Title:
Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds, ein System zur Ansteuerung des optischen Systems, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des optischen Systems, wobei das optische System wenigstens einen Sender umfassend mindestens eine Quelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung und mindestens eine Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahlenverlaufs der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung in das Abtastfeld aufweist. Das optische System weist weiterhin wenigstens einen optischen Empfänger umfassend mindestens ein optisches Filterelement zur Filterung der im Abtastfeld rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung und mindestens ein Detektorelement zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung auf. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Wellenlänge der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung variierbar ist und die Variierung der Wellenlänge abhängig von der Ablenkung des Strahlenverlaufs erfolgt.





Inventors:
Stoppel, Klaus (74395, Mundelsheim, DE)
Bogatscher, Siegwart (74372, Sersheim, DE)
Application Number:
DE102016213446A
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
07/22/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
G01S7/48; G01S7/481; G01S7/486; G01S7/493; G01S17/42; H01S3/00
Domestic Patent References:
DE102006040813A1N/A
DE19936847A1N/A
Foreign References:
5241315
Other References:
XIAO, Feng; HU, Weiwei; XU, Anshi: Optical phased-array beam steering controlled by wavelength. In: Applied Optics. 2005, Bd. 44, H. 26, S. 5429-5433. ISSN 1539-4522 (E); 0003-6935 (P). DOI: 10.1364/AO.44.005429. URL: https://www.osapublishing.org/view_article.cfm?gotourl=https%3A%2F%2Fwww.osapublishing.org%2FDirectPDFAccess%2F0B00FB81-B694-F4BC-7ED995EEF7048F73_85111%2Fao-44-26-5429.pdf%3Fda%3D1%26id%3D85111%26seq%3D0%26mobile%3Dno&org=Deutsches%20Patent%20und%20Markenamt [abgerufen am 10.11.2016].
Claims:
1. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) mit wenigstens
• einem Sender (301, 701) umfassend
– mindestens eine Quelle (303) zur Emission elektromagnetischer Strahlung (107, 108, 110),
– mindestens eine Ablenkeinheit (304, 603) zur Ablenkung (109, 111) des Strahlenverlaufs der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (107, 108, 110) in das Abtastfeld (105),
• und wenigstens einem optischen Empfänger (302, 702) umfassend
– mindestens ein optisches Filterelement (113) zur Filterung der im Abtastfeld (105) rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120)
– und mindestens ein Detektorelement (115) zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120),
dadurch gekennzeichnet, dass
• die Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (107, 108, 110) variierbarer ist und
• die Variierung der Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) abhängig von der Ablenkung (109, 111) des Strahlenverlaufs erfolgt.

2. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Quelle (303) zur Emission elektromagnetischer Strahlung (117, 118, 120) ein Laser, bevorzugt ein Diodenlaser ist.

3. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Filterelement ein Bandpassfilter (113) ist.

4. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkung (109, 111) der elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120) in einem Winkelbereich um eine vorbestimmte Ausrichtung (106) des Abtastfeldes (105) erfolgt.

5. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variierung der Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) abhängig vom Transmissionsgrad (T) des mindestens einen optischen Filterelements (113) ist.

6. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit ein um die Ausrichtung (106) des Abtastfelds (105) und/oder in einer zweiten Dimension oszillierend schwenkbarer Ablenkspiegel (304), bevorzugt ein Mikrospiegel ist.

7. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge (λ4, λ5) der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120) synchron mit dem oszillierend schwenkbaren Ablenkspiegel (304) variiert wird.

8. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit ein Optical Phased Array (603) ist.

9. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Quelle (303) emittierte elektromagnetische Strahlung (117, 118, 120) mit Hilfe von Verzweigern (601) und Wellenleitern (602) in das Optical Phased Array (603) eingekoppelt wird.

10. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filterelement (113) derart im optischen Empfänger (702) positioniert ist, dass es um einen Winkel (704) von der optischen Achse (116) der Empfangseinheit abgelenkt ist.

11. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (704) vom Transmissionsgrad (T) des optischen Filterelements (113) abhängig ist.

12. Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds (105) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (302, 702) eine Linse (114) zum Fokussieren der empfangenen, von dem optischen Filterelement (113) gefilterten, elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120) auf das Detektorelement (115) aufweist.

13. System zur Ansteuerung eines optisches Systems zur Erfassung eines Abtastfelds (105), wobei das optische System wenigstens aufweist
• einen Sender (301, 701) umfassend
– mindestens eine Quelle (303) zur Emission elektromagnetischer Strahlung (107, 108, 110),
– mindestens eine Ablenkeinheit (304, 603) zur Ablenkung (109, 111) des Strahlenverlaufs der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (107, 108, 110) in das Abtastfeld (105),
• und wenigstens einen optischen Empfänger (302, 702) umfassend
– mindestens ein optisches Filterelement (113) zur Filterung der im Abtastfeld (105) rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120)
– und mindestens ein Detektorelement (115) zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120),
dadurch gekennzeichnet, dass
• die Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (107, 108, 110) variierbarer ist und
• die Variierung der Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) abhängig von der Ablenkung (109, 111) des Strahlenverlaufs erfolgt.

14. Verfahren zur Ansteuerung eines optisches Systems zur Erfassung eines Abtastfelds (105), wobei das optische System wenigstens aufweist
• einen Sender (301, 701) umfassend
– mindestens eine Quelle (303) zur Emission elektromagnetischer Strahlung (107, 108, 110),
– mindestens eine Ablenkeinheit (304, 603) zur Ablenkung (109, 111) des Strahlenverlaufs der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (107, 108, 110) in das Abtastfeld (105),
• und wenigstens einen optischen Empfänger (302, 702) umfassend
– mindestens ein optisches Filterelement (113) zur Filterung der im Abtastfeld (105) rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120)
– und mindestens ein Detektorelement (115) zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung (117, 118, 120),
dadurch gekennzeichnet, dass
• die Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) der von der Quelle (303) emittierten elektromagnetischen Strahlung (107, 108, 110) variierbarer ist und
• die Variierung der Wellenlänge (λ4, λ5, λ6, λ7, λ8) abhängig von der Ablenkung (109, 111) des Strahlenverlaufs erfolgt.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds, ein System zur Ansteuerung eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.

Stand der Technik

In optischen Systemen zur Erfassung eines Abtastfelds, zum Beispiel scannenden biaxialen LIDAR-Sensoren und biaxialen 3D-Scannern, kommen optische Bandpassfilter (Interferenzfilter) zur Blockierung von einfallendem Umgebungslicht (zum Beispiel Sonnenstrahlung) zum Einsatz. Aus der US 5241315 ist ein augensicheres, kompaktes, Festkörper-Lidar-System zur Profilmessung atmosphärischer Wolken- und Aerosolstreuung bekannt. Bei diesem System wird das durch Tageslicht verursachte Photonenrauschen des Empfängers mittels eines schmalen Sichtfeldes des Empfängers und einem Temperatur-gesteuertem Bandpassfilter mit schmaler Bandbreite gesteuert.

Als Bandpassfilter mit schmaler Bandbreite werden üblicherweise Interferenzfilter eingesetzt. Diese Filter tragen jedoch ihrerseits empfindlich zur Reduzierung des Sichtfeldes des Empfängers bei. Diese Reduzierung rührt daher, dass sich die Transmissionscharakteristik von Bandpassfiltern mit steigendem Einfallswinkel des Lichts zum Lot der Filteroberfläche hin zu geringeren Wellenlängen verschiebt.

Optische Systeme zur Erfassung eines Abtastfelds, wie zum Beispiel LIDAR-Sensoren, können unter anderem in Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge zur Erfassung des Verkehrsumfelds eingesetzt werden, beispielsweise zur Ortung von vorausfahrenden Fahrzeugen oder anderen Hindernissen. Hierfür sollte sich das Sichtfeld des Empfängers über den gesamten Winkelbereich des scannenden optischen Systems erstrecken. Um dies zu gewährleisten, wird im allgemeinen die Hüllkurve aller Transmissionscharakteristiken, die durch die unterschiedlichen Einfallswinkel zustande kommen, als Halbwertsbreite des Filters gewählt. Die für diese Anwendungen verwendeten Bandpassfilter besitzen aus diesem Grund meist eine Halbwertsbreite von ca. 30–40 nm. Dies bringt wieder den Nachteil mit sich, dass ungewünschtes Umgebungslicht aus dem gesamten Abtastfeld, welches im Transmissionsbereich des Filters liegt, auf den Detektor des Empfängers gelangen kann. Der Dynamikbereich des Detektors sowie das Signal-zu-Rauschverhältnis werden hierdurch reduziert. Weiterhin wird das Umgebungslicht im Detektor in Strom umgewandelt, was vor allem bei großen Detektoren bzw. Detektorarrays zu großen Verlustleistungen und damit zu Wärmeentwicklung führt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem optischen System zur Erfassung eines Abtastfelds mit wenigstens einem Sender umfassend mindestens eine Quelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung, mindestens eine Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahlenverlaufs der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung in das Abtastfeld, und wenigstens einem optischen Empfänger umfassend mindestens ein optisches Filterelement zur Filterung der im Abtastfeld rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung und mindestens ein Detektorelement zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung.

Erfindungsgemäß ist die Wellenlänge der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung variierbar und die Variierung der Wellenlänge erfolgt abhängig von der Ablenkung des Strahlenverlaufs.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Halbwertsbreite des optischen Bandpassfilters deutlich reduziert werden kann, ohne dabei den Scanwinkelbereich/das Abtastfeld zu reduzieren. Weiterhin können herstellungsbedingte Schwankungen der Zentralwellenlänge der Quelle, welche zum Beispiel bei üblicherweise verwendeten Laserdioden bis zu 10 nm betragen können, durch die Einstellbarkeit der Wellenlänge ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Blendung mehrerer Sensoren deutlich reduziert, da nicht nur die momentane Blickrichtung sondern auch gleichzeitig die Wellenlänge sequenziell verändert werden kann.

Zur Erfassung eines Abtastfelds und zur Detektion von Objekten in diesem Abtastfeld sendet die Quelle in bekannter Weise elektromagnetische Strahlung aus. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Quelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung ein Laser, bevorzugt ein Diodenlaser ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Verwendung von monochromatischer oder polarisierter elektromagnetischer Strahlung die Zuverlässigkeit der Objekterkennung steigern kann.

Die elektromagnetische Strahlung wird von im Abtastfeld befindlichen Objekten zurück gestreut und/oder reflektiert und anschließend vom Detektorelement erfasst. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine optische Filterelement des optischen Empfängers ein Bandpassfilter. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass lediglich elektromagnetische Strahlung im Bereich der Bandbreite des Bandpassfilters auf den Detektor gelangt. Strahlung, die Wellenlängen außerhalb des Bereichs der Bandbreite des Bandpassfilters besitzt (zum Beispiel störende Umgebungsstrahlung), wird blockiert und erreicht den Detektor nicht.

Unter der Erfassung eines Abtastfelds wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass Objekte im Abtastfeld detektiert werden können, dass Abstände zwischen dem optischen System und einem im Abtastfeld befindlichen Objekt bestimmt werden können und/oder das charakteristische Merkmale eines in Abtastfeld befindlichen Objektes erkannt werden können (z. B. Reflektivität).

Unter der Bandbreite des Bandpassfilters wird im Sinne der Erfindung der Bereich um die Zentralwellenlänge des Filters verstanden, der durchlässig für elektromagnetische Strahlung ist. In der Optik wird häufig auch der Begriff der Halbwertsbreite verwendet. Dies ist die Differenz der beiden Wellenlängen, bei der die Transmission eines optischen Filters, speziell eines Bandpassfilters, auf den halben Wert der maximalen Transmission abgefallen ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung in einem Winkelbereich um eine vorbestimmte Ausrichtung des Abtastfeldes. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass genau festgelegt werden kann, um welchen Ablenkwinkel elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge in das Abtastfeld ausgesendet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Variierung der Wellenlänge abhängig vom Transmissionsgrad des mindestens einen optischen Filterelements. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ermöglicht werden kann, dass sich die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung der Quelle im Transmissionsbereich des Bandpassfilters befindet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Ablenkeinheit ein um die Ausrichtung des Abtastfeldes und/oder in einer zweiten Dimension oszillierend schwenkbarer Ablenkspiegel, bevorzugt ein Mikrospiegel. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass auch eine präzise einstellbare Strahlablenkung und sogar eine Strahlablenkung um zwei Achsen möglich wird. Die Variierung der Wellenlänge der Quelle kann relativ gering gehalten werden, um ein ausreichend großes Abtastfeld zu erreichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wellenlänge der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung synchron mit dem oszillierend schwenkbaren Ablenkspiegel variiert. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Strahlung mit einer Wellenlänge, die der Zentralwellenlänge des Bandpassfilters entspricht, entlang der Ausrichtung des Abtastfeldes ausgesendet werden kann. Bei der jeweils größten Ablenkung (in positiver oder negativer Richtung von der Ausrichtung des Abtastfeld) kann Strahlung mit der geringsten Wellenlänge ausgesendet werden. Auch hierdurch kann realisiert werden, dass sich die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung der Quelle zu jedem Zeitpunkt im Transmissionsbereich des Bandpassfilters befindet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Ablenkeinheit ein Optical Phased Array. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass bei einer Strahlablenkung auf die Verwendung von elektromechanischen Bauteilen, wie zum Beispiel einem Makrospiegel oder einem Mikrospiegel, verzichtet werden kann. Vor allem elektromechanische Bauteile sind anfällig für Verschleiß. Es können über die Zeit Defekte oder Dejustagen auftreten. Ein Verzicht auf entsprechende elektromechanische Bauteile kann somit zu einer höheren Langlebigkeit des optischen Systems führen. Außerdem können bei der Verwendung elektromechanischer Bauteile mechanische Störeineinflüsse auftreten. So können z. B. Schocks oder Vibrationen zu fehlerhaften Messungen führen. Durch die Verwendung des Optical Phased Arrays können derartige Störeinflüsse vermieden werden. Darüber hinaus kann eine kompaktere Bauweise des optischen Systems realisiert werden.

Ein Optical Phased Array, auch kurz Phased Array genannt, besteht aus zumeist auf einem Chip angeordneten Antennen, die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung ablenken können. So wurde unter anderem von Feng et al. eine Kombination eines Optical Phased Arrays mit einem in der Wellenlänge variierbaren Laser gezeigt, bei dem durch die Variierung der Wellenlänge des Lasers die Abstrahlrichtung des Optical Phased Arrays verändert werden konnte (“Optical Phased-Array Beam Steering Controlled by Wavelenght“, Applied Optics, Vol. 44, Issue 26, 5429–5433 (2005)).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die von der Quelle emittierte elektromagnetische Strahlung mithilfe von Verzweigungen und Wellenleitern in das Optical Phased Array eingekoppelt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die von der Quelle emittierte elektromagnetische Strahlung nahezu verlustfrei in das Optical Phased Array eingekoppelt und anschließend abgelenkt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Filterelement derart im optischen Empfänger positioniert, dass es um einen Winkel von der optischen Achse der Empfangseinheit abgelenkt ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Winkel vom Transmissionsgrad des optischen Filterelements abhängig. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass empfangene elektromagnetische Strahlung jeglicher ausgesendeter Wellenlänge im Transmissionsmaximum des Filters liegen kann. Der Winkel wird bevorzugt so gewählt, dass der Empfangsstrahl mit der größten Wellenlänge genau senkrecht zur Filteroberfläche einfällt. Der Empfangsstrahl mit der größten Wellenlängen kann auf diese Weise im Transmissionsmaximum des Filters liegen. Empfangene elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge kleiner ist, trifft nicht senkrecht auf die Filteroberfläche, sondern unter einem Winkel auf diese auf und kann dadurch ebenfalls im Transmissionsmaximum des Filters liegen.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der Empfänger des optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfels eine Linse zum Fokussieren der empfangenen, von dem optischen Filterelement gefilterten, elektromagnetischen Strahlung auf das Detektorelement auf.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein System zur Ansteuerung eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds beansprucht. Das optische System weist hierbei wenigstens einen Sender umfassend mindestens eine Quelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung und mindestens eine Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahlenverlaufs der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung in das Abtastfeld auf. Das optische System weist weiterhin wenigstens einen optischen Empfänger umfassend mindestens ein optisches Filterelement zur Filterung der im Abtastfeld rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung und mindestens ein Detektorelement zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung auf. Die Wellenlänge der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung ist variierbar und die Variierung der Wellenlänge erfolgt abhängig von der Ablenkung des Strahlenverlaufs.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfeldes beansprucht. Das optische System weist hierbei wenigstens einen Sender umfassend mindestens eine Quelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung und mindestens eine Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahlenverlaufs der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung in das Abtastfeld auf. Das optische System weist weiterhin wenigstens einen optischen Empfänger umfassend mindestens ein optisches Filterelement zur Filterung der im Abtastfeld rückgestreuten und/oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung und mindestens ein Detektorelement zur Detektion der gefilterten elektromagnetischen Strahlung auf. Die Wellenlänge der von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung ist variierbar und die Variierung der Wellenlänge erfolgt abhängig von der Ablenkung des Strahlenverlaufs.

Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 Aufbau und Strahlengang eines biaxialen optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds gemäß dem Stand der Technik;

2 Filtercharakteristik eines Bandpassfilters in einem optischen System zur Erfassung eines Abtastfelds gemäß dem Stand der Technik;

3 Aufbau und Strahlengang eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung mit Mikrospiegel;

4 Transmissionscharakteristik eines Bandpassfilters gemäß der Ausführungsvariante der Erfindung mit Mikrospiegel;

5 beispielhaftes Ansteuerungssignal für die Wellenlänge eines in der Wellenlänge variierbaren Lasers gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung mit oszillierend schwenkbarem Mikrospiegel;

6 schematische Darstellung eines in der Wellenlänge variierbaren Lasers, dessen Ausgangsstrahl in ein Optical Phased Array eingekoppelt wird;

7 Aufbau und Strahlengang eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung mit Optical Phased Array;

8 Schematische Darstellung der wellenlängenabhängigen Abstrahlwinkel eines Optical Phased Arrays;

9 Transmissionscharakteristik eines Bandpassfilters gemäß der Ausführungsvariante der Erfindung mit Optical Phased Array.

1 zeigt beispielhaft den Aufbau und Strahlengang eines biaxialen optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds gemäß dem Stand der Technik. Das optische System kann beispielsweise ein biaxialer 3D-Scanner sein. Im linken Teil der 1 ist der Sender/die Sendeeinheit 101 gezeigt, im rechten Teil der optische Empfänger/die Empfangseinheit 102. Die Sendeeinheit 101 enthält eine Quelle 103, bei der es sich um einen Laser handelt. Vom Laser 103 wird elektromagnetische Strahlung in einem oft sehr engen Frequenzbereich, sprich monochromatische Strahlung, emittiert. Die Strahlung trifft auf eine Ablenkeinheit 104, in 1 ein Mikrospiegel, mittels der die Strahlung in ein durch einen Winkelbereich aufgespanntes Abtastfeld 105 mit einer vorbestimmten Ausrichtung 106 abgelenkt wird. Durch die Bewegung des Mikrospiegels wird somit beispielsweise ein Laserstrahl 107 entlang der Ausrichtung des Abtastfelds 106 ausgesendet, ein Laserstrahl 108 wird um einen negativen Winkel 109 von der Ausrichtung 106 des Abtastfelds 105 abgelenkt und ein Laserstrahl 110 wird um einen positiven Winkel 111 von der Ausrichtung 106 des Abtastfelds 105 abgelenkt. Die Winkel 109 und 111 sind hier die Winkel, die maximal möglich bzw. nötig sind um das durch einen Winkelbereich aufgespannte Abtastfeld 105 komplett zu erfassen. Die Sendeeinheit 101 sendet elektromagnetische Strahlung aus und empfängt mit der Empfangseinheit 102 elektromagnetische Strahlung, die im Abtastfeld 105 an einem Objekt 112 rückgestreut und/oder reflektiert wurde.

Die Empfangseinheit 102 ist entlang ihrer optischen Achse 116 ausgerichtet. Die Ausrichtung dieser optischen Achse 116 entspricht im Beispiel der Ausrichtung des Abtastfels 106. Die von der Empfangseinheit 102 empfangene elektromagnetische Strahlung wird mithilfe des optischen Filterelements 113, im Beispiel ein Bandpassfilter, gefiltert und mittels einer Linse 114 auf das Detektorelement 115 fokusiert. Die Empfangseinheit 102 ist entlang der optischen Achse 116 ausgerichtet. Der Strahlengang der von der Empfangseinheit 102 empfangenen elektromagnetischen Strahlen ist mit den gestrichelten Linien 117, 118 und 120 dargestellt. Im Beispiel wird Strahl 117 entlang der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 102 rückgestreut und/oder reflektiert. Bei Strahl 118 handelt es sich um einen um einen negativen Winkel 119 von der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 102 rückgestreuten und/oder reflektierten Strahl, bei Strahl 120 um einen um einen positiven Winkel 121 von der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 102 rückgestreuten und/oder reflektierten Strahl. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ändert sich durch die Rückstreuung oder Reflexion am Objekt 112 im Abtastfeldes 105 kaum bis gar nicht. Die Wellenlängen der Strahlen 117, 118 und 120 sind somit nahezu identisch und entsprechen nahezu der Wellenlänge, der elektromagnetischen Strahlung, die vom monochromatischem Laser 103 emittiert wurde.

Wie oben bereits beschrieben wird gemäß dem Stand der Technik ein Bandpassfilter 113 gewählt, dessen Halbwertsbreite meist im Bereich von ca. 30–40 nm liegt. 2 verdeutlicht noch einmal, warum dies notwendig ist. Im gezeigten Diagramm ist der Transmissionsgrad T des optischen Filterelements 113 über der Wellenlänge λ der emittierten bzw. rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufgetragen. Der Transmissionsgrad T gibt das Verhältnis von vom Filter 113 hindurchgelassener zu auftreffender Strahlungsintensität an. Die durchgezogene Linie 201 zeigt die Filtercharakteristik/die Transmissionskurve des optischen Filterelements 113 für einen entlang der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 102 eintreffenden Strahl 117. Die gestrichelte Linie 202 zeigt die Filtercharakteristik/die Transmissionskurve des optischen Filterelements 113 für die unter einem Winkel 119 bzw. 121 zur optischen Achse 116 der Empfangseinheit 102 eintreffenden Strahlen 118 bzw. 120. Um den gesamten Winkelbereich des Abtastfelds 105 abzudecken und sämtliche dort rückgestreute und/oder reflektierter Strahlung in der Empfangseinheit 102 detektieren zu können, muss die Halbwertsbreite des Bandpassfilters meist im Bereich von ca. 30–40 nm gewählt werden. Als Emissionswellenlänge des Lasers 103 wird λ3 gewählt, welche möglichst der Zentralwellenlänge des Bandpassfilters 113 entspricht. Würde λ2 als Emissionswellenlänge des Lasers 103 gewählt werden, so würde Strahlung 107 bzw. 117 die entlang der Ausrichtung des Abtastfeldes 106 ausgesendet bzw. rückgestreut und/oder reflektiert wird, detektiert werden können. Strahlung 108 und 110 bzw. 118 und 120, die unter den Winkeln 109 und 111 bzw. 119 und 121 ausgesendet bzw. rückgestreut und/oder reflektiert wird, könnte beispielsweise nicht von der Empfangseinheit 102 detektiert werden. Die Wellenlänge λ1 wäre als Emissionswellenlänge des Lasers 103 gänzlich ungeeignet.

3 zeigt den Aufbau und Strahlengang eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds 105 gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung mit Mikrospiegel 304. Im linken Teil der Figur ist die Sendeeinheit 301, im rechten Teil der Figur die Empfangseinheit 302 der Ausführungsvariante gezeigt. Der Aufbau und Strahlengang ähnelt dem optischen System, wie es in 1 gezeigt wurde. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch darin, dass das optische System als Quelle einen in der Wellenlänge variierbaren Laser 303 aufweist. Die von diesem Laser 303 emittierte elektromagnetische Strahlung kann Wellenlängen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums aufweisen. Sie kann beispielsweise im Bereich des sichtbaren Lichts oder auch in anderen Bereichen wie zum Beispiel im Infrarot- oder Ultraviolettbereich liegen. Aufgrund der Variierbarkeit der Wellenlänge des Lasers 303 kann der Laserstrahl 107, der entlang der Ausrichtung des Abtastfeldes 106 ausgesendet wird, beispielsweise mit einer Wellenlänge λ4 emittiert werden, die Laserstrahlen 108 und 110 hingegen können beispielsweise mit einer von λ4 verschiedenen Wellenlänge λ5 emittiert werden. Die vom in der Wellenlänge variierbaren Laser 303 emittierte elektromagnetische Strahlung wird mittels eines Mikrospiegels 304 in das Abtastfeld 105 ausgesendet. Die im Abtastfeld 105 an einem Objekt 112 gestreute und/oder reflektierter elektromagnetische Strahlung wird von der Empfangseinheit 302 detektiert. Im Beispiel besitzt die optische Achse 116 der Empfangseinheit 302 wiederum die gleiche Ausrichtung wie das Abtastfeld 105. Entsprechend wird der detektierte Strahl 117 die Wellenlänge λ4, und die detektieren Strahlen 118 und 120 werden die Wellenlänge λ5 aufweisen. Der sich hieraus ergebende Vorteil ist in 4 näher dargestellt.

4 zeigt die Transmissionscharakteristik eines Bandpassfilters 113 gemäß der Ausführungsvariante der Erfindung mit Mikrospiegel 304. Im gezeigten Diagramm ist widerrum der Transmissionsgrad T des optischen Filterelements 113 über der Wellenlänge λ der emittierten bzw. rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufgetragen. Die Kurve 401 zeigt die Filtercharakteristik des Bandpassfilters 113 für einen entlang der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 302 eintreffenden rückgestreuten und/oder reflektierten Strahl 117. Wie für Bandpassfilter üblich verschiebt sich diese Transmissionscharakteristik hin zu kürzeren Wellenlängen, wenn die eintreffenden Strahlen 118 bzw. 120 um einen negativen 119 oder positiven Winkel 121 von der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 302 abgelenkt sind. Die Filtercharakteristik des Bandpassfilters 113 für diesen Fall wird durch die Kurve 402 verdeutlicht. Durch die Verwendung eines in der Wellenlänge variierbaren Lasers 303 kann ermöglicht werden, dass sich die Wellenlänge der emittierten bzw. empfangenen elektromagnetischen Strahlung im Transmissionsbereich des Bandpassfilters befindet. Idealerweise wird diese so gewählt, dass sie jeweils möglichst genau im Transmissionsmaximum liegt. In 4 zeigt der Bandpassfilter 113 beispielsweise ein Transmissionsmaximum für Strahlen 117, die entlang der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 302 empfangen werden, bei der Wellenlänge λ4; für empfangene Strahlen 118 bzw. 120, die um einen negativen 119 oder positiven Winkel 121 von der optischen Achse 116 der Empfangseinheit 302 abgelenkt sind, bei der Wellenlänge λ5. Die Wellenlänge des Lasers 303 für entlang der Ausrichtung des Abtastfelds 106 ausgesendete Strahlen 107 wird somit möglichst bei λ4 gewählt. Für Strahlen 108 bzw. 110, die um einen negativen 109 oder positiven Winkel 110 von der Ausrichtung 106 des Abtastfeldes 105 abgelenkt werden, wird die Wellenlänge des Lasers 303 möglichst bei λ5 gewählt. Somit kann gewährleistet werden, dass die rückgestreute und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung sich möglichst genau im Transmissionsmaximum der Filtercharakteristik 401 bzw. 402 des Bandpassfilters 113 befindet. Die Halbwertsbreite des Bandpassfilters 113 kann schmal gewählt werden.

5 zeigt beispielhaft das Ansteuerungssignal für die Wellenlänge eines in der Wellenlänge variierbaren Lasers 303 im Fall eines um eine Achse oszillierend schwenkbaren Mikrospiegels 304. Im oberen Teil des Diagramms ist der Winkel 501 der Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung um die Ausrichtung 106 des Abtastfelds 105 über die Zeit t aufgetragen. Durch die Bewegung des Mikrospiegels 304 kann die Strahlung jeweils bis zum negativen Winkel 109 bzw. bis zum positiven Winkel 111 derart abgelenkt werden, dass der vom Abtastfeld 105 aufgespannt Winkelbereich komplett ausgeleuchtet werden kann. Die Wellenlänge des Lasers 303 kann synchron zur Strahlablenkung variiert werden. Bei der jeweils maximalen Ablenkung um den negativen Winkel 109 bzw. den positiven Winkel 100 emittiert der Laser 303 Strahlung mit einer Wellenlänge λ5. Bei einer Ablenkung um einen Winkel von 0°, sprich wenn der Laserstrahl entlang der Ausrichtung des Abtastfeld 106 ausgesendet wird, emittiert er Laser 303 Strahlung mit einer Wellenlänge λ4. In den Winkelbereichen dazwischen kann die Strahlung des Lasers 303 synchron zur Ablenkung variiert werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass sich die Wellenlänge des Lasers 303 zu jedem Zeitpunkt im Transmissionsbereich des Bandpassfilters befindet.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Ablenkeinheit 104 ein Optical Phased Array 603. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines in der Wellenlänge variierbaren Lasers 303, dessen Ausgangsstrahl in ein Optical Phased Array 603 eingekoppelt wird. Durch mehrere Splitter 601 wird der Strahl in viele Teilstrahlen aufgeteilt und über Wellenleiter 602 in das Optical Phased Array eingekoppelt.

7 zeigt den Aufbau und Strahlengang eines optischen Systems zur Erfassung eines Abtastfelds 105 gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung mit Optical Phased Array 603. Im linken Teil der Figur ist die Sendeeinheit 701, im rechten Teil der Figur die Empfangseinheit 702 gezeigt. In der Sendeeinheit 701 werden ein in der Wellenlänge variierbarer Laser 303 und ein Optical Phased Array 603, wie sie in 6 gezeigt wurden, zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen in das Abtastfeld 105 verwendet. Das Optical Phased Array 603 ist im Beispiel, im Gegensatz zu dem im vorherigen Ausführungsbeispiel gezeigten Mikrospiegel 304, nicht beweglich sondern senkrecht zur Ausrichtung des Abtastfelds 106 angeordnet. Die Ablenkung der ausgesendeten Laserstrahlen kann hier aufgrund der Eigenschaften des Optical Phased Arrays 603 erfolgen. Anhand von 8 lässt sich dies näher erläutern.

8 zeigt die schematische Darstellung der wellenlängenabhängigen Abstrahlwinkel eines Optical Phased Arrays 603. Durch eine Variierung der Wellenlänge Lasers 303 kann die Abstrahlrichtung des Optical Phased Array 603 verändert werden. In der 7 ist gezeigt, wie elektromagnetische Strahlung dreier verschiedener Wellenlängen λ6, λ7 und λ8 vom Optical Phased Arrays 603 in das Abtastfeld 105 abgestrahlt wird. Die Wellenlänge λ6 besitzt hierbei den größten Wert (sprich ist rot-verschoben zu den anderen beiden gezeigten Wellenlängen), die Wellenlänge λ8 den kleinsten Wert (sprich ist blau-verschoben zu den anderen beiden gezeigten Wellenlängen) und die Wellenlänge λ7 liegt dazwischen. Aufgrund der Eigenschaften des Optical Phased Arrays 603 kann Strahlung der größten Wellenlänge λ6 als Strahl 108 mit einer Ablenkung um einen negativen Winkel 109 von der Ausrichtung 106 des Abtastfelds 105 ausgesendet werden. Die mittlere Wellenlänge λ7 kann so gewählt werden, dass sie als Strahl 107 entlang der Ausrichtung 106 des Abtastfelds 105 ausgesendet wird. Die kleinste Wellenlänge λ8 kann so gewählt werden, dass diese als Strahl 110 mit einer Ablenkung um einen positiven Winkel 111 von der Ausrichtung 106 des Abtastfeldes 105 ausgesendet wird.

In der in 7 gezeigten Empfangseinheit 702 können nach der Rückstreuung und/oder Reflexion der elektromagnetischen Strahlung an einem Objekt 112 im Abtastfeld 105 die empfangenen Strahlen 117, 118 und 120 detektiert werden. Um zu gewährleisten, dass Strahlung der größten Wellenlänge λ6 mit einem Winkel 703 von 90° auf die Oberfläche des Filters 113 trifft, ist der Bandpassfilter 113 um einen Winkel 704 zur optischen Achse 116 der Empfangseinheit verkippt.

9 zeigt die Transmissionscharakteristik eines Bandpassfilters 113 gemäß der Ausführungsvariante der Erfindung mit Optical Phased Array 303 wie sie beispielhaft in 7 gezeigt ist. Im gezeigten Diagramm ist widerrum der Transmissionsgrad T des optischen Filterelements 113 über der Wellenlänge λ der emittierten bzw. rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufgetragen. Die Kurve 901 zeigt die Filtercharakteristik des Bandpassfilters 113 für den senkrecht auf die Filteroberfläche eintreffenden Strahl 118. Durch die oben beschriebene Verkippung des Bandpassfilters 113 um den Winkel 704 wird gewährleistet, dass die elektromagnetische Strahlung mit der größten Wellenlänge λ6 senkrecht auf den Bandpassfilter 113 eintrifft. Der Bandpassfilter 113 zeigt wieder die charakteristische Verschiebung seiner Transmissionscharakteristik mit steigendem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung zum Lot der Filteroberfläche hin zu geringeren Wellenlängen. So gibt die Kurve 902 die Filtercharakteristik des Bandpassfilters 113 für die Strahlung 117 an, die unter einem Winkel 705 zum Lot des Bandpassfilter 113 auf diesen eintrifft. Das Transmissionsmaximum liegt in diesem Fall bei der Wellenlänge λ7. Die Kurve 903 gibt die Filtercharakteristik des Bandpassfilters 113 für die Strahlung 120 an, die unter einem Winkel 706 zum Lot des Bandpassfilters 113 auf diesen eintrifft. Das Transmissionsmaximum liegt in diesem Fall bei der Wellenlänge λ8. Durch die in 6 gezeigte Kombination aus dem in der Wellenlänge variierbaren Laser 303 und dem Optical Phased Array 603 kann es ermöglicht werden, dass die ausgesendete bzw. empfangene elektromagnetische Strahlung stets in Transmissionsbereich das Bandpassfilters 113 liegt. Die Halbwertsbreite des Filters 113 kann schmal gewählt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 5241315 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • “Optical Phased-Array Beam Steering Controlled by Wavelenght“, Applied Optics, Vol. 44, Issue 26, 5429–5433 (2005) [0017]