eines Objekts

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent- anmeldung DE 10 2018 203 316.1 , angemeldet am 6. März 2018. Der Inhalt dieser DE-Anmeldung wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Die Vorrichtung kann zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet wer- den.

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 ver- ändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.

Fig. 4a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prin- zipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 410 ausgesandtes Signal 411 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als„Chirp“ bezeichnet) in zwei Teil- Signale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht darge- stellten teildurchlässigen Spiegel erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 450 gekoppelt und an einem Detektor 460 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 422 ohne Reflexion an dem mit„440“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 450 und zum Detektor 460 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 450 bzw. am Detektor 460 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 421 über einen optischen Zirkulator 420 und einen Scanner 430 zum Objekt 440, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 422 mit einer Zeitverzöge- rung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 450 und zum Detektor 460.

Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 460 ge- lieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 aus- gewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von Fig. 4b dargestellte Differenzfrequenz 431 zwischen Messsignal 421 und Referenzsignal 422 charakteristisch für den Abstand des Objekts 440 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 ist. Gemäß Fig. 4b kann dabei zum Er- halt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 440 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 der zeitabhän- gige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 410 ausgesandten Signals 411 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 410 erzeugten Frequenz zueinander entgegen- gesetzt ist.

Durch Bestimmung charakteristischer Parameter des zeitlichen Verlaufs der Diffe- renzfrequenz, insbesondere des zeitlichen Verlaufs der instantanen Frequenz, können neben der Relativgeschwindigkeit auch die Relativbeschleunigung zwi- schen dem Objekt 440 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 410 ermittelt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die Patentanmeldung DE 10 2018 201 735.2, eingereicht am 05. Februar 2018, verwiesen. 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 Abstandsmessung mit hoher Scanrate (d.h. hoher Geschwindigkeit der Abtastung einzelner Bereichen des Objekts) zu realisieren.

Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 verwiesen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) befindliches Objekt eine Abstandsmessung mit hoher Scanrate und unter Begrenzung des hierfür erforderlichen apparativen Aufwands ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist auf:

eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variie- render Frequenz;

eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals; und eine Ablenkeinrichtung zum Ändern des Winkels, unter dem das Messsignal auf das Objekt gelenkt wird, während jeweils eines Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz des optischen Signals.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts, ausgehend von dem anhand von Fig. 4a-4b beschriebenen Prinzip, das jeweils zum Objekt hin gelenkte Messsignal bereits innerhalb eine Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz mit unter- schiedlichen Winkeln zum Objekt hin abzulenken mit der Folge, dass entspre- chend der Zeitabhängigkeit der Frequenz des Messsignals unterschiedliche Frequenzen bzw. Frequenzbereiche in unterschiedlicher Weise (nämlich durch Einstellung unterschiedlicher Winkel) kodiert werden. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß bei dem Messsignal ein- und derselbe Abschnitt mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz für unterschiedliche, auf dem Objekt zur Abstands- messung abzutastende Bereiche bzw. Pixel verwendet.

Dies ermöglicht es wiederum, bei anschließender Separierung der unterschiedli- chen Frequenzen bzw. Frequenzbereiche im Raum über ein geeignetes spektral- es Element die betreffenden, durch die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung ein- gestellten unterschiedlichen Winkel auf einer Detektoranordnung, wie im Weiteren noch detaillierter beschrieben, zu unterscheiden.

Dabei wird aufgrund der zum einen über die Ablenkeinrichtung erfolgenden Zu- ordnung unterschiedlicher Frequenzen bzw. Frequenzbereiche des Messsignals zu unterschiedlichen Winkeln und der zum anderen über das vorstehend genann- te spektrale Element erzeugten Zuordnung unterschiedlicher Frequenzen bzw. Frequenzbereiche zu unterschiedlichen Orten im Raum insgesamt auf der Detek- toranordnung eine Zuordnung zwischen Frequenzen und Frequenzbereichen, Winkeln und Orten erreicht. Diese Zuordnung kann wiederum über die Berechnung der Differenzfrequenz zur Frequenz des nicht am Objekt reflektierten Referenzsignals zur Bestimmung der entsprechenden Objektabstände genutzt werden. Für bewegte Objekte kann diese Zuordnung über die Bestimmung charakteristischer Parameter des zeitlichen Verlaufs der Differenzfrequenz, insbesondere des zeitlichen Verlaufs der instantanen Frequenz, zur Bestimmung der entsprechenden Objektabstände genutzt werden.

Im Ergebnis kann auf diese Weise eine signifikante Steigerung der Scanrate bei der Abstandsermittlung auch von weit entfernten (z.B. in einem Abstand von meh- reren hundert Metern befindlichen) Objekten erzielt werden. Dabei wird unter der Scanrate die Anzahl von abgescannten Pixeln pro Sekunde (entsprechend dem Kehrwert der zum Abscannen eines Pixels erforderlichen Zeitdauer) verstanden.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine mit der Vorrichtung erzielbare Scanrate im Vergleich zu einer analogen Vorrichtung ohne die während eines Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz des optischen Signals erfolgende Änderung des Winkels bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m um einen Faktor von wenigstens zwei, insbesondere um einen Faktor von wenigstens drei, weiter insbesondere um einen Faktor von wenigstens vier, gesteigert.

Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform eine mit der erfindungs- gemäßen Vorrichtung erzielbare Scanrate im Vergleich zu einer zweiten Scanrate bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m um einen Faktor von wenig- stens zwei, insbesondere um einen Faktor von wenigstens drei, weiter insbeson- dere um einen Faktor von wenigstens vier, gesteigert, wobei diese zweite Scan- rate mit einer alternativen Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts erzielbar ist, wobei diese alternative Vorrichtung eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals aufweist, und wobei bei dieser alternativen Vorrichtung der Winkel, unter dem das Messsignal auf das Objekt gelenkt wird, während eines Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz des optischen Signals konstant ist. Die Steigerung der Scanrate wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass (wie in Fig. 1 schematisch dargestellt) der jeweilige (Strahl-)Winkel durch die Ablenk- einrichtung bereits während eines hinsichtlich der Frequenz zeitlich monoton ver- änderten Abschnitts zum Abscannen weiterer Pixel variiert werden kann (der „chirp“ im Sinne eines über ein größeres Zeitintervall zeitlich monoton veränder- ten Signals also in kürzere Abschnitte zerlegt werden kann), indem ausgenutzt wird, dass nach Reflexion des Messsignals an dem Objekt eine frequenzselektive Aufteilung des Messsignals vor Zusammenführung bzw. Differenzbildung mit dem Referenzsignal realisiert und auch die vorstehend beschriebene Zuordnung „Frequenz des Messsignals -» Winkel des auf das Objekt gelenkten Strahls -» Ort auf dem Objekt (Pixel)“ vorgenommen wird. Die Scaneinrichtung kann somit erfindungsgemäß unterschiedliche Frequenzbereiche (bzw. die zugehörigen Teil- strahlen) eines zeitlich monoton veränderten Abschnitts des Messsignals unter voneinander verschiedenen Winkeln zum Objekt schicken, da zwar dann den durch die o.g. Unterteilung erhaltenen kürzeren Abschnitten voneinander ver- schiedene Frequenzen (sowohl andere Anfangsfrequenzen als auch andere mitt- lere Frequenzen) zugeordnet werden, diese Zuordnung aber über die frequenz- selektive Aufteilung z.B. in einem AWG dann wieder eindeutig ermittelt werden kann. Mit anderen Worten können erfindungsgemäß mit Hilfe des nach Reflexion des Messsignals an dem Objekt zum Einsatz kommenden Elements zur frequenz- selektiven räumlichen Aufteilung (z.B. des AWG) die vom Objekt zurückkommen- den Teilsignale im Winkel unterschieden werden, da dieses Element am selben Ort (z.B. Kanal auf dem AWG) immer dieselbe Frequenz (entsprechend demsel- ben Strahlwinkel) sieht.

Durch die Erfindung wird dabei insbesondere dem Problem Rechnung getragen, dass in herkömmlichen Ansätzen die bei Durchführung des Scanprozesses real i- sierbare maximale Scanrate durch die Licht- bzw. Signallaufzeit (TOF =„time of flight“) begrenzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber solchen herkömmlichen Ansätzen den Vorteil, dass im Vergleich zu einem Laufzeit- bzw. TOF-begrenzten Verfahren ein wesentlich schnellerer Scanprozess realisiert wer- den kann, da infolge der o.g. erfindungsgemäßen Zuordnung „Frequenz des Messsignals -» Winkel des auf das Objekt gelenkten Strahls -» Ort auf dem Objekt (Pixel)“ die Verweildauer eines jeweiligen Messspots auf dem abzuscan- nenden Objekt ohne Rücksicht auf die Laufzeit des Signals und insbesondere wesentlich kürzer als diese Laufzeit gewählt werden kann. Mit anderen Worten wird aufgrund des Umstandes, dass die bei dem erfindungsgemäßen Scanpro- zess auf dem Objekt abgescannten Messspots bzw. Pixel letztlich durch unter- schiedliche Frequenzen des Messsignals kodiert sind, welche wiederum detektor- seitig (im Sinne eines„Demultiplexing“) dekodiert bzw. den einzelnen Orten auf dem Objekt (Pixel) zugeordnet werden, eine Aufhebung der Laufzeit- bzw. TOF- Begrenzung erzielt mit der Folge, dass die Scanrate letztlich nur noch elektronik- bedingt (nämlich durch die über die Lichtquelle einstellbare Chirprate sowie die detektorseitig erzielbare Frequenzauflösung der jeweils zu messenden Differenz- frequenzen) beschränkt ist.

Bei im Rahmen der Erfindung hinsichtlich ihres Abstandes von der erfindungs- gemäßen Vorrichtung vermessenen Objekten kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um Roboterkomponenten wie Roboterarme oder auch um im Straßenverkehr bzw. Automobilbereich rele- vante Objekte (z.B. Fremdfahrzeuge) handeln. Dabei kann auch über die Abstandsermittlung hinaus auch z.B. eine Geschwindigkeitsermittlung (wie als solche z.B. aus US 2016/0299228 A1 bekannt) erfolgen.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung weiter ein Element zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Mess- signals auf.

Gemäß einer Ausführungsform weist dieses Element zur frequenzselektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals ein AWG (= “array waveguide grating“=„Wellenleiterstruktur-Array“) auf. Der Einsatz eines solchen AWG ist insofern besonders vorteilhaft, als eine (wafer-)integrierte und somit besonders kompakte Bauweise ermöglicht wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Realisierung der frequenzselektiven räumli- chen Aufteilung über ein AWG beschränkt. In weiteren Ausführungsformen kann auch ein anderes, die frequenzselektive räumliche Aufteilung bewirkendes bzw. dispersives Element, beispielsweise ein Prisma, ein Beugungsgitter bzw. Bragg- Gitter oder ein räumlicher Lichtmodulator (z.B. ein akustischer oder elektroopti- scher Modulator) verwendet werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Koppler-Array mit einer Mehrzahl unabhängig voneinander betreibbarer Kopplungselemente zur jeweils separaten Zusammenführung von durch die frequenzselektive räumliche Auftei- lung des von dem Objekt reflektierten Messsignals erzeugten Teilsignalen mit dem Referenzsignal auf.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Detektoranordnung mit einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Detektorelementen zur Erzeugung von Detektorsignalen auf, wobei diese Detektorsignale jeweils für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des durch die frequenzselektive räum- liche Aufteilung des von dem Objekt reflektierten Messsignals erzeugten Teilsig- nals und der Frequenz des Referenzsignals charakteristisch sind.

Gemäß einer Ausführungsform sind voneinander verschiedene Detektorelemente dieser Detektoranordnung unterschiedlichen von der Ablenkeinrichtung eingestell- ten Winkeln zugeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Ablenkeinrichtung einen drehbaren Spiegel auf.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Erfassung von Objekt- abständen von mehr als 30m, insbesondere von mehr als 100m, weiter insbeson- dere von mehr als 200m, ausgelegt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Lichtquelle zum Aussenden des optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz über einen Durchstimmbereich von mehr als 100GHz, insbesondere von mehr als 400GHz, weiter insbesondere von mehr als 1000GHz, ausgelegt.

Gemäß einer Ausführungsform ist bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m mit der Vorrichtung eine Scanrate von wenigstens 0.6MHz, insbesondere von wenigstens 0.8MHz, weiter insbesondere von wenigstens 1 MHz, erzielbar.

Gemäß einer Ausführungsform ist bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 200m mit der Vorrichtung eine Scanrate von wenigstens 0.3MHz, insbesondere von wenigstens 0.4MHz, weiter insbesondere von wenigstens 0.5MHz, erzielbar.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unter- ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figuren 2a-b schematische Darstellungen beispielhafter erzielbarer und 3a-b Steigerungen der Scanrate bei der erfindungsgemäßen

Abstandsermittlung; und Figuren 4a-4b schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFUHRUNGSFORMEN

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

Gemäß Fig.1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zunächst ausgehend von dem bereits anhand von Fig. 4a-4b beschriebenen, herkömmlichen Konzept eine Lichtquelle 110 zum Aussenden eines optischen Signals 111 mit zeitlich variieren- der Frequenz („chirp“) auf. Gemäß dem im oberen linken Teil von Fig. 1 einge- zeichneten Diagramm weist dieses optische Signal im Ausführungsbeispiel einen Frequenzverlauf mit linearer Zeitabhängigkeit auf.

Wenngleich in Ausführungsformen der Erfindung auch Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlich Ableitung der Frequenz analog zu Fig. 4b verwendet werden können, wird im Weiteren zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips lediglich ein Abschnitt des optischen Signals 111 mit monotoner Zeit- abhängigkeit der Frequenz betrachtet.

In ebenfalls zum herkömmlichen Konzept von Fig. 4a-4b analoger Weise erfolgt gemäß Fig. 1 eine Aufspaltung des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals 111 z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel. Von diesen Teilsignalen wird ein im Weiteren auch als„Messsignal“ 121 bezeichnetes Teil- signal über einen optischen Zirkulator 120 und einen Scanner 130 auf ein hin- sichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt 140 gelenkt, wohingegen das andere der beiden Teilsignale wie im Weiteren be- schrieben als Referenzsignal 122 für die weitere Auswertung verwendet wird. Der Weg des Messsignals 121 verläuft in zu Fig. 4a-4b analoger Weise über einen Scanner 130, wobei dieser Scanner 130 erfindungsgemäß im Unterschied zu dem herkömmlichen Konzept eine Ablenkeinrichtung zum Ändern des Winkels, unter dem das Messsignal 121 auf das Objekt 140 gelenkt wird, während jeweils eines Abschnitts mit monotoner Zeitabhängigkeit der Frequenz des Messsignals 121 bzw. des zugrundeliegenden Signals 111 aufweist. Infolgedessen werden nun beim Lenken des Messsignals 121 von der Ablenkrichtung des Scanners 130 auf das Objekt 140 unterschiedliche Ablenkwinkel, die in Fig. 1 über die entsprechenden Ausbreitungsrichtungen des Messsignals 121 angedeutet und mit fi , f ₂ , y ₃ , ... bezeichnet sind, voneinander verschiedenen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen zugeordnet, welche wiederum unterschiedlichen Abschnitten in dem zeitlichen Verlauf des von der Lichtquelle 110 ausgesandten optischen Signals 111 entsprechen.

Nach Reflexion am Objekt 140 verläuft der Signalweg zurück über den optischen Zirkulator 120 zu einem im Ausführungsbeispiel als AWG (=“array waveguide grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“) ausgelegten Element 145 zur frequenz- selektiven räumlichen Aufteilung des von dem Objekt 140 reflektierten Mess- signals. Aufgrund der frequenzselektiven räumlichen Aufteilung durch das Element 145 werden die unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbereiche räumlich voneinander separiert. Ebenfalls in Fig. 1 angedeutet sind die zu den unterschiedlichen Pixeln bzw. Winkeln fi , f ₂ , y ₃ , ... gehörenden Frequenzverläu- fe f(cpi ), f(cp ₂ ), ί(f ₃ ), ....Insgesamt wird durch das Zusammenwirken zwischen der Ablenkeinrichtung des Scanners 130 (welche eine Zuordnung zwischen Winkeln und Frequenzen bzw. Frequenzbereichen bewirkt) und dem Element 145 (welches eine Zuordnung zwischen Frequenz bzw. Frequenzbereich und Ort be- wirkt) letztlich eine Zuordnung zwischen Ort, Frequenz und Winkel erzielt mit der Folge, dass einem im Signalweg dem Element 145 nachfolgenden Koppler-Array 150 die durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung des von dem Objekt 140 reflektierten Messsignals 121 erzeugten Teilsignale so zugeführt werden können, dass diese unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen sowie hiermit korrespondierenden Winkeln fi, f ₂ , y3, ... entsprechen.

Das Koppler-Array 150 kann insbesondere ein Array von optischen Wellenleitern (z.B. Fasern) aufweisen, wobei jeder dieser Wellenleiter mit einem (z.B. als Photodiode ausgestalteten) Detektorelement einer ebenfalls als Array ausgestal- teten Detektoranordnung gekoppelt sein kann. In dem Koppler-Array 150 erfolgt die Zusammenführung der vorstehend beschriebenen, durch die frequenzselekti- ve räumliche Aufteilung des Messsignals 121 erzeugten Teilsignale mit dem Referenzsignal 122 mit der Folge, dass die durch die (in Fig. 1 nicht dargestellte) Detektoranordnung erzeugten Detektorsignale jeweils - wie im rechten unteren Teil von Fig. 1 angedeutet - für die Differenzfrequenz bzw. Schwebungsfrequenz f _b zwischen der Frequenz des jeweiligen durch die frequenzselektive räumliche Aufteilung des reflektierten Messsignals erzeugten Teilsignals einerseits und der Frequenz des Referenzsignals andererseits charakteristisch sind. Im Ergebnis kann somit für jeden der Winkel fi, f ₂ , y3, ... die zugehörige Differenzfrequenz bzw. Schwebungsfrequenz f _b und damit wiederum der zugehörige gesuchte Abstand des Objekts 140 ermittelt werden.

Das vorstehend beschriebene Funktionsprinzip der Erfindung hat, wie im Weite- ren anhand einer Vergleichsrechnung anhand beispielhafter Werte erläutert und in Fig. 2a-2b und Fig. 3a-3b dargestellt, eine wesentliche Steigerung der für einen jeweils vorgegebenen Objektabstand erzielbaren Scanrate zur Folge:

Dabei macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass die bei dem erfindungsgemäßen Scanprozess auf dem Objekt 140 abgescannten Messspots bzw. Pixel letztlich durch unterschiedliche Frequenzen des Messsignals kodiert sind, welche wiederum detektorseitig (im Sinne eines„Demultiplexing“) dekodiert bzw. den einzelnen Orten (Pixeln) auf dem Objekt 140 zugeordnet werden, so dass eine Aufhebung der Laufzeit- bzw. TOF-Begrenzung erzielt wird. Infolgedes- sen wird die Scanrate letztlich nur noch elektronikbedingt (nämlich durch die über die Lichtquelle einstellbare Chirprate sowie die detektorseitig erzielbare Frequenzauflösung der jeweils zu messenden Differenzfrequenzen) beschränkt, wohingegen ein bei herkömmlichen Ansätzen zu fordernder zeitlicher Überlapp zwischen Messsignal und Referenzsignal entfallen kann. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß erreicht, dass sich die erzielbare Scanrate dem elektronik- bedingten Grenzwert (d.h. dem unter Berücksichtigung der über die Lichtquelle 110 einstellbaren Chirprate sowie der detektorseitig erzielbaren Frequenz- auflösung der jeweils zu messenden Differenzfrequenzen) annähert.

In der nachfolgenden Betrachtung zum Vergleich von erfindungsgemäß erzielbaren Scanraten mit herkömmlicherweise erzielbaren Scanraten werden folgende beispielhafte Werte gemäß Tabelle 1 zugrundegelegt:

Tabelle 1 :

Durch die Lichtquelle 1 10 einstellbare Chirpraten können grundsätzlich typischerweise im Bereich von (10 ¹³ — 10 ¹⁶ ) Hz/s, insbesondere (10 ¹⁴ — 10 ¹⁵ ) Hz/s, liegen. Bei einem herkömmlichen, Laufzeit- bzw. TOF-begrenzten Scanverfahren werden die minimal erreichbare Messzeit pro Pixel (Chirpdauer CHD) und damit die erzielbare Scanrate SR durch den zu fordernden zeitlichen Überlapp zwischen Messsignal und Referenzsignal begrenzt. Dieser zeitliche Überlapp ergibt sich aus dem Produkt der Laufzeit TOF (welche sich bei einem beispielhaften Objekt- abstand von L=150m mit der Lichtgeschwindigkeit c=3*10 ⁸ m/s zu TOF = 2*150m/(3*10 ⁸ m/s)=1 ps ergibt) und einem von der Elektronik abhängigen Faktor k, für den hier beispielhaft ein typischer Wert von k= 5.6 zugrundegelegt wird.

Die Scanrate SRI _,2 ergibt sich in beiden Szenarien jeweils als Kehrwert der Chirp- dauer CHDi bzw. CHD ₂ . Besagte Chirpdauer CHDI _,2 nimmt nun je nachdem, ob das erste Szenario der herkömmlicherweise gegebenen Laufzeitbegrenzung der Chirpdauer vorliegt oder ob diese Chirpdauer erfindungsgemäß im zweiten Szenario lediglich elektronikbegrenzt ist, unterschiedliche Werte an:

Im herkömmlicherweise gegebenen ersten Szenario der TOF-Begrenzung gilt für die Chirpdauer pro Pixel mit dem o.g., von der Elektronik abhängigen Faktor k: CHDi= 2*k*(L/c). Mit den o.g. Werten ergibt sich für die Chirpdauer pro Pixel ein Wert von CHDi=2*k*(L/c)=2*5.6*200m/(3*10 ⁸ m/s)^7.46610 ⁶ s, woraus für die Scanrate im ersten Szenario ein Wert SRi=1/CHDi^ 0.134MHz folgt.

Im zweiten, erfindungsgemäßen gegebenen Szenario der lediglich elektronikbedingten Begrenzung der Scanrate gilt hingegen CHR ₂ = f _b,m ax*c/(2*L) , woraus für die Chirpdauer pro Pixel folgt: CHD ₂ =CHSres/CHR ₂ =c*2*L/(2*Res*fb,max*c)=L/(Res*fb, _m ax)· Mit den o.g. Werten ergibt sich für die Chirpdauer pro Pixel ein Wert von CHD ₂ = L/(Res*f _b,ma x)=200m/(0.1 m*10 ⁹ Hz)=2*10 ⁶ s, woraus für die Scanrate im erfindungsgemäßen gegebenen zweiten Szenario ein Wert SR ₂ =1/CHD ₂ ^ 5*10 ⁵ HZ= 0.5MHZ folgt. Dabei ist anzumerken, dass bei einer ggf. in künftigen Anwendungen möglichen Steigerung der maximal detektierbaren Differenz- frequenz (Schwebungsfrequenz) f _b,m ax über den im Berechnungsbeispiel angege- benen Wert von 2*10 ⁹ Hz hinaus die Chirpdauer erfindungsgemäß noch weiter verringert und die Scanrate damit noch weiter erhöht werden kann.

Der von der Lichtquelle 1 10 zu durchlaufende Durchstimmbereich CHS zur kompletten Abdeckung eines abzuscannenden Winkelbereichs in x-Richtung von FoV _x =120° mit der Winkelauflösung A=0.1 ° ergibt sich wie folgt: Die abzuscan- nende Pixelanzahl ist für diesen abzuscannenden Winkelbereich gleich dem Wert FoVx/A. Die dem Durchstimmbereich entsprechende, erforderliche Bandbreite CHS zur Abdeckung des o.g. Winkelbereichs ergibt sich zu CHS=2*CHSres* Fo / _c /A (wobei der Faktor 2 hier eingeführt wird, um zu gewährleisten, dass die gesamte Chirpgröße CHS für sämtliche potentiellen Objektentfernungen bzw. Pixel bis zur maximal zu erfassenden Entfernung ausreichend ist). Mit den im Beispiel angenommenen Werten ergibt sich für den Durchstimmbereich CHS=2*c*FoV _x /(2*Res*A)=(2*3*10 ⁸ m/s*120°)/(2*0.1 m*0.1 °)=3.6*10 ¹² Hz=3.6TH z. Bezogen auf die Wellenlänge ergibt sich dieser Durchstimmbereich zu Dl= 0 ² *(CHS/C)= (1 .55*10 ⁶ m) ² *3.6*10 ¹² Hz/(3*10 ⁸ m/s)^ 28.8nm.

Auf Basis der o.g. Berechnung und ausgehend von den o.g. Werten ist in den Diagrammen von Fig. 2a-2b (mit Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m) und Fig. 3a-3b (mit Erfassung von Objektabständen von bis zu 200m) jeweils die Abnahme der Scanrate (d.h. der Scangeschwindigkeit, mit welcher ein Abscannen des Objekts 140 erfolgen kann) mit zunehmendem Objektabstand aufgetragen, wobei Fig. 2a und Fig. 3a jeweils mit dem herkömmlichen Konzept von Fig. 4a-4b erzielbare Verläufe zeigen und wobei Fig. 2b und Fig. 3b jeweils die erfindungsgemäß erzielte Verbesserung zeigen. Während gemäß Fig. 2a bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m nur noch eine Scanrate von etwa 268kHz erreichbar ist, kann diese Scanrate gemäß Fig. 2b auf einen Wert von fast 1 MHz gesteigert werden. Dies bedeutet wiederum, dass für die Erfüllung einer Scanrate von z.B. 1.8MHz beim herkömmlichen Konzept gemäß Fig. 2a etwa sieben entsprechende Vorrichtungen zur Abstandsmessung benötigt wer- den, wohingegen beim erfindungsgemäßen Konzept gemäß Fig. 2b der Einsatz von lediglich zwei Vorrichtungen ausreichend ist. Wie aus Fig. 3a und Fig. 3b ersichtlich ist der erfindungsgemäß erzielbare Effekt für größere zu erfassende Objektabstände noch stärker ausgeprägt. Während gemäß Fig. 3a bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 200m nur noch eine Scanrate von etwa 134kFlz erreichbar ist, kann diese Scanrate gemäß Fig. 3b auf einen Wert von etwa 0.5MFIz gesteigert werden. In diesem Falle werden zur Erfüllung einer Scanrate von z.B. 1.8MFIz beim herkömmlichen Konzept gemäß Fig. 3a etwa dreizehn ent- sprechende Vorrichtungen zur Abstandsmessung benötigt, wohingegen beim er- findungsgemäßen Konzept gemäß Fig. 3b der Einsatz von lediglich vier Vorrich- tungen ausreichend ist. Gemäß der Erfindung kann somit insbesondere bei hin- sichtlich ihres Abstandes zu vermessenden Objekten in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) eine wesentliche Steigerung der Scanrate erzielt werden. Infolgedessen kann auch die Anzahl der zur Erzielung einer vorgegebenen Scanrate benötigten (LIDAR-)Vorrichtungen signifikant verringert werden. Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fach- mann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vor- liegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im

Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.