Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Sendevorrichtung zum Aussenden von Licht zumindest einer Frequenz.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Licht.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Sensorvorrichtung, ein Verfahren zum Aussenden von Licht zumindest einer Frequenz sowie ein Verfahren zum Empfangen von Licht unterschiedlicher Frequenzbereiche.

Stand der Technik

Obwohl die vorliegende Erfindung auf beliebige Sendevorrichtungen und Empfangs- vorrichtungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Lichtdetektions und Abstandssystemen - LiDAR - beschrieben.

Bekannte LiDAR-Systeme nutzen schmalbandige Laserstrahlen, die in eine be- stimmte Richtung abgelenkt werden. Trifft der Laserstrahl auf ein Objekt, kann an- hand der Reflexion des Laserstrahls an dem Objekt in diesem Winkel dessen Ent- fernung bestimmt werden. Hierzu wird beispielsweise eine lineare Frequenzrampe, basierend auf dem Prinzip FMCW - frequency modulated continuous wave - ausgesendet und durch einen kohärenten Empfang die Differenzfrequenz zwischen Senderampe und Empfangsrampe ermittelt. Anhand dieser Differenzfrequenz kann dann die Entfernung des Objekts bestimmt werden. Um ein Objekt in einem Gebiet detektieren zu können, kann ein Gebiet zweidimensional ausgeleuchtet werden. Hierfür ist eine kurze Messzeit erforderlich, was üblicherweise allerdings die Reich- weite, also die Entfernung, in der ein Objekt detektiert werden kann, reduziert. Ursa- che hierfür ist, dass bei größer werdender Entfernung das Signal-zu-Rausch Ver- hältnis für eine bestimmte Entfernung linear von der Messzeit abhängt und bei größer werdender Messzeit eine Messung dann nicht mehr möglich ist. Weiterhin ist bekannt geworden, mehrere Sensoren zu verwenden um einen be- stimmten Winkelbereich detektieren zu können, wobei jedem Sensor ein separater Winkelabschnitt des Winkelbereichs zugewiesen ist. Hierbei wird jedoch pro Ab- schnitt ein eigener Sende- und Empfangspfad benötigt. Darüber hinaus können Mehrfach-Reflexionen aus anderen Winkelabschnitten entstehen.

Offenbarung der Erfindung

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sendevorrichtung zum Aussenden von Licht zumindest einer Frequenz bereit, wobei die Sendevorrichtung ausgebildet ist, Licht in unterschiedliche Winkelbereiche abzustrahlen, derart, dass die Frequenz des Lichts in dem jeweiligen Winkelbereich zeitabhängig in einem jeweiligen Frequenzbereich variiert wird, wobei sich Frequenzen in unterschiedlichen Fre- quenzbereichen für unterschiedliche Winkelbereiche zu unterschiedlichen Zeiten nicht überlappen.

In einerweiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Licht bereit, wobei eine Trennungseinrichtung zur Trennung von Frequenzen zeitlich variierender unterschiedlicher Frequenzbereiche und zumindest ein Detektor zur Umwandlung des empfangenen Lichts in elektrische Signale angeordnet ist.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sensorvorrichtung mit einer Sendevorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1-6 und einer Empfangsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7-9 bereit.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Aussenden von Licht zumindest einer Frequenz bereit, wobei das Licht in unterschiedliche Winkelbereiche ausgesendet wird, derart, dass die Frequenz des Lichts in dem jewei- ligen Winkelbereich zeitabhängig in einem jeweiligen Frequenzbereich variiert wird, wobei sich Frequenzen in unterschiedlichen Frequenzbereichen für unterschiedliche Winkelbereiche zu unterschiedlichen Zeiten nicht überlappen. In einerweiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Empfangen von Licht unterschiedlicher Frequenzbereiche, insbesondere ausgesendet mit einem Verfahren gemäß Anspruch 11 , bereit, wobei Frequenzen zeitlich variierender unterschiedlicher Frequenzbereiche getrennt werden und insbesondere das emp- fangene Licht in elektrische Signale umgewandelt wird.

Mit anderen Worten kann mittels der Sendevorrichtung das Licht in verschiedene Winkelbereiche ausgestrahlt werden und mittels einer Empfangseinrichtung das re- flektierte Licht auch wieder empfangen werden.

Einer der Vorteile ist, dass mehrere Winkelbereiche gleichzeitig bestrahlt werden können, ohne dass mehrere Sender und/oder mehrere Empfänger, also mehrere Sende- und Empfangspfade, benötigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch auch die Messzeit für die Variation des jeweiligen Frequenzbereichs vergrößert und dadurch das Signal-zu-Rausch Verhältnis verbessert werden kann, was letztlich die Reichweite für die Detektion von Objekten mittels der Sensorvorrichtung erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch die Flexibilität gesteigert wird, da beispielsweise mehrere horizontale Ebenen gleichzeitig ausgeleuchtet werden können.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sendevorrichtung ausgebildet, die Frequenz in dem jeweiligen Winkelbereich zeitlich linear zu variieren, vorzugsweise von einer Startfrequenz zu einer Endfrequenz zu erhöhen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine einfache zeitliche Variation der Frequenz über den gesamten Frequenzbereich ermöglicht wird. Darüber hinaus wird auch eine spätere Auswertung vereinfacht, da eine eindeutige zeitliche Zuordnung der Frequenzen ermöglicht wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind eine Lichtquelle und eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung der zeitabhängigen Variation von Frequenzen des Lichts der Lichtquelle angeordnet. Mittels einer Modulationseinrichtung ist eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Modulation des Lichts einer Lichtquelle, beispielsweise eines Lasers, möglich. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Modulationseinrich- tung für jeden der unterschiedlichen Frequenzbereiche einen Modulator. Dies er- möglicht eine besonders zuverlässige Modulation.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Modulationseinrichtung einen Modulator zur zeitlichen Variation eines Frequenzbereichs und zumindest ei- nen weiteren Modulator zur Erzeugung unterschiedlicher Frequenzbereiche auf. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass durch die Trennung von Frequenzberei- chen und deren jeweiliger zeitlicher Variation eine besonders zuverlässige Variation von Frequenzen in unterschiedlichen Frequenzbereichen bereitgestellt werden kann. Beispielsweise lässt sich ein Frequenz-Offset zwischen den verschiedenen Bereichen mittels eines Phasenmodulators erzeugen. Hierbei wird die Phase zeitlich veränderlich moduliert und dadurch ein Frequenz-Offset erzeugt. Beispiele für solche Modulatoren sind solche, die auf der Modulation der Ladungsträgerdichte basieren oder auf Basis elektro-optischer Effekte, wie beispielsweise dem Pockels-Effekt oder dem Kerr-Effekt.

Gemäß einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung ist für jeden Frequenzbereich eine separate Lichtquelle angeordnet. Auf diese Weise können unterschiedliche Lichtquellen mit unterschiedlicher Charakteristik genutzt werden, was die Flexibilität insgesamt erhöht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist für jeden Frequenzbereich ein separater Detektor angeordnet. Damit kann eine besonders zuverlässige Detektion des Lichts erreicht werden, da der Detektor auf das empfangene Licht des jeweiligen Frequenzbereichs abgestimmt werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Trennungseinrichtung einen Notch-Filter, insbesondere in Form von photonischen Ringoszillatoren, auf. Mittels eines Notch-Filters kann empfangenes Licht mit verschiedenen Frequenz- rampen zuverlässig in Licht mit jeweils einer Frequenzrampe getrennt werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter- ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er- läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich- nungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Dabei zeigen in schematischer Form

Figur 1 eine Zeit-Frequenzdarstellung der zeitlichen Variation von Frequenzen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine Sendevorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 3 eine Sendevorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung;

Figur 4 eine Sendevorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung;

Figur 5 eine Sendevorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung;

Figur 6 eine Empfangsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 7 eine Empfangsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 8 eine Sensorvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Zeit-Frequenzdarstellung der zeitlichen Variation von Frequenzen gemäß einer ersten Ausführungsform.

In Figur 1 ist eine Zeit-Frequenzdarstellung von Frequenzrampen gezeigt, wobei hier das Basisband der obersten Frequenzrampe 6c gestrichelt angedeutet ist. Im Detail zeigt Figur 1 eine Zeitfrequenzdarstellung 1 , wobei die Frequenz 3 über der Zeit 2 aufgetragen ist. Zu sehen sind drei Frequenzrampen 5a, 5b und 5c, die jeweils mit der gleichen Steigung im gleichen Zeitintervall ansteigen. Die Frequenzrampen 5a, 5b unterscheiden sich dabei in ihrer jeweiligen Startfrequenz um die Frequenz- differenz 4a und die beiden Frequenzrampen 5b und 5c unterscheiden sich um die Frequenzdifferenz 4b. Die Frequenzdifferenzen 4a, 4b können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Die Startfrequenz f ^a s _TART der ersten Rampe 5a ist in Figur 1 am kleinsten und die Startfrequenz _START der dritten Frequenzrampe 5c am größten. Durch den linearen Anstieg ist die jeweilige Endfrequenz f ^{a b c} _ENDE der jeweiligen Frequenzrampe 5a, 5b, 5c höher als die jeweilige Startfrequenz f ^{a b c} s _TART . Selbst- verständlich sind auch umgekehrte Frequenzrampen denkbar, beziehungsweise eine linear fallende Frequenzrampe. In Figur 1 sind drei Frequenzrampen 5a, 5b, 5c zu sehen, es ist aber auch jede andere Anzahl an Frequenzrampen auch möglich.

Die Erzeugung der Frequenzrampen 5a, 5b, 5c kann dabei auf folgende Weise er- folgen: Licht von einer Lichtquelle, beispielsweise eines Lasers, wird mittels dreier verschiedener Phasenmodulatoren erzeugt und so die drei linearen Frequenzrampen 5a, 5b, 5c moduliert. Die drei Frequenzrampen 5a, 5b, 5c unterscheiden sich durch ihre Startfrequenzen f ^a sTART, f ^b sTART ⁼ f ^a sTART + Af-i, f ^c sTART ⁼ f ^a sTART + Afi + Af2, wobei die Offsetfrequenzen 4a, 4b zwischen den verschiedenen Startfrequenzen f S _TART , fs _TART + Afi , fs _TART + Afi + Af ₂ nicht zwingend größer als der Frequenzhub, also der Differenz zwischen Start- und Endfrequenz f ^{a b c} _ENDE - f ^{a b c} s _TART der jeweiligen Frequenzrampe 5a, 5b, 5c sein müssen. Die Frequenzrampen 5a, 5b, 5c können beim Empfang in ein jeweiliges Basisband 6 gemischt werden, auch bekannt als sogenanntes „Dechirping“. Die Modulation wird dabei entfernt und die Frequenzrampen 5a, 5b, 5c getrennt. Solange die jeweiligen Basisbänder 6 weit genug voneinander frequenz- technisch beabstandet sind, insbesondere wenn sich die Basisbänder nicht über- lappen, können die Frequenzrampen 5a, 5b, 5c auch zumindest teilweise im selben Frequenzbereich liegen, wobei sich dann Frequenzen des einen Frequenzbereichs zu einem bestimmten Zeitpunkt von Frequenzen des anderen Frequenzbereichs unterscheiden. In Fig. 1 ist lediglich das Basisband 6c der obersten Frequenzrampe 5c gezeigt. Allgemein sind auch andere Formen der Frequenzvariation denkbar, beispielsweise anstelle des linearen Anstiegs der Fig. 1 ein linearer Anstieg gefolgt von einem linearen Abfall.

Figur 2 zeigt eine Sendevorrichtung gemäß einer zweiten Ausrufung der vorliegenden Erfindung.

In Figur 2 ist in eine Sendevorrichtung 21 mit drei Modulatoren 11 und einer Licht- quelle in Form eines Lasers 10 gezeigt. Der Laser 10 sendet mit einer bestimmten Frequenz fs _TART Licht, welches mittels dreier Modulatoren 11a, 11 b, 11c zur Erzeu- gung der linearen Frequenzrampen 5a, 5b, 5c moduliert wird. Mit anderen Worten je ein Modulator 11a, 11b, 11c moduliert eine Frequenzrampe 11a, 11b, 11c. An- schließend wird das Licht der drei erzeugten Frequenzrampen 5a, 5b, 5c mittels einer Sendeoptik 12 ausgesendet.

Figur 3 zeigt eine Sendevorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung.

In Figur 3 ist eine Sendevorrichtung 21 mit einem Laser 10, einem Modulator 11a zur Erzeugung von Frequenzrampen und zwei Modulatoren 11b, 11c zur Frequenz- offseterzeugung 4a, 4b gezeigt. Hier wird für die Erzeugung der Frequenzrampen 5a, 5b, 5c nur ein Modulator 11 verwendet. Die mit dem Modulator 11 erzeugte lineare Frequenzrampe für das Licht des Lasers 10 wird dann auf drei Pfade 5a, 5b, 5c aufgeteilt, wobei sie in zwei der drei Pfade 5b, 5c um einen Frequenzoffset 4a, 4b verschoben wird. Dieser Frequenzoffset 4a, 4b kann auch mittels eines Phasenmo- dulators erzeugt werden. Hierbei wird die Phase zeitlich veränderlich moduliert und dadurch ein Frequenz-Offset 4a, 4b erzeugt. Derartige Modulatoren basieren beispielsweise auf der Modulation der Ladungsträgerdichte oder auf elektro-opti- schen Effekten, wie beispielsweise dem Pockels-Effekt oder dem Kerr-Effekt.

Figur 4 zeigt eine Sendevorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung.

In Figur 4 ist im Wesentlichen eine Sendevorrichtung 21 gemäß Figur 2 gezeigt. Im Unterschied zu den drei Modulatoren 11a, 11b, 11c der Figur 2 ist der Modulator 11 gemäß Figur 4 breitbandig ausgebildet, sodass dieser alle drei Frequenzrampen 5a, 5b, 5c auf das Licht des Lasers 10 modulieren kann.

Figur 5 zeigt eine Sendevorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung.

In Figur 5 ist im Wesentlichen eine Sendevorrichtung 21 gemäß Figur 2 gezeigt. Im Unterschied zur Sendevorrichtung 21 gemäß Figur 2 sind bei der Sendevorrichtung 21 gemäß Figur 5 nun drei Laser 10a, 10b, 10c angeordnet, deren jeweiliges Lichtsig- nal mit der Frequenz f S _TART , f S _TART, ‘S _TART entsprechend mittels eines dem Laser 10a, 10b, 10c jeweils zugeordneten Modulators 11a, 11 b, 11c mit einer Frequenzrampe 5a, 5b, 5c versehen wird. Das entsprechend modulierte Licht mit den Frequenzrampen 5a, 5b, 5c wird dann gemeinsam über die Sendeoptik 12 abgestrahlt.

Die modulierten Lichtsignale gemäß Figuren 1-5 werden, wie gezeigt, über Sendeop- tiken 12 in den Raum gestrahlt. Dabei kann für die jeweils modulierten Lichtsignale jeweils eine eigene Sendeoptik 12 angeordnet sein, beispielsweise in Form eines mikromechanischen Scanners oder eines optischen Phasenarrays oder dergleichen, die dann in einen bestimmten Winkelbereich abstrahlt, sodass sich die verschiedenen Winkelbereiche von anderen/weiteren Sendeoptiken nicht überlappen. Alternativ kann die Sendevorrichtung 21 so ausgebildet sein, dass durch die verschiedenen Frequenzbereiche, insbesondere mittlere Wellenlängen der unterschiedlichen Rampen 5a, 5b, 5c automatisch eine Abstrahlung mittels einer Sendeoptik 12 in verschiedene Winkelbereiche erfolgt. Das jeweilige Licht der drei modulierten Laserstrahlen 10a, 10b, 10c der Figur 5 wird also kombiniert und dann über dieselbe Sendeoptik 12 ausgesendet. Durch die verschiedenen Frequenzen des modulierten Lichts ergibt sich eine gewünschte Strahlablenkung in verschiedene Raumwinkel. Der Frequenzoffset 4a, 4b zwischen den Rampen 5a, 5b, 5c ist dabei hinreichend groß gewählt, weshalb sich hierfür insbesondere die Ausführungsform der Figur 5 vorteilhaft ist.

Figur 6 zeigt eine Empfangsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 6 ist eine Empfangsvorrichtung 22 mit drei Detektoren 15a, 15b, 15c gezeigt. Von der Empfangsoptik 13 der Empfangsvorrichtung 22 empfangenes Licht wird vor Auftreffen auf einen Detektor 15a, 15b, 15c zunächst mittels einer Trennungsvor- richtung 14 getrennt. Mit anderen Worten vor der Mischung, also vor der Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal, wird das empfangene optische Lichtsignal, welches mehrere Frequenzrampen 5a‘, 5b‘, 5c‘ umfasst, beispielsweise über Notchfilter, insbesondere in Form von photonischen Ringoszillationen, getrennt. Jede Frequenzrampe 5a‘, 5b‘, 5c‘ wird dann einem jeweiligen Detektor 15a, 15b, 15c zugeführt. Vorher wird jede empfangene Frequenzrampe 5a‘, 5b‘, 5c‘ mit der entsprechenden Senderampe 5a, 5b, 5c überlagert, um einen kohärenten Empfang sicherzustellen: Genauer wird nach dem Detektieren des Lichts mit der entsprechenden Frequenzrampe 5a‘, 5b‘, 5c‘ durch den entsprechenden Detektor 15a, 15b, 15c das so überlagerte Lichtsignal jeder Frequenzrampe 5a‘, 5b‘, 5c‘ mit der entsprechenden Senderampe 5a, 5b, 5c ins jeweilige Basisband 6 gemischt und kann dann in bekannter Weise nach dem FMCW-Prinzip ausgewertet werden.

Figur 7 zeigt eine Empfangsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 7 ist eine Empfangsvorrichtung 22 mit einem Detektor 15 gezeigt. Von der Empfangsoptik 13 empfangenes Licht wird dem Detektor 15 zugeführt, der bei- spielsweise ein oder zwei Fotodioden aufweist. Licht mit einer der empfangenen Frequenzrampen 5a‘, 5b‘, 5c‘ wird dann mit Licht der entsprechenden Senderampe 5a, 5b, 5c überlagert. Anschließend kann entweder das komplette Basisband 6, also sämtliche Basisbänder 6a, 6b, 6c mit den Frequenzrampen 5a‘, 5b‘ 5c‘ der jeweiligen gesendeten Frequenzrampen 5a, 5b, 5c, abgetastet werden oder es werden Bandpassfilter und/oder elektrische Mischer im jeweiligen Basisband 6 zur Trennung der Frequenzrampen 5a, 5b, 5c verwendet. Hierbei ist insbesondere die Fre- quenzdifferenz 4a, 4b der Frequenzrampen 5a, 5b, 5c im Verhältnis zur Bandbreite des Detektors 15 entsprechend gewählt, sodass der Detektor 15 zum Empfang ent- sprechend aller Rampen 5a, 5b, 5c ausgebildet ist.

Figur 8 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung.

In Figur 8 ist eine Sensorvorrichtung 20 in Form eines LiDAR-Systems gezeigt. Die Sensorvorrichtung 20 umfasst eine Sendevorrichtung 21 in der Ausführungsform der Figur 1 und eine Empfangsvorrichtung in der Ausführungsform der Figur 7. Die Sendevorrichtung 21 strahlt Licht mit unterschiedlichen Frequenzrampen 5a, 5b in unterschiedliche Winkelbereiche 100, 101 ab. Ein Objekt 30, welches sich im Win- kelbereich 100 in Reichweite der Sensorvorrichtung befindet, reflektiert das ausge- sendete Licht mit Frequenzrampe 5a. Das vom Objekt 30 reflektierte Licht mit Fre- quenzrampe 5a‘ wird dann von der Empfangsvorrichtung 22 empfangen. Die Sen- sorvorrichtung 20 wertet dann das empfangene Licht aus und kann die Entfernung des Objekts 30 von der Sensorvorrichtung 20 bestimmen.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

• gleichzeitiges Aussenden in verschiedene Winkelbereiche und Empfang mit nur einer Empfangseinheit des reflektierten Lichts,

• gleichzeitige Bestrahlung mehrerer Winkelbereiche,

• vergrößerte Messzeit pro Rampe und dadurch Verbesserung des Signal-zu- Rausch-Verhältnisses,

• größere Reichweite,

• Parallelisierung des LiDAR Systems möglich,

• höhere Zuverlässigkeit durch weniger Fehldetektionen durch Mehrfach- Reflexionen,

• einfacher Aufbau, und • einfache Durchführung.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be- schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi- fizierbar.