scannenden Abstandsermittlunq eines Objekts

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent- anmeldungen DE 10 2018 216 632.3, angemeldet am 27. September 2018, und DE 10 2019 209 933.5, angemeldet am 5. Juli 2019. Der Inhalt dieser DE- Anmeldungen wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Die Vorrichtung und das Verfahren können zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.

Stand der Technik

Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR be- zeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.

Fig. 9a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 910 ausgesandtes Signal 911 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als„Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Sig- nalkoppler 950 gekoppelt und an einem Detektor 960 einander überlagert, wo- bei das erste Teilsignal als Referenzsignal 922 ohne Reflexion an dem mit „940“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 950 und zum Detektor 960 ge- langt. Das zweite am Signalkoppler 950 bzw. am Detektor 960 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 921 über einen optischen Zirkulator 920 und einen Scanner 930 zum Objekt 940, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 922 mit einer Zeitverzöge- rung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 950 und zum Detektor 960.

Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 960 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 910 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von Fig. 9b dargestellte Differenzfrequenz 931 zwischen Messsignal 921 und Referenzsignal 922 charakteristisch für den Abstand des Objekts 940 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 910 ist. Gemäß Fig. 9b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 940 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 910 der zeitab- hängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 910 ausgesandten Signals 911 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 910 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.

In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Ab- standsmessung zu realisieren. Dabei ist es im Hinblick auf eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung wün- schenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren. Grundsätzlich ist im Stand der Technik die Realisierung optischer Scanner auf Basis von Dispersionselementen bekannt, wobei insbesondere durch Kombi- nation eines AWG (=„array waveguide grating“= Wellenleiterstruktur-Array) mit einem zusätzlichen Gitter auch eine zweidimensionale Strahlablenkung durch- führbar ist.

Zur Realisierung eines auf dem vorstehend genannten Prinzip des dispersiven Scanprozesses in einem LIDAR-System zwecks Vermeidung des Einsatzes beweglicher Komponenten ist ein möglichst großer Durchstimmbereich der verwendeten Lichtquelle von z.B. größenordnungsmäßig (4-12)THz wünschenswert. Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass auf- grund der guten Kohärenzeigenschaften prinzipiell als Lichtquelle in einem LIDAR-System besonders geeignete DFB-Laser (DFB-Laser= „distributed feedback laser“= Laser mit verteilter Rückkopplung) nur einen verhältnismäßig stark begrenzten Durchstimmbereich (von größenordnungsmäßig 500GHz) aufweisen, so dass die Realisierung eines für Anwendungen z.B. im Straßen- verkehr hinreichend schnellen Abtastprozesses eine anspruchsvolle Heraus- forderung darstellt. Dies gilt umso mehr, als die o.g. Erzeugung optischer Sig- nale mit entgegengesetztem zeitabhängigem Frequenzverlauf gemäß Fig. 9b eine erhöhte Messzeit in Anspruch nimmt.

Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 sowie die Publikationen K. Van Acoleyen et al. :„ Two-Dimensional Dispersive Off-Chip Beam Scanner Frabricated on Silicon-On-lnsulatoF , IEEE Photonics Technology Leiters, Vol. 23, No. 17, September 1 , 2011 , 1270-1272, DiLazaro et al.: “Large-volume, low cost, high-precision FMCW tomography using stitched DFBs”, Optics Express, Vol. 26, No. 3, 5 Feb 2018, 2891 -2904 und Coldren et al.:“Tunable Semiconductor Lasers: A Tutorial", Journal of Light- wave Technology, Vol. 22, No. 1 , January 2004, 193-202, verwiesen. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfer- nung (z.B. von mehreren 100m) befindliches Objekt eine möglichst genaue, zuverlässige und schnelle Abstandsmessung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist auf:

- eine Lichtquellen-Einheit zum Aussenden einer Mehrzahl von optischen Signalen mit jeweils zeitlich variierender Frequenz, wobei die Lichtquellen- Einheit eine Mehrzahl von Lasern aufweist,

- eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis von aus den optischen Signalen jeweils hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Messsignalen und nicht an dem Objekt reflektierten oder gestreuten Referenzsignalen, und

- eine dispersive Scan-Einrichtung, welche eine frequenzselektive Ablenkung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt.

In Ausführungsformen der Erfindung sind die Laser der Lichtquellen-Einheit DFB-Laser („distributed feedback laser“= Laser mit verteilter Rückkopplung), DBR-Laser (DBR= „distributed Bragg reflector“), FDML-Laser (FDML= „Fourier-domain mode-locked“), WGMR-Laser (WGMR =„whispering gallery mode resonator“) oder oberflächenemittierende Laser (VCSEL=„vertical-cavity surface-emitting laser“).

In Ausführungsformen der Erfindung unterscheiden sich die Laser der Licht- quellen-Einheit hinsichtlich der Mittenfrequenzen im zeitabhängigen Frequenz- verlauf des jeweils erzeugten optischen Signals voneinander. Insbesondere können die Laser der Lichtquellen-Einheit hinsichtlich der Mittenfrequenzen im zeitabhängigen Frequenzverlauf einen dem jeweiligen Durchstimmbereich ent- sprechenden Frequenzversatz aufweisen.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einem LIDAR- System ein Laser-Array (insbesondere DFB-Laser-Array, DBR-Laser-Array, WGMR-Laser-Array oder auch VCSEL-Laser-Array) als Lichtquelle in Verbin- dung mit einer dispersiven Scan-Einrichtung, welche eine frequenzselektive Ablenkung der jeweiligen Messsignale zu dem hinsichtlich seines Abstandes zu vermessenden Objekt bewirkt, einzusetzen. Dabei soll von dem Begriff „Laser-Array“ eine Anordnung aus wenigstens zwei Lasern umfasst sein.

Durch geeigneten Versatz der Mittenfrequenzen der einzelnen Laser innerhalb der erfindungsgemäß eingesetzten Lichtquellen-Einheit bzw. des Laser-Arrays (wobei dieser Versatz insbesondere im Wesentlichen dem Durchstimmbereich der einzelnen Laser entsprechen kann) kann im Ergebnis ein entsprechend großer Durchstimmbereich (entsprechend z.B. einem Frequenzgang von größenordnungsmäßig 10THz oder mehr) und somit ein effektiver Scanprozess realisiert werden, wobei zugleich die (etwa relativ zu VCSEL-Lasern) hohe zeit- liche Kohärenz der DFB-Laser genutzt werden kann.

Die Laser innerhalb der erfindungsgemäß eingesetzten Lichtquellen-Einheit bzw. des Laser-Arrays können in Ausführungsformen der Erfindung sequentiell betrieben werden, wobei jeweils nur einer der Laser aktiv ist und der jeweils nächste Laser erst eingeschaltet wird, wenn der vorangehende Laser an der Begrenzung seines Durchstimmbereichs angelangt ist.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die Laser der Lichtquel- len-Einheit auch simultan betrieben werden mit der Folge, dass die jeweiligen Messsignale sämtlicher Laser gleichzeitig ausgesandt werden. Dabei kann über ein weiteres dispersives Element eine räumliche Aufteilung der vom Ob- jekt reflektierten Messsignale in Abhängigkeit vom jeweiligen Frequenzbereich erfolgen. Des Weiteren kann die Detektoranordnung eine Mehrzahl von unab- hängig voneinander betreibbaren Detektorelementen aufweisen, welche wiede- rum unterschiedlichen Winkelbereichen in der Winkelverteilung der zu dem Ob- jekt gelenkten Messsignale zugeordnet sind.

Die erfindungsgemäß zur frequenzselektiven Ablenkung der zu dem Objekt ge- lenkten Messsignale eingesetzte dispersive Scan-Einrichtung ist in Ausfüh- rungsformen der Erfindung als zweidimensionale dispersive Scan-Einrichtung ausgestaltet und kann hierzu insbesondere mindestens ein AWG in Kombinati- on mit einem Beugungsgitter aufweisen. Hierbei kann während des dispersiven Scanvorgangs das in der dispersiven Scan-Einrichtung vorhandene AWG in höherer Ordnung arbeiten und eine vergleichsweise schnelle Ablenkung in einer ersten Raumrichtung bewirken, wohingegen das in niedriger Ordnung be- triebene (Auskoppel-) Gitter eine vergleichsweise langsame Ablenkung in der hierzu senkrechten Raumrichtung bewirkt.

Gemäß einer Ausführungsform weist ein durch die Lichtquellen-Einheit gebil- detes Laser-Array einen resultierenden Durchstimmbereich von wenigstens 1THz, insbesondere von wenigstens 4THz, weiter insbesondere wenigstens 10THz, auf.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Laser der Lichtquellen-Einheit jeweils zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquellen-Einheit zur Erzeugung optischer Signale mit einem zeitabhängigen Frequenzverlauf mit zwei Abschnitten, in denen die zeitliche Ableitung der Frequenz zueinander entgegengesetzt ist, ausgelegt.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquellen-Einheit einen ersten Laser zur Erzeugung eines ersten optischen Signals mit einem ersten zeitab- hängigen Frequenzverlauf und einen zweiten Laser zur Erzeugung eines zwei- ten optischen Signals mit einem zweiten zeitabhängigen Frequenzverlauf auf, wobei die zeitlichen Ableitungen der Frequenz im ersten und zweiten Frequenzverlauf zueinander entgegengesetzt sind.

Gemäß diesem Aspekt beinhaltet die Erfindung somit das weitere Konzept, die zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwi- schen dem Objekt und der Messvorrichtung verwendbaren optischen Signale mit zeitlich entgegengesetztem Frequenzverlauf durch separate Laser zu er- zeugen mit der Folge, dass in Verbindung mit einer in geeigneter Weise aus- gestalteten dispersiven Scan-Einrichtung und bei entsprechend synchronem Betrieb der beiden Laser eine signifikante Messzeitverkürzung (im Wesentli- chen um einen Faktor zwei) erzielt werden kann. Die Ausgestaltung der disper- siven Scan-Einrichtung„in geeigneter Weise“ bedeutet hier, dass - wie im Wei- teren noch näher erläutert - die dispersive Scan-Einrichtung abhängig davon, ob die Frequenzbereiche der von den Lasern erzeugten optischen Signale übereinstimmen oder voneinander verschieden sind, die dispersive Scan- Einrichtung z.B. zwei AWGs, nur ein einziges AWG oder auch ein Beugungs- gitter aufweisen kann.

Gemäß einer Ausführungsform sind die von dem ersten optischen Signal und von dem zweiten optischen Signal durchlaufenen Frequenzbereiche voneinan- der verschieden.

Gemäß einer Ausführungsform weist die dispersive Scan-Einrichtung wenigs- tens ein AWG auf.

Gemäß einer Ausführungsform werden aus den optischen Signalen des ersten bzw. zweiten Lasers jeweils hervorgegangene Messsignale in dasselbe AWG eingekoppelt.

Gemäß einer Ausführungsform weist die dispersive Scan-Einrichtung wenigs- tens ein Beugungsgitter auf. Gemäß einer Ausführungsform werden aus den optischen Signalen des ersten bzw. zweiten Lasers jeweils hervorgegangene Messsignale in dasselbe Beugungsgitter eingekoppelt.

Gemäß einer Ausführungsform stimmen die von dem ersten optischen Signal und von dem zweiten optischen Signal durchlaufenen Frequenzbereiche über- ein.

Gemäß einer Ausführungsform weist die dispersive Scan-Einrichtung ein ers- tes AWG und ein zweites AWG auf.

Gemäß einer Ausführungsform wird das erste optische Signal in das erste AWG eingekoppelt und das zweite optische Signal in das zweite AWG einge- koppelt.

Gemäß einer Ausführungsform sind das erste AWG und das zweite AWG nebeneinander in einer zum Signalweg senkrechten Richtung angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform hat ein lateraler Abstand zwischen dem ersten AWG und dem zweiten AWG einen Wert, welcher so gering ist, dass die von den AWGs ausgehenden Strahlungsbündel am Objekt (im Fernfeld) einen late- ralen Abstand im Bereich von ein bis zehn Strahldurchmessern aufweisen. Mit anderen Worten besteht vorzugsweise ein lateraler Abstand zwischen dem ers- ten AWG und dem zweiten AWG, der am Objekt einem Wert im Bereich von ein bis zehn Strahldurchmessern eines von der Lichtquellen-Einheit erzeugten Strahlenbündels entspricht. Dadurch wird erreicht, dass mit beiden AWGs näherungsweise am gleichen Objektort gemessen wird.

Die Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zur scannenden Abstandser- mittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquellen-Einheit, wenigstens eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz; und - Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis jeweils eines an dem Objekt reflektierten, aus dem wenigstens einen optischen Signal hervor- gegangenen Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals;

- wobei die Messsignale über eine dispersive Scan-Einrichtung frequenz- selektiv in unterschiedliche Strahlrichtungen zu dem Objekt gelenkt wer- den; und

- wobei der dispersiven Scan-Einrichtung simultan eine Mehrzahl von Messsignalen zugeführt wird, wobei sich diese Messsignale in ihrem zeit- abhängigen Frequenzverlauf voneinander unterscheiden.

Gemäß einer Ausführungsform weisen der dispersiven Scan-Einrichtung simul- tan zugeführte Messsignale jeweils einen zueinander entgegengesetzten zeit- abhängigen Frequenzverlauf auf.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchgeführt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Figur 1a-1 b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Auf- baus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ers- ten Ausführungsform;

Figur 2a-2c Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Figur 1 ;

Figur 3-8 Diagramme zur Erläuterung weiterer Ausführungsfor- men einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Figuren 9a-9b schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in Fig. 1 a-1 b beschrieben.

Gemäß Fig. 1 a wird im Unterschied zu dem bereits anhand von Fig. 9a-9b be- schriebenen, herkömmlichen Konzept als Lichtquellen-Einheit 110 nicht ledig- lich ein einziger frequenzmodulierter FMCW-Laser (FMCW= „frequency- modulated continuous wave“) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz („chirp“), sondern ein Laser-Array 111 aus einer Mehrzahl von Lasern verwendet. Bei den Lasern kann es sich um DFB-Laser, DBR-Laser oder auch um WGMR-Laser oder VCSEL-Laser handeln. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise eines DFB-Laser-Arrays aus einer Mehrzahl von DFB-Lasern wird auf DiLazaro et al. :“Large-volume, low cost, high-precision FMCW tomography using stitched DFBs", Optics Express, Vol. 26, No. 3, 5 Feb 2018, 2891 -2904, sowie Coldren et al.:“Tunable Semiconduc- tor Lasers: A Tutorial’, Journal of Lightwave Technology, Vol. 22, No. 1 , Janua- ry 2004, 193-202, verwiesen.

Der Einsatz dieses Laser-Arrays 111 wird erfindungsgemäß mit dem Einsatz einer dispersiven Scaneinrichtung 130, deren Wirkungsweise in Fig. 1 b veran- schaulicht ist, kombiniert.

Gemäß Fig. 1 a ist das erfindungsgemäß eingesetzte Laser-Array 111 Bestand- teil einer Lichtquellen-Einheit 110, welche im Ergebnis optische Signale mit je- weils zeitlich variierender Frequenz gemäß dem in Fig. 2a angedeuteten Fre- quenzgang erzeugt. Hierbei ist - ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre - ein sequentieller Betrieb der einzelnen Laser des Laser-Arrays 111 rea- lisiert. Hierzu weist die Lichtquellen-Einheit 110 eine Phasenregelschleife zur Regelung der optischen Phase (engl.: OPLL=„optical phase locked loop“) auf, welche gemäß Fig. 1a einen Splitter 112, ein als Frequenzdiskriminator die- nendes Mach-Zehnder-Interferometer 113 mit nachgeschaltetem Wellenlän- genmultiplexer (WDM= wavelength division multiplexer“= Wellenlängenunter- teilungsMultiplexer) 114, welcher z.B. als AWG ausgestaltet sein kann, sowie ein Detektor-Array 115 aufweist, wobei das gegebenenfalls verstärkte Aus- gangssignal des Detektor-Arrays 115 den Eingang für eine Steuerungseinrich- tung 116, welche eine Stromquelle umfasst und zur Steuerung der einzelnen Laser des Laser-Arrays 111 dient, bildet.

Die einzelnen Laser des Laser-Arrays 111 sind hinsichtlich ihrer Mittenfrequen- zen um etwa den Durchstimmbereich gegeneinander versetzt mit der Folge, dass bei sequentiellem Betrieb der Laser des Laser-Arrays 111 der in Fig. 2a dargestellte Frequenzgang erzeugt wird, wobei die Beiträge der einzelnen La- ser mit„1.1“,„1.2“,„1.3“, ... bezeichnet sind. In einem weiteren Ausführungs- beispiel kann gemäß dem Diagramm von Fig. 4 auch unter Verzicht auf eine solche sequentielle Ansteuerung ein simultaner Betrieb der Laser des Laser- Arrays 111 erfolgen, so dass die optischen Signale der Laser in diesem Falle gleichzeitig (aber ebenfalls mit gemäß Fig. 4 zueinander versetzten Mitten- frequenzen) ausgesandt werden.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 a werden die von der Lichtquelleneinheit 110 erzeugten optischen Signale über einen Strahlteiler 118 (z.B. einen teil- durchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) in für sich bekannter Weise als Messsignale dienende Teilsignale sowie als Referenzsignal dienen- de Teilsignale aufgespalten. Die als Messsignal dienenden Teilsignale werden über einen optischen Zirkulator 120 und die dispersive Scan-Einrichtung 130 auf ein hinsichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt (in Fig. 1 a nicht dargestellt) gelenkt, wohingegen die als Referenzsignal dienenden Teilsignale analog zu Fig. 9a-9b für die weitere Auswertung ver- wendet werden.

Die dispersive Scan-Einrichtung 130 ist gemäß Fig. 1 b als zweidimensionale Scan-Einrichtung ausgestaltet und weist zur frequenzselektiven Ablenkung in zwei zueinander senkrechten Richtungen ein AWG 131 in Kombination mit ei- nem Beugungsgitter 132 auf. Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise einer als solche bekannten zweidimensionale Scan-Einrichtung wird auf K. Van Aco- leyen et al. :„ Two-Dimensional Dispersive Off-Chip Beam Scanner Frabricated on Silicon-On-lnsulatoF , IEEE Photonics Technology Leiters, Vol. 23, No. 17, September 1 , 2011 , 1270-1272 verwiesen.

Erfindungsgemäß wird in der dispersiven Scan-Einrichtung 130 die Dispersion des AWG 131 (welche durch die Ordnung definiert ist, in welcher das AWG be- trieben wird) wesentlich größer gewählt als die Dispersion des Beugungsgitters 132. Infolgedessen erfolgt während der Frequenzdurchstimmung des Laser- Arrays 111 über den gesamten Durchstimmbereich (von beispielsweise 12THz) ein mehrfaches Abscannen des Sichtfeldes (FoV=„Field of View“) über das AWG 131 entlang einer Raumrichtung, jedoch ein nur einmaliges Abscannen des Sichtfeldes über das Beugungsgitter 132 entlang der hierzu senkrechten Raumrichtung.

Das in höherer Ordnung betriebene AWG 131 bewirkt somit gemäß Fig. 2b einen vergleichsweise schnellen Scanvorgang im Sinne einer auf vergleichs- weise kurzer Zeitskala erfolgenden frequenzselektiven Ablenkung um Winkel f in einer ersten Raumrichtung, wohingegen das Beugungsgitter 132 in einem vergleichsweise langsamen Scanvorgang eine auf größerer Zeitskala erfolgen- de frequenzselektive Strahlablenkung in hierzu senkrechter Raumrichtung um Winkel Q bewirkt.

Nach Reflexion am Objekt verläuft der Signalweg zurück über den optischen Zirkulator 120 zu einem weiteren dispersiven Element 150 (welches als AWG ausgelegt sein kann) zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals. Aufgrund der frequenzselektiven räumli- chen Aufteilung durch das weitere dispersive Element 150 werden die unter- schiedlichen Frequenzbereiche, welche den unterschiedlichen Ablenkungen zum Objekt hin entsprechen, auf einer als Array ausgestalteten Detektoranord- nung 160 räumlich voneinander separiert.

Der vorstehend beschriebene, mit der erfindungsgemäßen zweidimensional arbeitenden dispersiven Scan-Einrichtung 130 bewirkte zweidimensionale Scanprozess mit vergleichsweise schnellem Scan (um Winkel f) in der ersten Raumrichtung und einem vergleichsweise langsamen Scan (um Winkel Q) in der zweiten Raumrichtung hat grundsätzlich ohne weitere Maßnahmen Lücken im Scanbereich, welche„nicht abgescannten“ Winkelbereichen entsprechen, zur Folge. Diesem Umstand kann dadurch Rechnung getragen werden, dass in Ausführungsformen der Erfindung und wie im Diagramm von Fig. 3 angedeutet durch sukzessives Verschieben der jeweiligen „Start-Wellenlänge“ bei auf- einanderfolgenden Scans bei gleichzeitiger Verschiebung der Arbeitsfrequenz des AWGs 131 der dispersiven Scan-Einrichtung 130 effektiv eine Verschie- bung des Scanmusters bewirkt wird, um die vorstehend genannten Lücken bzw. nicht abgescannten Winkelbereiche aufzufüllen. Zur Ermöglichung dieser sukzessiven Wellenlängenverschiebung wird vorzugsweise der Durchstimm- bereich des Laser-Arrays 111 um z.B. wenigstens 10% größer gewählt als der minimale zur Abdeckung des gewünschten Scanwinkel-Bereichs durch die dis- persive Scan-Einrichtung 130 erforderliche Durchstimmbereich.

Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf Fig. 5ff Ausführungsformen der Er- findung beschrieben, bei denen die zum Erhalt zusätzlicher Information hin- sichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und der Messvorrich- tung verwendbaren optischen Signale mit zeitlich entgegengesetztem Frequenzverlauf durch separate Laser erzeugt werden mit der Folge, dass in Verbindung mit einer in geeigneter Weise ausgestalteten dispersiven Scan- Einrichtung und bei entsprechend synchronem Betrieb der beiden Laser eine signifikante Messzeitverkürzung (im Wesentlichen um einen Faktor zwei) er- zielt werden kann.

Gemäß der Ausführungsform von Fig. 5a-5c weist die Lichtquellen-Einheit zwei durchstimmbare Laser mit übereinstimmenden durchlaufenen Frequenzberei- chen (=„Durchstimmbereichen“) 501 , 502 auf. Dabei bezeichnet in Fig. 5a-5c „B“ die Durchstimmbandbreite pro Pixel,„N“ die Anzahl der Pixel pro Pixel- reihe, N*B=f ₂ -fi die Durchstimmbandbreite pro Pixelreihe,„T“ die Durchstimm- dauer pro Pixel und„B/T“ die Durchstimmrate.

Für den ersten Laser wird die Frequenz entsprechend dem durchlaufenen Fre- quenzbereich 501 mit linearer Zeitabhängigkeit gemäß Fig. 5a vom Wert h bis auf den Wert f ₂ erhöht, wohingegen für den zweiten Laser die Frequenz ent- sprechend dem durchlaufenen Frequenzbereich 502 mit ebenfalls linearer, jedoch entgegengesetzter Zeitabhängigkeit vom Wert f ₂ bis auf den Wert h ver- ringert wird. Die Durchstimmrate (B/T) wird hierbei für beide Laser betragsmä- ßig übereinstimmend gewählt, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen. Gemäß Fig. 5c wird das aus dem optischen Signal des ersten Lasers hervor- gegangene Messsignal in ein erstes AWG 510 eingekoppelt, wohingegen das aus dem optischen Signal des zweiten Lasers hervorgegangene Messsignal in ein zweites AWG 520 eingekoppelt wird. Des Weiteren ist das zweite AWG 520 seitenverkehrt zum ersten AWG 510 angeordnet. Beim Durchstimmen beider Laser werden somit die jeweiligen Strahlenbündel bzw. Laserspots neben- einander in gleicher Richtung über das Objekt geführt. Es sei angemerkt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die AWGs 510 und 520 hinter den Wellenleitern einen Freistrahlbereich aufweisen, so dass diese wie Zeilenspektrometer wir- ken. In Kombination mit einer abbildenden Optik wandern die von den AWGs ausgehenden Strahlenbündel (dicke Punkte in Fig. 5c) nebeneinander simultan über das Objekt.

Die beiden AWGs 510, 520 sind gemäß Fig. 5c so angeordnet, dass die Mess- strahlung des ersten AWG 510 und die Messstrahlung des zweiten AWG 520 in hinreichender räumlicher Nähe, jedoch mit vernachlässigbarem Überlapp der (typischerweise jeweils eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweisenden) Laserspots auf das Objekt treffen. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Messstrahlung des ersten AWG 510 und der Messstrahlung des zweiten AWG 520 im Bereich von ein bis zehn Strahldurchmessern betragen. Die bei- den AWGs 510, 520 können insbesondere (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) monolithisch hergestellt sein.

Da im Ausführungsbeispiel von Fig. 5a-5c die jeweils eine gaußförmige Intensi- tätsverteilung aufweisenden Laserspots des ersten und des zweiten Lasers einander nicht überlappen, kann die Strahlung beider Laser bei der Detektion wieder separiert und zwei unabhängigen, balancierten Detektoren zugeführt werden. Anhand der Summe und der Differenz der mit den Detektoren ermittel- ten Schwebungsfrequenzen können Abstand und Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 6a-6c weist die Lichtquellen- Einheit zwei durchstimmbare Laser mit unterschiedlichen Frequenzbereichen [fi ... bzw. [f _{3 ...} f ₄ ] (wobei h < f4 gilt) auf. Beim ersten Laser wird die Frequenz entsprechend dem durchlaufenen Frequenzbereich 601 mit linearer Zeitabhängigkeit gemäß Fig. 6b vom Wert fi auf den Wert f ₂ erhöht, wohinge- gen für den zweiten Laser die Frequenz entsprechend dem durchlaufenen Frequenzbereich 602 mit ebenfalls linearer, jedoch entgegengesetzter Zeit- abhängigkeit gemäß Fig. 6a vom Wert f ₄ auf den Wert f ₃ verringert wird. Auch hier wird die Durchstimmrate (B/T) für beide Laser betragsmäßig übereinstim- mend, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen gewählt. Die optischen Sig- nale beider Laser werden überlagert und gemäß Fig. 6c in ein einziges AWG 610 (bzw. ein AWG pro Pixelreihe) eingekoppelt. Die Frequenzen h und f ₃ lie- gen um ein ganzzahliges Vielfaches des freien Spektralbereichs (FSR) dieses AWGs 610 auseinander. Die beiden Laser nutzen dabei unterschiedliche AWG-Ordnungen, wobei der Umstand ausgenutzt wird, dass die von den Lasern erzeugte Laserstrahlung periodisch im Abstand des freien Spektral- bereichs (FSR) denselben AWG-Ausgangskanälen zugeordnet wird. Die Strah- lung beider Laser tritt somit zu jedem Zeitpunkt aus ein- und demselben AWG- Ort bzw. Pixel aus.

Am Objekt überlappen sich die beiden (typischerweise jeweils eine gaußförmi- ge Intensitätsverteilung aufweisenden) Laserspots räumlich vollständig. Auf- grund der nichtüberlappenden Frequenzbereiche kann jedoch die Strahlung beider Laser bei der Detektion wieder spektral separiert und zwei voneinander unabhängigen balancierten FMCW-Detektoren zugeführt werden. Aus der Summe und der Differenz der mit den Detektoren ermittelten Schwebungs- frequenzen können Abstand und Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden.

Wie im Weiteren unter Bezug auf Fig. 7a-7b erläutert, können auch mehrere Pixelreihen parallel gemessen werden, wenn unter Realisierung eines größe- ren Sichtfeldes eine Stapelanordnung von (einer Anzahl M) AWGs bzw. AWG- Paaren (analog zu Fig. 5c bzw. Fig. 6c) verwendet wird. Die durch die dispersi- ve Wirkung dieser AWG ^' s aufgrund der frequenzselektiven Verteilung der Messsignale erzeugte Mehrzahl von räumlich voneinander getrennten Aus- gangskanälen kann über ein Abbildungssystem auf das hinsichtlich seines Ab- stands zu vermessende Objekt abgebildet werden. Die Abbildung kann dabei auch im Unendlichen liegen, so dass für jeden AWG-Ausgangskanal ein weit- gehend kollimiertes Messstrahlenbündel ausgesendet wird. Im Hinblick auf die angestrebte hohe Ortsauflösung bei großem Sichtfeld (FOV) kann für M ein möglichst hoher Wert, unter fertigungstechnologischen Aspekten oder aus Kostengründen aber auch ein geringerer Wert von M (z.B. M = 2) gewählt wer- den. Infolge der in Fig. 7b angedeuteten gestapelten Anordnung der AWG ^' s ergibt sich im Ausführungsbeispiel eine matrixartige Anordnung von M * N Ausgangskanälen, wobei die einzelnen, jeweils zu einem AWG gehörigen Gruppen von N Ausgangskanälen in Fig. 7b mit„710a“,„710b“,„710c“, ... be- zeichnet sind.

Die Ansicht von Fig. 7a zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Aufbau eines einzelnen AWG, welchem über einen Eingangslichtleiter 701 elektromagnetische Strahlung mit zeitlich variierender Frequenz von einer (in Fig. 7a-7b nicht dargestellten) Lichtquelle zugeführt wird. Die Strahlung tritt über einen ersten Freistrahlbereich 702 in die AWG-Wellenleiter 703 unter- schiedlicher Länge ein und interferiert am Ende eines zweiten Freistrahlbe- reichs 704 aufgrund der in den Wellenleitern 703 bewirkten unterschiedlichen Phasenverzögerungen konstruktiv an unterschiedlichen Orten. Entsprechend der spektralen Auflösung des AWG ^' s wird somit am Ausgang eine Vielzahl N von Ausgangskanälen bereitgestellt (wobei N z.B. wenigstens 10 oder auch wenigstens 100 betragen kann).

Durch ein zusätzliches Aufspreizelement kann gemäß Fig. 7c der Abstand zwi- schen den von jeweils einem AWG erzeugten Ausgangskanälen vor deren Pro- jektion über ein Abbildungssystem auf das Objekt vergrößert werden. Ein sol- ches Aufspreizelement 720 kann einen Stapel von N planaren Einzelelementen zur Kanalaufspreizung aufweisen, wobei die Lichtleiter des Aufspreizelements 720 mit den Ausgangskanälen der AWG-Anordnung optisch gekoppelt sind. Vorzugsweise ist jedem Einzel-AWG in monolithischer Herstellungsweise direkt ein Element zur Kanalaufspreizung zugeordnet. Der Einsatz des Aufspreiz- elements 720 ermöglicht zum einen die Abdeckung eines größeren Raum- winkelbereichs und zum anderen auch die Reduzierung der Winkelgeschwin- digkeit des Messstrahls auf dem Objekt während der einzelnen Abstandsmes- sungen, wodurch wiederum Phasenfluktuationen verringert und die erzielbare Tiefenauflösung vergrößert bzw. Peakbreiten im gemessenen Distanzspektrum verringert werden können.

Zusätzlich zu der o.g. AWG-Anordnung und dem o.g. Abbildungssystem kann die Vorrichtung auch wenigstens ein Ablenkelement aufweisen, über welches der jeweilige Winkel, unter dem Licht von den AWG's der AWG-Anordnung zu dem Objekt gelenkt wird, variierbar ist, um ohne Einschränkung des Sichtfeldes (FOV), welches z.B. 20°*20° betragen kann, eine verbleibende räumliche Dis- tanz zwischen den einzelnen AWG ^' s der AWG-Anordnung bei der optischen Abbildung der Ausgangskanäle auf das Objekt zu überbrücken. Das Ablenk- element dient also dazu, die Winkelauflösung zu erhöhen. Bei dem Ablenk- element kann es sich um ein mechanisch bewegliches optisches Element han- deln, wobei sowohl reflektive Elemente (z.B. ein über wenigstens über ein Festkörpergelenk verstellbarer Spiegel) als auch refraktive optische Elemente (z.B. Linsen oder Prismen) einsetzbar sind. Weiterhin können als Ablenkele- mente auch Optische Phasen-Arrays (OPA), beispielsweise in Form von Flüs- sigkristall-Polarisationsgittern (LCPG= Liquid Crystal Polarization Grätings) verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform von Fig. 8a-8c weist die Lichtquellen- Einheit wiederum zwei durchstimmbare Laser mit gemäß Fig. 8a-8b unter- schiedlichen Frequenzbereichen 801 , 802 (Bereiche [T ... f ₂ ] bzw. [f _{3 ...} f ₄ ]) mit fi < f ₂ < f ₃ < f ₄ ) auf. Beim ersten Laser wird die Frequenz entsprechend dem durchlaufenen Frequenzbereich 801 mit linearer Zeitabhängigkeit gemäß Fig. 8b vom Wert T auf den Wert f ₂ erhöht, wohingegen für den zweiten Laser die Frequenz mit ebenfalls linearer, jedoch entgegengesetzter Zeitabhängigkeit gemäß Fig. 8a vom Wert f ₄ auf den Wert f ₃ verringert wird. Die Durchstimmrate (B/T) wird hierbei für beide Laser betragsmäßig übereinstimmend, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen gewählt. Die optischen Signale beider Laser werden überlagert und gemäß Fig. 8c mit einer anamorphotischen Optik, z.B. einer Zylinderoptik, zu einer Laserlinie 810 geformt und in ein Beugungsgitter 820 eingekoppelt. Über die mit der Zylinderoptik geformte Laserlinie 810 wird beim spektralen Durchstimmen eine vertikale Pixelreihe erzeugt. Die Frequen- zen fi und f ₃ liegen um ein ganzzahliges Vielfaches des freien Spektralbereichs (FSR) des Beugungsgitters 820 auseinander, so dass die Strahlung beider Laser zu jedem Zeitpunkt um denselben Gitterablenkwinkel abgelenkt wird. Die beiden Laser nutzen dabei unterschiedliche Beugungsgitter-Ordnungen. Am zu vermessenden Objekt überlappen sich die beiden (typischerweise jeweils eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweisenden Laserspots) räumlich vollstän- dig. Aufgrund der nichtüberlappenden Frequenzbereiche kann jedoch die Strahlung beider Laser bei der Detektion wieder spektral separiert und zwei voneinander unabhängigen balancierten Detektoren zugeführt werden. Auch hier können analog zu Fig. 7a-b mehrere Pixelreihen parallel gemessen wer- den, indem eine Mehrzahl paralleler Laserlinien 810 von der Zylinderoptik ge- formt und nebeneinander in das Beugungsgitter 820 eingekoppelt werden.

Vorzugsweise (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre), wer- den möglichst viele Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form von PICs („photonic integrated Circuit“) implementiert.

Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alterna- tive Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsfor- men von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalen- te beschränkt ist.