechende Belichtungswinkel bei der Belichtung des Wellenleiters 50 kann die Umlenkeffizienz I und damit der Objektbereich 16 beziehungsweise das Sichtfeld (field of view, FOV) eingestellt werden. Durch Erhöhung der Dicke des Volumenhologramms (Erhöhung der Anzahl der Braggebenen) kann die Winkelselektivität entsprechend den Anforderungen verbessert werden, so dass in einem jeweiligen Winkel ein schmalbandigeres Spektrum ausgekoppelt wird und damit eine Laufzeitunsicherheit verringert wird.
Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung. Bei der Beschreibung der Figur 11 wird auf die Beschreibung der vorherigen Figuren Bezug genommen.
Die Vorrichtung 10 weist eine Bild-Lichtquelle 22 zum Emittieren eines sichtbaren Bild-Lichtstrahls 23 auf. Die Bild-Lichtquelle 22 umfasst beispielsweise eine Matrix von Leuchtdioden und/oder ein LC-Display. Der Wellenleiter 50 weist eine Bild- Diffraktionsstruktur 77 zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Bild- Lichtstrahls 23 auf. Damit wird eine in der zweiten Richtung R2 von dem Wellenleiter 50 beabstandete Nutzerschnittstelle 87 abgebildet beziehungsweise rekonstruiert, wie in WO 2020/157306 A1 mit Bezug zu dem Beleuchtungs- und Projektionssystem beschrieben. Dabei kann die Bild-Lichtquelle 22 derart angeordnet sein, dass die Bild-Lichtquelle 22 und die Bild-Diffraktionsstruktur 77, in der ersten Richtung R1 , voneinander beabstandet angeordnet sind. Damit kann eine wellenlängenabhängige Transparenz der Vorrichtung 10 im Bereich der Bild- Diffraktionsstruktur 77 und/oder eine vielfältigere Anordnung der Komponenten der Vorrichtung 10 erzielt werden.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 90 ist dazu eingerichtet, eine Nutzereingabe 24 durch die Nutzerschnittstelle 87 anhand der Laufzeit 92 des Mess-Lichtstrahls 80 zu erfassen. Dabei ist das Objekt 15, dessen Entfernung zu der Vorrichtung 10 zu ermitteln ist, beispielsweise ein Körperteil eines Nutzers. Der Nutzer bewegt das Objekt 15, um mit der Nutzerschnittstelle 87 zu interagieren. Um eine Reaktion auf die Nutzereingabe 24 abzubilden, ist die Vorrichtung 10 dazu eingerichtet, die Bild- Lichtquelle 22 in Abhängigkeit der optischen Weglänge 91 und/oder der Laufzeit 92 des Mess-Lichtstrahls 80, also der Entfernung zwischen dem Objekt 15 und der Vorrichtung 10 anzusteuern.
Die in Figur 11 gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist insbesondere für ein Nutzerendgerät 210 anwendbar und ist dabei von dem Nutzerendgerät 210 umfasst. Das Nutzerendgerät 210 ist beispielsweise ein Smartphone, ein insbesondere tragbarer Computer und/oder eine Vorrichtung an einem Kraftfahrzeug. Damit ist es insbesondere möglich, ein Gestenmonitoring und/oder einen Bewegungsmelder zu realisieren. Die Anordnung der Bild-Diffraktionsstruktur 77 und optional eine zusätzliche Umlenkfunktion der Bild-Diffraktionsstruktur 77 ermöglicht das Licht an einen für einen Nutzer nicht sichtbaren Bereich des Nutzerendgeräts 210 geleitet wird.
Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Laufzeit 91 gemäß einem optionalen Aspekt der Offenbarung. Bei der Beschreibung der Figur 12 wird auf die Beschreibung der vorherigen Figuren Bezug genommen.
Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, ein in einer zweiten Richtung R2 von dem Wellenleiter 50 beabstandetes Abbildungsobjekt 88 relativ zu dem Objekt 15 virtuell abzubilden. Damit kann ein Nutzer durch den Wellenleiter 50 hindurchschauen und sieht das Abbildungsobjekt 88 relativ zu dem Objekt 15 angeordnet. Dafür sind die Bild-Lichtquelle 22 und die Bild-Diffraktionsstruktur 77 in der ersten Richtung R1 voneinander beabstandet angeordnet.
Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, die Bild-Lichtquelle 22 dynamisch und/oder in Abhängigkeit einer erfassten Bewegung des Objekts 15 anzusteuern.
Die in Figur 12 gezeigte Ausführungsform ist insbesondere für ein Detektions- und Beleuchtungsgerät 220 anwendbar und ist dabei von dem Detektions- und Beleuchtungsgerät.
Figur 13 zeigt ein Ablaufschema eines optionalen Verfahrens 100 zur Messung einer Laufzeit 92 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das Verfahren 100 kann mit ein der in den vorangehenden Figuren beschriebenen Vorrichtungen 10 zur Messung der Laufzeit 92 durchgeführt werden.
Das Verfahren 100 ist ein Verfahren 100 zur Messung der Laufzeit 92 eines Mess- Lichtstrahls 80. Das Verfahren 100 weist auf: Leiten 110 des Mess-Lichtstrahls 80 zu einem in einem Objektbereich 16 der Vorrichtung 10 befindlichen Objekt 15 und des von dem Objekt 15 reflektierten Mess-Lichtstrahls 85 zu einem Lichtsensor 30 wenigstens teilweise durch einen Wellenleiter 50 mit einer Mess-Diffraktionsstruktur 51 , 52 zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls 81 , 86, wobei der Mess-Lichtstrahl 86 in dem Wellenleiter 50 eine wellenlängenabhängige Weglänge 91 zurücklegt.
Es erfolgt ein Ermitteln 120 eines optischen Weglängenbeitrags 93 und/oder eines Laufzeitbeitrags 94 für den von dem Lichtsensor 30 detektierten Mess-Lichtstrahl 80 unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge 91 des Mess- Lichtstrahls 86 in dem Wellenleiter 50. Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit
15 Objekt
16 Objektbereich
20 Mess-Lichtquelle
21 Abbildungsvorrichtung
22 Bild-Lichtquelle
23 Bild-Lichtstrahl
24 Nutzereingabe
30 Lichtsensor
31 Abbildungsvorrichtung
50 Wellenleiter
51 Mess-Diffraktionsstruktur des Sende-Auskoppelbereichs
52 Mess- Diffraktionsstruktur des Sensor-Einkoppelbereichs
53 Mess-Diffraktionsstruktur des Sende-Einkoppelbereichs
54 Mess- Diffraktionsstruktur des Sensor-Auskoppelbereichs
55 Sende-Einkoppelbereich
56 Geometrie
57 Totalreflexion
58 Umlenkwinkel
59 Umgebung
60 Sende-Auskoppelbereich
65 Sensor-Einkoppelbereich
70 Sensor-Auskoppelbereich
75 Bild-Einkoppelbereich
76 Bild-Auskoppelbereich
77 Bild-Diffraktionsstruktur
80 Mess-Lichtstrahl
81 eingekoppelter Mess-Lichtstrahl
82 aus Wellenleiter in Richtung des Objekts austretender Mess-Lichtstrahl 85 reflektierter Mess-Lichtstrahl
86 in Sensor-Einkoppelbereich eingekoppelter Mess-Lichtstrahl 87 Nutzerschnittstelle
88 Abbildungsobjekt 90 Datenverarbeitungsvorrichtung
91 optische Weglänge
92 Laufzeit
93 optischer Weglängenbeitrag
94 Laufzeitbeitrag
95 Speicher
96 Prozessor 97 Eingabevorrichtung
98 Entfernungsdaten
100 Verfahren
110 Leiten des Mess-Lichtstrahls 120 Ermitteln
200 Ablenkungskurve 210 Nutzerendgerät
220 Detektions- und Beleuchtungsgerät
A1 Einfallswinkel
A2 Einfallswinkel
I Umlenkeffizienz L Wellenlänge
N1 Brechzahl
R1 erste Richtung
R2 zweite Richtung R3 dritte Richtung
S NIR-Bereich hp horizontale Pixelposition vp vertikale Pixelposition

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Messung einer Laufzeit (92) eines Mess-Lichtstrahls (80), umfassend eine Mess-Lichtquelle (20) zum Emittieren des Mess-Lichtstrahls (80), einen Lichtsensor (30) zum Detektieren des Mess-Lichtstrahls (80), einen Wellenleiter (50) und eine Datenverarbeitungsvorrichtung (90), wobei
- der Wellenleiter (50) derart ausgebildet ist, dass der von der Mess-Lichtquelle (20) emittierte Mess-Lichtstrahl (80) zu einem in einem Objektbereich (16) der Vorrichtung (10) befindlichen Objekt (15) und der von dem Objekt (15) reflektierte Mess-Lichtstrahl (85) zu dem Lichtsensor (30) wenigstens teilweise durch den Wellenleiter (50) geleitet wird, wobei der Wellenleiter (50) eine Mess- Diffraktionsstruktur (51 , 52) zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess- Lichtstrahl (81 , 86) aufweist und der Mess-Lichtstrahl (86) in dem Wellenleiter (50) eine wellenlängenabhängige Weglänge (91 ) zurücklegt, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Datenverarbeitungsvorrichtung (90) dazu eingerichtet ist, bei der Messung der Laufzeit (92) einen optischen Weglängenbeitrag (93) und/oder einen Laufzeitbeitrag (94) für den von dem Lichtsensor (30) detektierten Mess-Lichtstrahl (80) unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge (91 ) des Mess- Lichtstrahls (86) innerhalb des Wellenleiters (50) zu ermitteln.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei die Mess-Diffraktionsstruktur (51 , 52) zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls (81 , 86) in einem nahinfraroten Spektralbereich, NIR-Bereich, (S) eingerichtet ist.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtsensor (30) eine Mehrzahl von Bildpunkten (32) aufweist, und die Datenverarbeitungsvorrichtung (90) dazu eingerichtet ist, für mehrere der Bildpunkte (32) eines jeweils detektierten Teils des Mess-Lichtstrahls (80) den optischen Weglängenbeitrag (93) und/oder Laufzeitbeitrag (94) abzurufen und/oder zu berechnen.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der optischen Weglängenbeitrag (93) und/oder der Laufzeitbeitrag (94) einer vertikalen Pixelposition (vp) und einer horizontalen Pixelposition (hp) entspricht.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Mess-Diffraktionsstruktur (52) dazu eingerichtet ist, den von dem Objekt (15) reflektierten und unter einem ersten Einfallswinkel (A1 ) von +/- 20° auf eine Oberfläche (66) des Wellenleiters (50) treffenden Mess-Lichtstrahl (86) in den Wellenleiter (50) einzukoppeln und/oder den von dem Objekt (15) reflektierten und unter einem senkrecht zu dem ersten Einfallswinkel (A1 ) definierten zweiten Einfallswinkel (A2) von +/- 20° auf die Oberfläche (66) des Wellenleiters (50) treffenden Mess-Lichtstrahl (86) in den Wellenleiter (50) einzukoppeln.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (90) dazu eingerichtet ist, durch eine Eingabevorrichtung (97) das Objekt (15) betreffende Entfernungsdaten (98) zu erfassen und das Ermitteln der optischen Weglänge (91 ) und/oder der Laufzeit (92) anhand der Entfernungsdaten (98) zu kalibrieren.
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine Bild-Lichtquelle (22) zum Emittieren eines sichtbaren Bild-Lichtstrahls (23) aufweist und der Wellenleiter (50) eine Bild-Diffraktionsstruktur (77) zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Bild-Lichtstrahls (23) aufweist.
8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Bild-Lichtquelle (22) in Abhängigkeit der optischen Weglänge (91 ) und/oder der Laufzeit (92) des Mess-Lichtstrahls (80) anzusteuern.
9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, eine in einer zweiten Richtung (R2) von dem Wellenleiter (50) beabstandete Nutzerschnittstelle (87) abzubilden und eine Nutzereingabe (24) durch die Nutzerschnittstelle (87) anhand der Laufzeit (92) des Mess-Lichtstrahls (80) zu erfassen.
10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein in einer zweiten Richtung (R2) von dem Wellenleiter (50) beabstandetes Abbildungsobjekt (88) relativ zu dem Objekt (15) abzubilden.
11 . Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Bild-Lichtquelle (22) dynamisch und/oder in Abhängigkeit einer erfassten Bewegung des Objekts (15) anzusteuern.
12. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) einen Spiegel und/oder ein Prisma zum Umlenken des aus dem Wellenleiter (50) austretenden Mess-Lichtstrahls (82) und/oder zum Umlenken des von dem Objekt (15) reflektierten Mess-Lichtstrahls (85) aufweist.
13. Nutzerendgerät (210), umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Detektions- und Beleuchtungsgerät (220), umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
15. Verfahren (100) zur Messung einer Laufzeit (92) eines Mess-Lichtstrahls (80), wobei das Verfahren (100) aufweist:
- Leiten (110) des Mess-Lichtstrahls (80) zu einem in einem Objektbereich (16) befindlichen Objekt (15) und des von dem Objekt (15) reflektierten Mess-Lichtstrahls (85) zu einem Lichtsensor (30) wenigstens teilweise durch einen Wellenleiter (50) mit einer Mess-Diffraktionsstruktur (51 , 52) zum wellenlängenabhängigen Umlenken des Mess-Lichtstrahls (81 , 86), wobei der Mess-Lichtstrahl (86) in dem Wellenleiter (50) eine wellenlängenabhängige Weglänge (91 ) zurücklegt; und
- Ermitteln (120) eines optischen Weglängenbeitrags (93) und/oder eines Laufzeitbeitrags (94) für den von dem Lichtsensor (30) detektierten Mess-Lichtstrahl (80) unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Weglänge (91 ) des Mess- Lichtstrahls (86) innerhalb des Wellenleiters (50).
16. Verfahren (100) nach Anspruch 15, wobei der optische Weglängenbeitrag (93) und/oder Laufzeitbeitrag (94) abhängig von einer wellenlängenabhängigen Anzahl von Totalreflexionen (57) innerhalb des Wellenleiters (50) und/oder eines wellenlängenabhängigen Umlenkwinkels (58) innerhalb des Wellenleiters (50) ermittelt ist.
17. Computerprogramm und/oder computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms bzw. der Befehle durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (100) und/oder die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 15 oder 16 durchzuführen.
18. Datenverarbeitungsvorrichtung (90), wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (90) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (100) nach Anspruch 15 oder 16 durchzuführen.
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