DE102016010236A1

DE102016010236A1 - Lidar-system mit beweglicher faser

Info

Publication number: DE102016010236A1
Application number: DE102016010236.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Petit
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US20190212420A1; JP6892149B2; WO2018036795A1; CN109642941A; JP2019531471A

Abstract

Eine Anordnung umfasst eine Faser (201) mit einem ersten Ende (205) und einem zweiten Ende. Die Anordnung (100) umfasst doch eine Fixierung (250), welche die Faser (201) an einer Fixierstelle (206) fixiert. Ein Aktuator ist eingerichtet, um das erste Ende (205) der Faser (201) gegenüber der Fixierstelle (206) zu bewegen. In manchen Beispielen ist ein LIDAR-System eingerichtet, um basierend auf dem Licht (191, 192) eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Anordnung durchzuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine Anordnung, welche eine Faser und einen Aktuator umfasst, der eingerichtet ist, um ein erstes Ende der Faser gegenüber einer Fixierstelle der Faser zu bewegen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Anordnung auch ein LIDAR-System, welches eingerichtet ist, um basierend auf Laserlicht eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Anordnung durchzuführen.
HINTERGRUND
Die Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln.
Eine Technik zur Abstandsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.
Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden.
Herkömmliche ortsaufgelöste LIDAR-Systeme weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie vergleichsweise teuer, schwer, wartungsintensiv und/oder groß sein können. Typischerweise wird bei LIDAR-Systemen ein Scanspiegel verwendet, der in unterschiedliche Positionen gebracht werden kann. Eine Genauigkeit, mit der die Position des Scanspiegels ermittelt werden kann, begrenzt dabei typischerweise die Genauigkeit der Ortsauflösung der LIDAR-Messung. Außerdem ist der Scanspiegel oftmals groß und die Verstell-Mechanik kann wartungsintensiv und/oder teuer sein.
Aus Leach, Jeffrey H., Stephen R. Chinn, and Lew Goldberg. "Monostatic all-fiber scanning LADAR system." Applied optics 54.33 (2015): 9752–9757 sind Techniken bekannt, um Mittels einer einstellbaren Krümmung einer Lichtfaser eine gescannte LIDAR-Messung durchzuführen. Entsprechende Techniken sind auch aus Mokhtar, M. H. H., and R. R. A. Syms. "Tailored fibre waveguides for precise two-axis Lissajous scanning." Optics express 23.16 (2015): 20804–20811 bekannt.
Solche Techniken weisen den Nachteil auf, dass die Krümmung der Lichtfaser vergleichsweise limitiert ist. Außerdem kann es schwierig möglich sein, eine Optik zu implementieren, die eine Strahldivergenz von Laserlicht, das aus dem Ende der Lichtfaser austritt, zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Abstandsmessung von Objekten im Umfeld einer Anordnung. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, welche zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile beheben.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Eine Vorrichtung umfasst eine flexible Faser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Die Vorrichtung umfasst auch eine Fixierung, welche die Faser an einer Fixierstelle zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende fixiert. Die Vorrichtung umfasst auch eine Umlenkeinheit, die ortsfest mit dem ersten Ende der Faser verbunden ist und die eingerichtet ist, um auftreffendes Laserlicht umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch mindestens einen Aktuator, der eingerichtet ist, um die Lichtfaser im Bereich zwischen der Fixierstelle und dem ersten Ende zu bewegen. Die Vorrichtung umfasst auch eine Laserlichtquelle, die eingerichtet ist, um primäres Laserlicht auf die Umlenkeinheit zu strahlen. Die Vorrichtung umfasst auch ein LIDAR-System, das eingerichtet ist, um basierend auf dem primären Laserlicht eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Anordnung durchzuführen. Ein optischer Pfad des primären Laserlichts zur Umlenkeinheit nicht durch die Faser verläuft.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Bewegen einer Faser im Bereich zwischen einer Fixierstelle der Faser an einer Fixierung und einem ersten Ende der Faser. Eine Umlenkeinheit ist ortsfest mit dem ersten Ende der Faser verbunden. Das Verfahren umfasst auch das Bestrahlen der Umlenkeinheit mit primären Laserlicht. Der optische Pfad des Laserlichts verläuft nicht durch die Faser. Das Verfahren kann optional das Durchführen einer gescannten Abstandsmessung von Objekten umfassen.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A illustriert schematisch eine Anordnung, die eingerichtet ist, um eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Anordnung gemäß verschiedener Ausführungsformen durchzuführen, wobei die Anordnung einen Emitter für Laserlicht, einen Detektor für Laserlicht und ein LIDAR-System aufweist.
1B illustriert schematisch die Anordnung der 1A in größerem Detail, wobei die Anordnung eine Scanvorrichtung umfasst, die eingerichtet ist, um das Laserlicht zu scannen.
2 illustriert schematisch eine Scanvorrichtung mit einer Faser mit einem beweglichen Ende gemäß verschiedener Ausführungsformen.
3A illustriert schematisch eine Scanvorrichtung mit einer Faser mit einem beweglichen Ende gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei 3A eine Krümmung der Faser illustriert.
3B illustriert schematisch eine Scanvorrichtung mit einer Faser mit einem beweglichen Ende gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei 3B eine Torsion der Faser illustriert.
4A illustriert schematisch eine Scanvorrichtung mit einer Faser mit einem beweglichen Ende gemäß verschiedener Ausführungsformen.
4B illustriert schematisch eine Scanvorrichtung mit einer Faser mit einem beweglichen Ende gemäß verschiedener Ausführungsformen.
4C illustriert schematisch eine Scanvorrichtung mit einer Faser mit einem beweglichen Ende gemäß verschiedener Ausführungsformen.
5 illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung einer Faser-Bragg-Gitter umfasst.
6A illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung zwei Faser-Bragg-Gitter umfasst.
6B illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung zwei Faser-Bragg-Gitter umfasst.
6C illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung vier Faser-Bragg-Gitter umfasst.
7 illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung vier Faser-Bragg-Gitter umfasst.
8A illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung vier Faser-Bragg-Gitter umfasst.
8B illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung einen Strahlteiler und einen Positions-sensitiven Detektor (PSD) umfasst.
8C illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung einen Strahlteiler und einen Positions-sensitiven Detektor (PSD) umfasst.
8D illustriert schematisch eine Positioniervorrichtung zum Bestimmen einer Position des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei die Positioniervorrichtung einen Strahlteiler und einen Positions-sensitiven Detektor (PSD) umfasst.
9 illustriert schematisch einen Aktuator zum Bewegen des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen.
10A illustriert schematisch einen Aktuator zum Bewegen des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen.
10B illustriert schematisch einen Aktuator zum Bewegen des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen.
10C illustriert schematisch einen Aktuator zum Bewegen des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen.
11 illustriert schematisch einen Aktuator zum Bewegen des beweglichen Endes der Faser gemäß verschiedener Ausführungsformen.
12 illustriert schematisch eine Anordnung, die eingerichtet ist, um eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Anordnung gemäß verschiedener Ausführungsformen durchzuführen.
13 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen.
14 illustriert schematisch eine Krümmungs-Mode erster Ordnung und eine Krümmungs-Mode zweiter Ordnung gemäß verschiedener Ausführungsformen.
15 illustriert schematisch eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen.
16 illustriert schematisch eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen.
17 illustriert schematisch einen zweidimensionalen Scanbereich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgenden Techniken können zum Beispiel das zweidimensionale Scannen von Licht oder das eindimensionale Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Punkten in der Umgebung mittels des Lichts bezeichnen. Z. B. kann die Menge der unterschiedlichen Punkte in der Umgebung und/oder die Menge der unterschiedlichen Abstrahlwinkel einen Scanbereich festlegen.
In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5–3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700–1800 nm aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen auf Laserlicht; die verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele können aber auch zum Scannen von Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden. RGB-Lichtquellen bezeichnen hierin im Allgemeinen Lichtquellen im sichtbaren Spektrum, wobei der Farbraum durch Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Farben – beispielsweise rot, grün, blau oder cyan, magnta, gelb, schwarz – abgedeckt wird.
In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen des Laserlichts ein bewegliches Ende einer Faser verwendet. Beispielsweise können Lichtfasern verwendet werden, die auch als Glasfasern bezeichnet werden. Dabei ist es aber nicht erforderlich, dass die Fasern aus Glas hergestellt sind. Die Fasern können zum Beispiel aus Kunststoff, Glas oder einem anderen Material hergestellt sein. Beispielsweise können die Fasern aus Quarzglas hergestellt sein. Beispielsweise können die Fasern ein 70 GPa Elastizität-Modul aufweisen. Beispielsweise können die Fasern bis zu 4% Materialdehnung ermöglichen. In manchen Beispielen weisen die Fasern einen Kern auf, in welchem das eingespeiste Laserlicht propagiert und durch Totalreflektion an den Rändern eingeschlossen ist (Lichtwellenleiter). Die Faser muss aber keinen Kern aufweisen. In verschiedenen Beispielen können sogenannte Einmoden-Lichtfasern (engl. single mode fibers) oder Mehrmoden-Lichtfasern (engl. multimode fibers) verwendet werden. Die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern können zum Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es wäre zum Beispiel möglich, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern einen Durchmesser aufweisen, der nicht kleiner als 50 μm ist, optional nicht < 150 μm ist, weiter optional nicht < 500 μm ist, weiter optional nicht < 1 mm ist. Zum Beispiel können die verschiedenen hierin beschriebenen Fasern verbiegbar bzw. krümmbar ausgestaltet sein, d. h. flexibel. Dazu kann das Material der hierin beschriebenen Fasern eine gewisse Elastizität aufweisen.
Beispielsweise könnte das bewegliche Ende der Faser in einer Dimension oder in zwei Dimensionen bewegt werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das bewegliche Ende der Faser gegenüber einer Fixierstelle der Faser verkippt wird; dies resultiert in einer Krümmung der Faser. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das bewegliche Ende der Faser entlang der Faserachse verdreht wird (Torsion). Durch das Bewegen des beweglichen Endes der Faser kann erreicht werden, dass Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Stärke der Bewegung des beweglichen Endes können unterschiedlich große Scanbereiche implementiert werden.
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, eine Torsion des beweglichen Endes der Faser alternativ oder zusätzlich zu einer Krümmung des beweglichen Endes der Faser zu implementieren.
In verschiedenen hierein beschriebenen Beispielen wird die Faser als Aktuator für eine Umlenkeinheit verwendet. Die Umlenkeinheit kann dabei am beweglichen Ende der Faser starr bzw. ortsfest angebracht sein. Dabei kann das Laserlicht jedoch auf einem anderem optischen Pfad zur Umlenkeinheit gelangen, als durch die Faser. Die Faser dient – in anderen Worten – nicht als Lichtwellenleiter für das Laserlicht auf dem Weg zur Umlenkeinheit. Dadurch kann ein kompliziertes und aufwendiges Einkoppeln des Laserlichts in die Faser vermieden werden. Außerdem kann Laserlicht verwendet werden, was zum Beispiel nicht nur die örtliche TEM00 Mode, sondern alternativ oder zusätzlich andere Moden aufweist. Dies kann die Verwendung eines besonders kleinen Lasers, beispielsweise einer Laserdiode ermöglichen.
Beispielsweise kann die Umlenkeinheit als Prisma oder Spiegel implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer implementiert sein. Beispielsweise könnte der Siegel eine Dicke im Beriech von 0,05 μ–0,1 mm aufweisen.
Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts zwischen dem beweglichen Ende der Faser, dem Objekt und einem Detektor umfassen.
Obwohl verschiedene Beispiele in Bezug auf LIDAR-Techniken beschrieben werden, ist die vorliegende Anmeldung nicht auf LIDAR-Techniken beschränkt. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Scannen des Laserlichts mittels des beweglichen Endes der Faser auch für andere Anwendungen eingesetzt werden. Beispiele umfassen zum Beispiel das das Projizieren von Bilddaten in einem Projektor – dabei könnte z. B. eine RGB-Lichtquelle verwendet werden.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, das Scannen des Laserlichts mit einer hohen Genauigkeit bezüglich des Abstrahlwinkels durchzuführen. Zum Beispiel kann im Zusammenhang mit LIDAR-Techniken eine Ortsauflösung der Abstandsmessung durch eine Ungenauigkeit des Abstrahlwinkels begrenzt sein. Typischerweise wird eine höhere (niedrigere) Ortsauflösung erreicht, je genauer (weniger genau) der Abstrahlwinkel des Laserlichts bestimmt werden kann.
Dabei ist es in verschiedenen Beispielen nicht erforderlich, dass bestimmte Abstrahlwinkel bzw. Positionen des beweglichen Endes der Faser in verschiedenen Scanpositionen reproduzierbar umgesetzt werden. Eine Unterbrechung des Scanvorgangs an bestimmten Positionen des beweglichen Endes der Faser ist nicht erforderlich: es kann eine continuous step-and-shoot Technik umgesetzt werden, anstatt einer step-and-shoot Technik. Durch eine genaue Messung der Position des beweglichen Endes der Faser kann vielmehr an beliebigen Abstrahlwinkeln eine LIDAR-Messung umgesetzt werden und durch die entsprechende Information über den Abstrahlwinkel z. B. auf ein fest vorgegebenes Winkelraster interpoliert werden.
Verschiedene Beispiele betreffen eine Positioniervorrichtung, die eingerichtet ist, um ein Signal auszugeben, das indikativ für den Abstrahlwinkel ist. Dies bedeutet, dass die Positioniervorrichtung eingerichtet sein könnte, um ein Signal auszugeben, das indikativ für die Position des beweglichen Endes der Faser ist. Zum Beispiel wäre es möglich, dass Anwendungen, die auf das Scannen des Laserlichts zurückgreifen, das Signal der Positioniervorrichtung verwenden, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Durch die Positioniervorrichtung ist es entbehrlich, bestimmte Positionen des Endes der Faser wiederholt umzusetzen: es kann vielmehr die tatsächliche Position des beweglichen Endes der Faser bzw. der tatsächliche Abstrahlwinkel gemessen werden. Dies reduziert die Komplexität der Ansteuerung des Aktuators zum Positionieren des beweglichen Endes der Faser: Der Aktuator kann z. B. eingerichtet sein, um das bewegliche Ende zwischen zwei Extremstellungen kontinuierlich hin- und herzubewegen – etwa im Gegensatz zu sogenannten Step-and-Shoot Ansätzen, wo der Scanprozess für die Messung in einer Zwischenposition unterbrochen wird. Der Aktuator muss nicht eingerichtet sein, um bestimmte Positionen zwischen den Extremstellungen aufgelöst umzusetzen. Der Aktuator kann z. B. eingerichtet sein, um das bewegliche Ende der Faser zwischen zwei Extremstellungen mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit hin- und her zu bewegen. Insbesondere kann der Aktuator eingerichtet sein, dass beim Bewegen der beweglichen Faser zwischen zwei Extremstellungen keine Abnahme der Geschwindigkeit auf Null an Zwischenpositionen stattfindet.
In manchen Beispielen kann die Positioniervorrichtung eingerichtet sein, um eine optische Messung durchzuführen. Beispielsweise könnte die Positioniervorrichtung eingerichtet sein, um die Krümmung und/oder die Torsion der Faser optisch zu messen. Alternativ oder zusätzlich könnte die Positioniervorrichtung eingerichtet sein, um den Abstrahlwinkel des Laserlichts optisch zu messen, beispielsweise basierend auf dem Laserlicht selbst und/oder basierend auf Licht einer Leuchtdiode und/oder basierend auf weiterem Laserlicht einer weiteren Laserlichtquelle. Eine solche optische Messung der Position kann insbesondere besonders genau sein. Außerdem können hohe Abtastfrequenzen möglich sein. Dies fördert continuous step-and-shoot Scantechniken.
In manchen Beispielen kann die Positioniervorrichtung eingerichtet sein, um die Position des beweglichen Endes der Faser durch eine Zustandsmessung des Laserlichts im Bereich des beweglichen Endes der Faser zu bestimmen. Im Gegensatz zu anderen indirekten Techniken – die zum Beispiel eine Zustandsmessung des Aktuators berücksichtigen – kann derart eine besonders genaue Bestimmung des Winkels, unter welchem das Laserlicht ausgesendet wird, erfolgen. Außerdem kann eine besonders schnelle Bestimmung des Winkels, unter welchem das Laserlicht ausgesendet wird, erfolgen. Die Abtastfrequenz, mit der die Positioniervorrichtung das Signal ausgibt, kann besonders hoch sein.
In manchen Beispielen kann die Positioniervorrichtung eingerichtet sein, um die Position des beweglichen Endes der Faser durch eine Zustandsmessung der Faser selbst zu bestimmen. Im Gegensatz zu anderen indirekten Techniken – die zum Beispiel eine Zustandsmessung des Aktuators berücksichtigen – kann derart eine besonders genaue Bestimmung des Winkels, unter welchem das Laserlicht ausgesendet wird, erfolgen. Außerdem kann eine besonders schnelle Bestimmung des Winkels, unter welchem das Laserlicht ausgesendet wird, erfolgen. Die Abtastfrequenz, mit der die Positioniervorrichtung das Signal ausgibt, kann besonders hoch sein.
In verschiedenen Beispielen umfasst die Positioniervorrichtung ein PSD. Der PSD kann z. B. basierend auf dem lateralen photoelektrischen Effekt betrieben werden. Dazu kann beispielsweise eine PIN-Diode verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich könnte auch ein diskreter PSD verwendet werden. Dieser könnte beispielsweise mehrere diskrete Bildpunkte umfassen, beispielsweise in Form eines CCD-Sensors oder eines CMOS-Sensors. Mittels des PSD kann es möglich sein, den aktuellen Winkel unter welchem das Laserlicht abgestrahlt wird, zu bestimmen. In manchen Beispielen kann ein lichtdurchlässiges PSD (engl. translucent PSD) verwendet werden, um eine Beschädigung zu vermeiden.
In verschiedenen Beispielen umfasst die Positioniervorrichtung mindestens ein Faser-Bragg-Gitter. Das Faser-Bragg-Gitter kann eine periodischen Modulation des Brechungsindex eines Kerns einer Faser entsprechen. Das Faser-Bragg-gitter kann eine Länge im Bereich von 100 μm–1 mm aufweisen. Eine Periodizität des Faser-Bragg-Gitters kann im Bereich der Wellenlänge von Licht liegen. Wenn Licht auf das Faser-Bragg-Gitter auftritt, dessen Wellenlänge die Bragg-Beziehung erfüllt, dann kann ein signifikanter Anteil des einfallenden Lichts reflektiert werden. Indem die Amplitude des reflektierten Lichts gemessen wird, kann auf eine Längenänderung der Faser im Bereich des Faser-Bragg-Gitters zurückgeschlossen werden. Beispielsweise kann die Längenänderung der Faser im Bereich des Faser-Bragg-Gitters durch eine Krümmung der Faser aufgrund der Bewegung des freien Endes der Faser hervorgerufen werden. Zur Auswertung des reflektierten Lichts kann zum Beispiel ein Spektrometer verwendet werden. Es wäre aber auch möglich, dass zur Auswertung des reflektierten Lichts ein Kantenfilter verwendet wird, der einen Bandpass im Bereich einer Flanke der Filterkurve des Faser-Bragg-Gitters aufweist. Derart können unterschiedliche Intensitäten hinter dem Kantenfilter indikativ für eine Änderung der Reflexion am Faser-Bragg-Gitter sein. Entsprechende Techniken sind in DE 10 2009 014 478 B4 offenbart, wobei der entsprechende Offenbarungsgehalt hierin durch Querverweis übernommen wird.
Der Aktuator kann z. B. eingerichtet sein, um einen resonanten Antrieb zu implementieren. Dies bedeutet, dass der Aktuator eingerichtet sein kann, um die Masse des Endes der Faser und weiterer Elemente in diesem Bereich – wie beispielsweise der Umlenkeinheit und/oder Linsen, etc. – resonant anzuregen. Dabei kann grundsätzlich eine Eigenmode erster Ordnung und/oder eine oder mehrere Eigenmoden höherer Ordnung resonant angeregt werden: Dies betrifft die Krümmung und/oder die Torsion der Faser. Es wäre aber auch möglich, dass der Aktuator einen nicht-resonanten Antrieb implementiert.
Mittels der hierin beschriebenen Techniken können verschiedene Effekte erzielt werden. Zum Beispiel kann es möglich sein, eine Anordnung zu implementieren, die das Scannen von Laserlicht besonders einfach, robust und mit kleinem Bauraum implementiert. Insbesondere im Vergleich zu Referenzimplementierungen, die einen makroskopischen Scanspiegel verwenden – der z. B. an mehreren Aufhängungspunkten mit einer Fixierung verbunden ist –, kann die Bewegung des freien Endes der Faser mit einfachen Bauteilen und besonders hoch integriert umgesetzt werden. Außerdem kann eine Abnutzung einer entsprechenden Anordnung im Verlauf des Betriebs weniger stark sein, wie für herkömmliche Scanspiegel.
Durch die Verwendung einer Positioniervorrichtung – insbesondere mit einem PSD und/oder einem Faser-Bragg-Gitter – kann eine besonders genaue Positionierung des beweglichen Endes der Faser durchgeführt werden. Dadurch kann es wiederum möglich sein, eine hohe Ortsauflösung für Anwendungen wie beispielsweise die LIDAR-Technik, die auf das Scannen des Laserlichts über das Umfeld zurückgreifen, zu gewährleisten. Die hohe Ortsauflösung kann auch für continuous step-and-shoot Ansätze erreicht werden.
1A illustriert Aspekte in Bezug auf eine gescannte Abstandsmessung von Objekten 195, 196. Insbesondere illustriert 1A Aspekte in Bezug auf eine Abstandsmessung auf Grundlage der LIDAR-Technik.
In 1A ist eine Anordnung 100 dargestellt, die einen Emitter 101 für Laserlicht 191, 192 umfasst. Der Emitter 101 könnte z. B. eine Laserlichtquelle sein und/oder ein Ende einer Lichtfaser, die Laserlicht aussendet. Das Laserlicht wird beispielsweise gepulst ausgesendet (Primärstrahlung). Beispielsweise könnte das primäre Laserlicht 191, 192 polarisiert sein. Es wäre auch möglich, dass das primäre Laserlicht 191, 192 nicht polarisiert ist. Die Laufzeit eines Laserlicht-Pulses zwischen dem Emitter 101, einem Objekt 195, 196 und einem Detektor 102 kann dazu verwendet werden, um einen Abstand zwischen der Anordnung 100 und den Objekten 195, 196 zu bestimmen. Dazu wird von den Objekten 195, 196 reflektierte Sekundärstrahlung 191B, 192B gemessen. Als Detektor 102 kann zum Beispiel eine Fotodiode eingesetzt werden, die mit einem Wellenlängen-Filter gekoppelt ist, der selektiv Licht mit den Wellenlängen des Laserlichts 191, 192 passieren lässt. Dadurch kann das von den Objekten 195, 196 reflektierte sekundäre Laserlicht 191B, 192B detektiert werden.
Grundsätzlich ist es möglich, dass der Emitter 101 und der Detektor 102 als separate Bauteile implementiert sind; es wäre aber auch möglich, dass das sekundäre Laserlicht 191B, 192B über dieselbe Optik detektiert wird, die auch den Emitter 101 implementiert wird.
Der Detektor 102 kann z. B. eine Avalanche-Photodiode umfassen. Beispielsweise kann der Detektor 102 eine Single Photon Avalanche Diode (SPAD) umfassen. Beispielsweise kann der Detektor ein SPAD-Array umfassend nicht weniger als 500, optional nicht weniger als 1000, weiter optional nicht weniger als 10000 SPADs umfassen. Der Detektor 102 kann z. B. mittels Photon-Korrelation betrieben werden. Der Detektor 102 kann z. B. eingerichtet sein, um einzelne Photonen zu detektieren.
Ein LIDAR-System 103 ist vorgesehen, dass mit dem Emitter 101 und dem Detektor 102 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann das LIDAR-System eingerichtet sein, um eine Zeitsynchronisation zwischen dem Emitter 101 und dem Detektor 102 zu erzielen. Das LIDAR-System 103 kann eingerichtet sein, um die Abstandsmessung der Objekte 195, 196 basierend auf Messsignalen, die von dem Detektor 102 erhalten werden, durchzuführen. Zum Beispiel kann das LIDAR-System 103 eingerichtet sein, um ein Signal auszugeben, welches indikativ für den Abstand und/oder die Positionierung der Objekte 195, 196 in Bezug auf die Anordnung 100 ist. In manchen Beispielen kann das LIDAR-System 103 auch ein Signal ausgeben, welches indikativ für eine Geschwindigkeit der Objekte 195, 196 und/oder ein Material der Objekte 195, 196 ist. Dazu kann beispielsweise der Doppler-Effekt berücksichtigt werden.
In den verschiedenen Beispielen könnte dazu ein optischer Frequenzfilter – beispielsweise ein Kantenfilter oder ein Bandpass-Filter – verwendet werden, dessen Filterkurve im Bereich des Spektrums des Laserlichts angeordnet ist. Durch die Doppler-Verschiebung kann dann erreicht werden, dass die durch den Filter transmittierte Lichtmenge in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Objekts 195, 196 variiert. Durch eine Intensitätsmessung kann dann die Geschwindigkeit bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Referenz-Messung durchgeführt werden, bei der keine Filterung durchgeführt wird.
Um zwischen den Objekten 195, 196 unterscheiden zu können – das heißt, um eine Ortsauflösung bereitstellen zu können – ist der Emitter 101 eingerichtet, um das Laserlicht 191, 192 unter verschiedenen Winkeln 110 abzustrahlen (Abstrahlwinkel). Je nach eingestelltem Winkel 110 wird dadurch das Laserlicht 191, 192 entweder von vom Objekt 196 oder von dem Objekt 195 reflektiert. Indem das LIDAR-System 103 Information über den jeweiligen Winkel 110 erhält, kann die Ortsauflösung bereitgestellt werden. In 1 ist der Scanbereich, innerhalb dessen die Winkel 110 variiert werden können, mit einer gepunkteten Linie illustriert.
1B illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. 1B illustriert die Anordnung 100 in größerem Detail als die 1A.
In dem Beispiel der 1B ist der Emitter 101 durch eine Laserlichtquelle 599 und eine Scanvorrichtung 500 implementiert. Z. B. könnte die Laserlichtquelle 599 ein Faserlaser oder eine Laserdiode sein. Die Laserlichtquelle 599 könnte z. B. mehrere räumliche Moden anregen. Die Laserlichtquelle 599 könnte beispielsweise eine Frequenzbreite von 5–15 nm aufweisen.
Die Anordnung 100 umfasst auch einen Aktuator 900, der eingerichtet ist, um die Scanvorrichtung 500 zu betätigen. Die Scanvorrichtung 500 ist eingerichtet, um das Laserlicht 191, 192, welches von der Laserlichtquelle 599 ausgesendet wird, abzulenken, so dass dieses unter verschiedenen Winkeln 110 abgestrahlt wird. Die Scanvorrichtung 500 kann ein eindimensionales Scannen oder ein zweidimensionales Scannen der Umgebung ermöglichen.
Der Aktuator 900 ist typischerweise elektrisch betreibbar. Der Aktuator 900 könnte magnetische Komponenten und/oder piezoelektrische Komponenten umfassen. Beispielsweise könnte der Aktuator eine Rotationsmagnetfeldquelle umfassen, die eingerichtet ist, um ein als Funktion der Zeit rotierendes magnetisches Feld zu erzeugen.
Zur Ansteuerung des Aktuators 900 ist eine Steuerung 950 – beispielsweise eine elektrische Schaltung, ein Mikrokontroller, ein FPGA, ein ASIC, und/oder ein Prozessor, etc. – vorgesehen, die eingerichtet ist, um Steuersignale an den Aktuator 900 zu senden. Die Steuerung 950 ist insbesondere eingerichtet, um den Aktuator 900 derart anzusteuern, so dass dieser Scanvorrichtung zum Abscannen der eines bestimmten Winkelbereichs 110 betätigt. Dabei kann die Steuerung eine bestimmte Scanfrequenz implementieren. Beispielsweise könnten unterschiedliche Raumrichtungen mit unterschiedlichen Scanfrequenzen gescannt werden. Typische Scanfrequenzen können im Bereich von 0,5 kHz–2,5 Hz, optional im Bereich von 0,7 kHz–1,5 kHz liegen. Das Abscannen kann kontinuierlich in einer continuous step-and-shoot Technik erfolgen.
Außerdem ist in 1B eine Positioniervorrichtung 560 vorgesehen. Die Positioniervorrichtung 560 ist eingerichtet, um ein Signal auszugeben, das indikativ für den Abstrahlwinkel ist, mit welchem das Laserlicht 191, 192 abgestrahlt wird. Dazu wäre es zum Beispiel möglich, dass die Positioniervorrichtung 560 eine Zustandsmessung des Aktuators 900 und/oder der Scanvorrichtung 500 vornimmt. Die Positioniervorrichtung 560 könnte beispielsweise auch direkt das primäre Laserlicht 191, 192 messen. Die Positioniervorrichtung 560 kann im Allgemeinen den Abstrahlwinkel optisch messen, z. B. Basierend auf dem primären Laserlicht 191, 192 und/oder Licht einer Leuchtdiode. Die Positioniervorrichtung 560 könnte in einer einfachen Implementierung auch Steuersignale von der Steuerung 950 empfangen und basierend auf den Steuersignalen das Signal bestimmen. Es sind auch Kombinationen der oben genannten Techniken möglich.
Das LIDAR-System 103 kann zur gescannten Abstandsmessung der Objekte das Signal, welches von der Positioniervorrichtung 560 bereitgestellt wird, verwenden. Das LIDAR-System 103 ist auch mit dem Detektor 102 gekoppelt. Basierend auf dem Signal der Positioniervorrichtung 560 und basierend auf dem von dem Detektor 102 detektierten sekundären Laserlicht 191B, 192B kann das LIDAR-System 103 dann die Abstandsmessung der Objekte 195, 196 im Umfeld der Anordnung 100 vornehmen. Das LIDAR-System 103 kann beispielsweise basierend auf dem Signal der Positioniervorrichtung 560 die Ortsauflösung der Abstandsmessung implementieren.
In einem Beispiel wäre es auch möglich, dass die Positioniervorrichtung 560 mit der Steuerung 950 des Aktuators 900 verbunden ist (in 1B nicht dargestellt). Dann könnte eine Regelschleife implementiert werden, wobei die Scanvorrichtung 500 basierend auf dem Signal der Positioniervorrichtung 560 geregelt wird. Die Regelschleife könnte analog und/oder digital implementiert werden. Dies bedeutet, dass die Steuerung 950 den Aktuator 900 basierend auf dem Signal der Positioniervorrichtung 560 ansteuern kann. Dann kann ein reproduzierbares Scannen des Umfelds ermöglicht werden. Z. B. können Messpunkte der LIDAR-Messung an wiederholt an denselben Abstrahlwinkeln erfasst werden. Dies kann eine besonders einfache Auswertung ermöglichen.
2 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 3 Aspekte in Bezug auf die Scanvorrichtung 500. In dem Beispiel der 2 umfasst die Anordnung 100 eine Faser 201. Die Faser 201 implementiert die Scanvorrichtung 500.
Die Faser 201 erstreckt sich entlang einer Zentralachse 202. Die Faser 202 umfasst ein bewegliches Ende 205 mit einer Endfläche 209.
Die Anordnung 100 umfasst auch eine Fixierung 250. Beispielsweise könnte die Fixierung 250 aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein. Die Fixierung 250 könnte zum Beispiel Teil eines Gehäuses sein, welches das bewegliche Ende 250 der Faser 201 aufnimmt. Das Gehäuse könnte z. B. ein DPAK oder DPAK2 Gehäuse sein.
Die Fixierung 250 fixiert die Faser 201 an einer Fixierstelle 206. Zum Beispiel könnte die Fixierung 250 die Faser 201 an der Fixierstelle 206 durch eine Klemmverbindung und/oder eine Lötverbindung und/oder eine Klebeverbindung implementiert sein. Im Bereich der Fixierstelle 206 ist die Faser 201 deshalb ortsfest bzw. starr mit der Fixierung 250 gekoppelt.
In 2 ist weiterhin eine Länge 203 der Faser 201 zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 dargestellt. Aus 2 ist ersichtlich, dass das bewegliche Ende 205 gegenüber der Fixierstelle 206 beabstandet ist. Zum Beispiel könnte in verschiedenen Beispielen die Länge 203 im Bereich von 0,5 cm–10 cm liegen, optional im Bereich von 1 cm–5 cm, weiter optional im Bereich von 1,5–2,5 cm.
Das bewegliche Ende 205 steht also frei im Raum. Durch diesen Abstand des beweglichen Endes 205 gegenüber der Fixierstelle 206 kann erreicht werden, dass die Position des beweglichen Endes 205 der Faser 201 gegenüber der Fixierstelle 206 verändert werden kann. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 zu krümmen und/oder zu verdrehen. In 2 ist ein Ruhezustand der Faser 201 ohne Bewegung bzw. Auslenkung dargestellt.
3A illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 3A Aspekte in Bezug auf die Scanvorrichtung 500. In dem Beispiel der 3A umfasst die Anordnung 100 eine Faser 201. Die Faser 201 implementiert die Scanvorrichtung 500. Das Beispiel der 3A entspricht dem Beispiel der 2. 3A zeigt einen dynamischen Zustand der Scanvorrichtung 500.
In dem Beispiel der 3A ist das Ender 205 der Faser 201 in einer Position 301 und einer Position 302 (gestrichelte Linie in 3A) dargestellt. Diese Positionen 301, 302 implementieren Extrempositionen der Faser 201: Z. B. könnte ein Anschlag vorgesehen sein, welcher eine weitere Bewegung des Endes 205 über die Positionen 301, 302 hinaus verhindert (in 3A nicht dargestellt). Die Faser 201 kann sich zwischen den Positionen 301, 302 hin- und herbewegen, z. B. periodisch. In dem Beispiel der 3A entspricht die Position 301 einer Krümmung 311. Die Position 302 entspricht einer Krümmung 321. Die Krümmungen 311, 321 weisen entgegengesetzte Vorzeichen auf. Zum Bewegen der Faser 201 zwischen den Positionen 301, 302 kann der Aktuator 900 vorgesehen sein (der Aktuator 900 ist in 3A nicht dargestellt).
Während in 3A eine eindimensionale Bewegung (in der Zeichenebene der 3A) dargestellt ist, wäre auch eine zweidimensionale Bewegung (mit einer Komponente senkrecht zur Zeichenebne der 3A) möglich. Beispielsweise kann eine Lissajous-Figur implementiert werden.
Durch das Bereitstellen der Krümmungen 311, 321 in den Positionen 301, 302 wird erreicht, dass das Laserlicht 191, 192 über den Krümmungs-Winkelbereich 110-1 abgestrahlt wird. Dadurch ist es möglich, den Umfeldbereich der Anordnung 100 mittels des Laserlichts 191, 192 abzuscannen. Das Laserlicht 191, 192 muss dabei nicht durch die Faser 201 laufen: das primäre Laserlicht 191, 192 (in 3A nicht dargestellt) kann auch auf einem anderen optischen Pfad zum beweglichen Ende 205 gelangen.
In dem Beispiel der 3A ist auch ein beispielhafter Krümmungsradius 312 für die Krümmung 311 illustriert. Außerdem ist ein beispielhafter Krümmungsradius 322 für die Krümmung 321 illustriert. Die Krümmungsradien 312, 322 sind jeweils ca. 1,5-fach so groß wie die Länge 203 der Faser 201 zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205. In anderen Beispielen könnten auch schwächere Krümmungen 311, 321 oder stärkere Krümmungen 311, 321 implementiert werden. Dabei entsprechen schwächere Krümmungen 311, 321 größeren Krümmungsradien 312, 322, insbesondere in Bezug auf die Länge 203.
Verschiedenen Implementierungen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Abwägung zwischen einem großen Scanbereich und kleinen Krümmungen 311, 321 erstrebenswert sein kann. Einerseits können kleine Krümmungen 311, 321 in Bezug auf eine Scanfrequenz und/oder eine Materialermüdung der Faser 201 erstrebenswert sein. Andererseits können große Krümmungen 311, 321 in Bezug auf einen großen Scanbereich erstrebenswert sein.
In manchen Beispielen kann es möglich sein, dass die Krümmungen 311, 321 in den Positionen 301, 302 je nach Position entlang der Achse 202 der Faser 201 unterschiedliche Krümmungsradien 312, 322 aufweisen. Beispielsweise wäre es möglich, dass nahe bei (beabstandet von) dem Ende 205 der Faser 201 größere (kleinere) Krümmungsradien 312, 322 in den Positionen 301, 302 vorliegen, oder andersherum. Beispielsweise wäre es möglich, dass nahebei (beabstandet von) dem Ende 205 der Faser Krümmungsradien 312, 322 in den Positionen 301, 302 vorliegen, die einen positiven (negativen) Krümmungsradius 312, 322 aufweisen. In anderen Worten wäre es möglich, dass die Krümmungen 311, 321 jeweils einen Wendepunkt aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung der Krümmungen 311, 321 kann beispielsweise durch ein geeignetes Zusammenwirken des Aktuators 900 mit der Faser 201 erreicht werden. Zum Beispiel könnte eine Kraftwirkung des Aktuators 900 an einem Punkt auf die Faser 201 einwirken, welcher näher bei dem Ende 205, als bei der Fixierstelle 206 liegt (oder aber näher bei der Fixierstelle 206 liegt). Zum Beispiel könnte eine Krümmung-Mode zweiter Ordnung oder höherer Ordnung resonant angeregt werden. Mittels solcher Techniken kann erreicht werden, dass ein besonders großer Scanbereich mittels des Laserlichts 191, 192 abgescannt werden kann.
3B illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 3B Aspekte in Bezug auf die Scanvorrichtung 500. In dem Beispiel der 3B umfasst die Anordnung 100 eine Faser 201. Die Faser 201 implementiert die Scanvorrichtung 500. Das Beispiel der 3B entspricht dem Beispiel der 2. 3B zeigt einen dynamischen Zustand der Scanvorrichtung 500.
In dem Beispiel der 3B wird das Ende 205 der Faser 201 derart bewegt, dass sich die Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 zwischen einer ersten Torsion 371 und einer zweiten Torsion 372 bewegt. Dies entspricht einer Verdrillung der Faser 201 entlang der Zentralachse 202.
Durch das Bereitstellen der Torsionen 371, 372 wird erreicht, dass das Laserlicht 191, 192 (in 3B nicht dargestellz) über einem entsprechenden Torsions-Winkelbereich 110-2 abgestrahlt werden kann, z. B. im Zusammenhang mit einer Umlenkeinheit (in 3B nicht dargestellt). Dadurch ist es möglich, den Umfeldbereich der Anordnung 100 mittels des Laserlichts 191, 192 abzuscannen (in 3B nicht dargestellt). Das Laserlicht 191, 192 muss dabei nicht durch die Faser 201 laufen: das primäre Laserlicht 191, 192 (in 3A nicht dargestellt) kann auch auf einem anderen optischen Pfad zum beweglichen Ende 205 gelangen.
Es kann wiederum ein entsprechender Aktuator vorgesehen sein, der eingerichtet ist, um die verschiedenen Torsionen 371, 372 zu implementieren. Zum Beispiel können die in 3B dargestellten Torsionen 371, 372 Extrempositionen des beweglichen Endes 205 entsprechen. Es wäre zum Beispiel möglich, dass ein entsprechender Anschlag vorgesehen ist, der eine weitere Verdrehung des beweglichen Endes 205 über die Torsionen 371, 372 hinaus verhindert (in 3B nicht dargestellt). Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass der Aktuator eingerichtet ist, um eine weitere Verdrehung des beweglichen Endes 205 über die Torsionen 371, 372 hinaus zu vermeiden. In 3B ist weiterhin der Winkelbereich 110-2 dargestellt, der zum Beispiel im Zusammenwirken mit einer Umlenkeinheit (in 3B nicht dargestellt) mittels der Torsion 371, 372 des beweglichen Endes 205 der Faser 201 implementiert werden kann.
4A illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 4A Aspekte in Bezug auf die Scanvorrichtung 500. In dem Beispiel der 4A umfasst die Anordnung 100 eine Faser 201. Die Faser 201 implementiert die Scanvorrichtung 500.
Das Beispiel der 4A illustriert insbesondere den Strahlengang des primären Laserlichts 191, 192. In dem Beispiel der 4A ist eine Umlenkeinheit 452 mit dem beweglichen Ende 205 der Faser 201 verbunden. Eine Bewegung der Faser 201 bewirkt dadurch eine Bewegung der Umlenkeinheit 452. Z. B. kann die Umlenkeinheit 452 durch eine Verkippung 311, 321 der Faser 201 verkippt werden und/oder durch eine Torsion 371, 372 der Faser 201 gedreht werden.
Die laterale Abmessung der Umlenkeinheit 452 (links-rechts in 4A; d. h. senkrecht zur Zentralachse 202 der Faser 201) ist signifikant größer als die Breite der Faser 201 senkrecht zur Zentralachse 202, z. B. mehr als 1,5-fach so groß, oder mehr als 2-fach so groß, oder mehr als 4-fach so groß.
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen wäre es möglich, dass ein Strahldurchmesser des primären Laserlichts 191, 192 im Bereich der Umlenkeinheit 451 ca. 1,5-fach so groß ist wie ein Durchmesser der Umlenkeinheit 451, optional mehr als 2,5-fach so groß, weiter optional mehr als 5-fach so groß. Dies bedeutet, dass das primäre Laserlicht 191, 192 im Wesentlichen die ganze Umlenkeinheit 451 beleuchten kann und nicht nur einen kleinen Punkt auf der Umlenkeinheit 451. Beispielsweise könnte ein Strahldurchmesser des primären Laserlichts 191, 192 im Bereich der Umlenkeinheit 451 im Bereich von 1–5 mm liegen und z. B. ca. 3 mm betragen.
In dem Beispiel der 4A wird primäres Laserlicht 191, 192 auf die Umlenkeinheit 452 gestrahlt. Das Laserlicht 191, 192 läuft dabei nicht durch die Faser 201. Dadurch wird eine komplizierte und Verlust-behaftete Einkopplung des Laserlichts 191, 192 in einen Lichtwellenleiter der Faser 201 (sofern überhaupt vorhanden; in 4A nicht dargestellt) vermieden. Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau ist möglich.
Die Umlenkeinheit lenkt das primäre Laserlicht 191, 192 um einen Umlenkwinkel 452A um. Z. B. könnte der Umlenkwinkel 452A in etwa 90° betragen, oder im Bereich zwischen 45–135°, optional im Bereich zwischen 25°–155°, weiter optional im Bereich 5°–175°.
In dem Beispiel der 4A ist die Umlenkeinheit 452 durch ein Prisma implementiert. Beispielsweise könnte das Prisma besonders klein ausgebildet sein. Beispielsweise könnte das Prisma einen Durchmesser von nicht mehr als 2 mm aufweisen – dies entspricht der oben genannten lateralen Abmessung der Umlenkeinheit 452. Optional könnte das Prisma einen Durchmesser von nicht mehr als 1 mm aufweisen. Derart kann erreicht werden, dass die Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 bewegt werden kann, ohne dass die Trägheit einer besonders großen Masse der Umlenkeinheit 452 überkommen werden muss. Außerdem können hohe Resonanzfrequenzen der Bewegung der Faser 201 erreicht werden. Auf der anderen Seite kann die Umlenkeinheit 452 genügend groß dimensioniert sein, um auch bei leichten systematischen Positionsveränderungen – z. B. aufgrund von thermischer Ausdehnung, Schwerkraft, etc. – gegenüber der Laserlichtquelle 599 noch vom Laserlicht 191, 192 getroffen zu werden. Außerdem kann die Umlenkeinheit 452 auch bei Bewegung des beweglichen Endes 205 vom Laserstrahl getroffen werden.
In anderen Beispielen könnte die Umlenkeinheit 452 z. B. durch einen Spiegel – beispielsweise einen Mikrospiegel – ausgebildet sein.
In dem Beispiel der 4B ist die Umlenkeinheit 452 nur über die Faser 201 mit der Fixierung 250 verbunden – d. h. es wird eine 1-Punkt Kopplung der Umlenkeinheit 452 mit der Fixierung 250 implementiert. In anderen Beispielen könnte die Umlenkeinheit 452 z. B. durch weitere Fasern (in 4B nicht dargestellt) oder durch eine Führung etc. mit der Fixierung 250 verbunden sein. Durch die Verbindung der Umlenkeinheit 452 nur über die Faser 201 kann eine besonders hohe Beweglichkeit der Umlenkeinheit 452 ermöglicht werden. Dies kann große Scanwinkel 110, 110-1, 110-2 ermöglichen.
4B illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 4A Aspekte in Bezug auf die Scanvorrichtung 500. In dem Beispiel der 4B umfasst die Anordnung 100 eine Faser 201. Die Faser 201 implementiert die Scanvorrichtung 500. Das Beispiel der 4B illustriert insbesondere den Strahlengang des sekundären Laserlichts 191B, 192B.
In dem Beispiel der 4B wird das sekundäre Laserlicht 191B, 192B um einen Umlenkwinkel 4528 umgelenkt, der dem Umlenkwinkel 452A entspricht. Dadurch kann erreicht werden, dass das sekundäre Laserlicht 191B, 192B denselben optischen Pfad nimmt, wie das primäre Laserlicht 191, 192.
4C illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 4A Aspekte in Bezug auf die Scanvorrichtung 500. In dem Beispiel der 4B umfasst die Anordnung 100 eine Faser 201. Die Faser 201 implementiert die Scanvorrichtung 500. Das Beispiel der 4C illustriert insbesondere den Strahlengang des sekundären Laserlichts 191B, 192B.
In dem Beispiel der 4C implementiert die Umlenkeinheit 452 auch ein optisches Element, das sekundäres Laserlicht 191B, 192B in einen Lichtwellenleiter der Faser 201 einspeist. Beispielsweise kann die Umlenkeinheit 452 einen Zirkulator implementieren. Dies bedeutet, dass das sekundäre Laserlicht 191B, 192B unter einem anderen Umlenkwinkel 452C umgelenkt wird, als das primäre Laserlicht 191, 192. Insbesondere ist der Zirkulator eingerichtet, um das sekundäre Laserlicht 191B, 192B in einen Lichtwellenleiter der Faser 201 einzukoppeln. Dazu kann das primäre Laserlicht 191, 192 und das sekundäre Laserlicht 191B, 192B polarisiert sein. Dies ermöglicht eine einfache Detektion des primären Laserlichts 191, 192.
In einem weiteren Beispiel kann die ein optisches Element zum Einkoppeln des sekundären Laserlichts 191B, 192B z. B. als weitere Umlenkeinheit – beispielsweise als weiteres Prisma oder weiterer Spiegel – implementiert sein. Die weitere Umlenkeinheit 452 kann z. B. nahe bei der Umlenkeinheit 452 angeordnet sein. Z. B. kann die weitere Umlenkeinheit angrenzend an die Umlenkeinheit 452 angeordnet sein. Beispielsweise kann die weitere Umlenkeinheit zwischen dem beweglichen Ende 205 der Faser 201 und der Umlenkeinheit 452 angeordnet sein. Derart kann erreicht werden, dass das sekundäre Laserlicht 191B, 192B nahezu in direkter Reflektion gemessen werden kann. Dadurch kann ein hohes Signalniveau erzielt werden.
Entsprechende Funktionalität könnte auch durch ein von der Umlenkeinheit 452 separats optisches Element implementiert werden.
5 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 5 Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 5 ist die Positioniervorrichtung 560 eingerichtet, um die Bewegung des Endes 205 der Faser 201 zu messen. Insbesondere ist die Positioniervorrichtung 560 eingerichtet, um die Krümmung 311, 321 der Faser 201 zu messen. Insbesondere ist die Positioniervorrichtung 560 eingerichtet, um die Krümmung 311, 321 der Faser 201 optisch zu messen.
Dazu wird einfallendes Licht 591 – z. B. mit einer anderen Wellenlänge als das Laserlicht 191, 192 – verwendet. Z. B. kann das Licht 591 durch eine Breitbandlichtquelle bereitgestellt werden. Das Spektrum des Lichts 591 kann z. B. eine Spektralbreite von nicht weniger als 50 nm aufweisen, bevorzugt von nicht weniger als 150 nm, besonders bevorzugt von nicht weniger als 500 nm. Reflektiertes Licht 592 – manchmal auch als Sekundärstrahlung bezeichnet – wird von einem entsprechenden Detektor detektiert. Das reflektierte Licht 592 ist indikativ für eine Krümmung 311, 312 der Faser 201 und damit für die Position 301, 302 des Endes 205. Basierend auf dem reflektierten Licht 592 kann dann das Signal bereitgestellt werden, welches indikativ für die Krümmung 311, 321 der Faser 201 ist. Zum Beispiel kann dieses Signal von dem LIDAR-System 103 verwendet werden. Durch die optische Messung kann der Abstrahlwinkel unter welchem das Laserlicht 191, 192 abgestrahlt wird, besonders genau bestimmt werden.
In dem Beispiel der 5 ist die Positioniervorrichtung 560 durch ein Faser-Bragg-Gitter 511 implementiert. Das Faser-Bragg-Gitter 511 ist in einem Lichtwellenleiter der Faser 201 implementiert. Das Faser-Bragg-Gitter 511 weist eine Ausdehnung parallel zur Zentralachse 202 der Faser 201 auf: Entlang dieser Ausdehnung ist die Brechzahl des Materials periodisch moduliert. Das Faser-Bragg-Gitter 511 ist in der Faser 201 zwischen der Fixierstelle 206 und dem Ende 205 angeordnet. Durch eine geeignete Anordnung des Faser-Bragg-Gitters 511 in der Faser 201 kann erreicht werden, dass die Krümmung 311, 321 der Faser 201 in einer Längenänderung des Faser-Bragg-Gitters 511 resultiert. Z. B. könnte das Faser-Bragg-Gitter 511 beabstandet gegenüber der Zentralachse 202 der Faser 201 angeordnet sein (in 5 nicht dargestellt). Diese Längenänderung des Faser-Bragg-Gitters 511 kann wiederum in einer Änderung der Amplitude des reflektierten Lichts 592 im Bereich der Wellenlängen, welche die Bragg-Bedingung erfüllen, resultieren. Dazu ist die Periodizität des Faser-Bragg-Gitters 511 abgestimmt auf die Wellenlänge des Lichts 591. Die Positioniervorrichtung 560 kann dann eingerichtet sein, um das Signal basierend auf einer Amplitude des reflektierten Lichts 592 zu bestimmen. Insbesondere kann es möglich sein, die Amplitude des reflektierten Lichts 592 besonders genau und/oder besonders schnell zu bestimmen. Dadurch kann es möglich sein, die Krümmung 311, 321 besonders genau zu bestimmen. Dadurch kann es wiederum möglich sein, die Position des Endes 205 bzw. den Winkel 210 in der Position besonders genau zu bestimmen.
Das Faser-Bragg-Gitter 511 weist eine Länge 525 auf, die in etwa 80% der Länge der Faser 201 zwischen der Fixierstelle 206 und dem Ende 205 entspricht. Anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass die Länge 525 mindestens 50% der Länge 203 beträgt, bevorzugt mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 90%. Durch eine solche Ausdehnung des Faser-Bragg-Gitters 511 entlang der Länge 203 kann die Krümmung 311, 321 besonders genau bestimmt werden.
In manchen Beispielen kann es möglich sein, dass die Positioniervorrichtung 560 einen Kantenfilter aufweist. Mittels des Kantenfilters kann es möglich sein, die Amplitude des reflektierten Lichts 592 besonders schnell zu bestimmen. Zum Beispiel kann eine Transmissionsspitze des Kantenfilters im Bereich einer Flanke der Reflektionskurve des Faser-Bragg-Gitters 511 angeordnet sein. Dadurch können leichte Längenänderungen des Faser-Bragg-Gitters 511 zu einer starken Variation der durch den Kantenfilter hindurchgelassenen Amplitude führen. Dadurch kann die Amplitude des reflektierten Lichts 592 genau und schnell bestimmt werden. Es können schnelle Abtastfrequenzen, mit denen die Position des Endes 205 bestimmt wird, erreicht werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Positioniervorrichtung 560 eingerichtet ist, um das Signal mit einer Abtastfrequenz zu aktualisieren, die mindestens 500 Hz beträgt, bevorzugt mindestens 1 kHz, besonders bevorzugt mindestens 1,5 kHz.
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen wäre es möglich, dass die Positioniervorrichtung 560 eingerichtet ist, um das Signal mit einer Abtastfrequenz zu aktualisieren, die mindestens um einen Faktor 1,5 größer ist, als die Scanfrequenz, mit welcher der Aktuator 900 das Ende 205 der Faser 201 bewegt, bevorzugt mindestens um einen Faktor 2, besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 3. Dadurch kann eine sehr genaue Bestimmung des Winkels 110, unter welchem das Laserlicht 191, 192 abgestrahlt wird, erfolgen. Continuous step-and-shoot Techniken werden ermöglicht.
6A illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 6A Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 6A ist die Positioniervorrichtung 560 durch zwei Faser-Bragg-Gitter 511, 512 implementiert.
Das Faser-Bragg-Gitter 511 befindet sich in einer Faser 501-1, die verschieden von der Faser 201 ist, z. B. in einem entsprechenden Lichtwellenleiter (nicht dargestellt). Das Faser-Bragg-Gitter 512 befindet sich in einer Faser 501-2, die auch verschieden von der Faser 201 ist, z. B. in einem entsprechenden Lichtwellenleiter (nicht dargestellt). In einem Beispiel sind die Fasern 501-1, 501-2 an gegenüberliegenden Seiten 251, 252 der Faser 201 an der Faser 201 angebracht. In einem weiteren Beispiel könnte eine Mehrkern-Faser 201 verwendet werden, um unterschiedliche Lichtwellenleiter zu implementieren, in denen die Faser-Bragg-Gitter 512 angeordnet sind.
Die Zentralachsen 502-1, 502-2 der Faser 501-1, 501-2 verlaufen parallel zu Zentralachse 202 der Faser 201. Dadurch bewirkt eine Krümmung 311, 321 der Faser 201 eine entsprechende Krümmung der Faser 501-1, 501-2. Zum Beispiel bewirkt die Krümmung 311 im Gegenuhrzeigersinn (vergleiche 3A) eine Stauchung der Faser 501-1 und damit eine Verkürzung des Faser-Bragg-Gitters 511; die Krümmung 311 im Gegenuhrzeigersinn bewirkt auch eine Dehnung der Faser 501-2 und damit eine Verlängerung des Faser-Bragg-Gitters 512. Durch die exzentrische Anordnung der Faser 501-1, 501-2 in Bezug auf die Zentralachse 202 können diese Verkürzung und Verlängerung der Faser-Bragg-Gitter 511, 512 besonders signifikant ausfallen. Dadurch kann die Position des Endes 205 basierend auf von den Fasern 511, 512 reflektierten Licht 592 besonders genau bestimmt werden. Entsprechende Längenänderungen können auch bei einer Torsion 371, 372 beobachtet werden.
6B illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 6B Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 6B ist die Positioniervorrichtung 560 durch zwei Faser-Bragg-Gitter 511, 512 implementiert. Das Beispiel der 6B ist dabei eine Aufsicht auf das Beispiel der 6A.
Wiederum wäre es möglich, eine Mehrkern-Faser 201 zu verwenden, um unterschiedliche Lichtwellenleiter zu implementieren, in denen die Faser-Bragg-Gitter 512 angeordnet sind.
6C illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 6C Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 6C ist die Positioniervorrichtung 560 durch vier Faser-Bragg-Gitter implementiert (in 6C nicht dargestellt). Das Beispiel der 6C entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 6A, 6B. Dabei ist aber in dem Beispiel der 6C eine größere Anzahl an Fasern 501-1–501-4 mit jeweiligen Faser-Bragg-Gittern (in 6C nicht dargestellt) vorgesehen.
Wiederum wäre es möglich, eine entsprechende Mehrkern-Faser 201 zu verwenden, um unterschiedliche Lichtwellenleiter zu implementieren, in denen die Faser-Bragg-Gitter 512 angeordnet sind.
Mittels der Implementierung der 6C können insbesondere Bewegungen des Endes 205 in zwei Dimensionen (in der Zeichenebene der 6C) detektiert werden. Ein zweidimensionaler Scanbereich kann überwacht werden. Zum Beispiel weisen die Faser-Bragg-Gitter in den Fasern 501-1, 501-2 eine Sensitivität für Krümmungen entlang der in 6C mit x bezeichneten Richtung auf. Zum Beispiel weisen die Faser-Bragg-Gitter in den Fasern 501-3, 501-4 eine Sensitivität für Krümmungen entlang der in 6C mit y bezeichneten Richtung auf.
7 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 7 Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 7 ist die Positioniervorrichtung 560 durch vier Faser-Bragg-Gitter 511–514 implementiert.
Wiederum wäre es möglich, eine Mehrkern-Faser 201 zu verwenden, um unterschiedliche Lichtwellenleiter zu implementieren, in denen die Faser-Bragg-Gitter 512 angeordnet sind.
Die Faser-Bragg-Gitter 511, 513 befinden sich in der Faser 501-1. Die Faser-Bragg-Gitter 512, 514 befinden sich in der Faser und 501-2. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass sich mehr als zwei seriell geschaltete Faser-Bragg-Gitter in den jeweiligen Fasern 501-1, 501-2, 201 befinden (vergleiche 8A).
Durch Verwendung unterschiedlicher Gitterkonstanten für die jeweils seriell geschalteten Faser-Bragg-Gitter 511–514 können die einzelnen Faser-Bragg-Gitter 511–514 individuell angesteuert werden. Dazu kann genügend breitbandiges Licht verwendet werden.
Insbesondere für einen Fall, in welchem der Krümmungsradius als Funktion der Position entlang der Länge der Faser 201 veränderlich ist, kann dann durch einen Vergleich der Amplituden des von den seriell angeordneten Faser-Bragg-Gittern 511, 513 bzw. 512, 514 reflektierten Lichts 592 eine besonders genaue Bestimmung der Position des Endes 205 der Faser 201 erfolgen. Zum Beispiel wäre es nämlich möglich, dass basierend auf einer Differenz der Amplituden des von den seriell angeordneten Faser-Bragg-Gittern 511, 513 bzw. 512, 514 reflektierten Lichts 592 das Signal, welches indikativ für die Position 301, 302 des Endes 205 der Faser 201 ist, von der Positioniervorrichtung 560 bestimmt wird.
8B illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 8B Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 8B ist die Positioniervorrichtung 560 durch ein PSD 552 implementiert. Der PSD 552 kann isotrop oder diskret implementiert sein. Beispielsweise kann der PSD 552 mehrere Bildpunkte umfassen oder z. B. eine PIN-Diode umfassen.
In dem Beispiel der 8B umfasst die Vorrichtung 100 einen Strahlteiler 801. Dieser lenkt einen Teil des primären Laserlichts 191, 192 in Richtung des PSDs 552. Der PSD 552 ist eingerichtet, um das primäre Laserlicht 191, 192 zu messen. Der PSD 552 misst die Position des primären Laserlichts 191, 192 auf seiner Sensorfläche. Dazu ist eine Linse 551 vorgesehen, die das primäre Laserlicht 191, 192 auf der Sensorfläche des PSD 552 fokussiert. Der Strahlteiler 801 ist ortsfest mit dem Ende 205 der Faser 201 verbunden. Der Strahlteiler 801 ist eingerichtet, um einen Teilstrahlengang 802 des primären Laserlichts 191, 192 zum PSD 552 zu lenken.
Durch eine entsprechende Anordnung des PSD 552 in Bezug auf das bewegliche Ende 205 kann erreicht werden, dass die Position des Lichtpunkts auf der Sensorfläche des PSD 552 indikativ für die Position des beweglichen Endes 205 der Faser 201 bzw. für den Austrittswinkel des primären Laserlichts 191, 192 ist. Deshalb kann basierend auf dieser Messung das Signal bereitgestellt werden, welches indikativ für die Position des beweglichen Endes 205 ist, und insbesondere indikativ für die Krümmung 311, 321 und/oder die Torsion 371, 372 der Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 ist. Das Signal kann indikativ für den Austrittswinkel des Laserlichts 191, 192 sein.
8C illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 8C Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 8C ist die Positioniervorrichtung 560 durch ein PSD 552 implementiert.
Das Beispiel der 8C entspricht grundsätzlich dem Beispiel der 8B. In dem Beispiel der 8C wird nicht das primäre Laserlicht 191, 192 mittels des PSD 552 gemessen. Es wird vielmehr Licht 889 aus einer Leuchtdiode 888 verwendet. In anderen Beispielen könnte anstatt einer Leuchtdiode 888 auch eine andere Lichtquelle verwendet werden, beispielsweise eine Lichtquelle, die auch für eine Faser-Bragg-Messung mit den voranstehend beschriebenen Faser-Bragg-Gittern 511–516 eingesetzt wird.
Das Licht 889 durchläuft einen Lichtwellenleiter der Faser 201. In dem Beispiel der 8C ist die Leuchtdiode 888 am festen Ender der Faser 201 angeordnet und speist das Licht 889 in die Faser 201 ein. Eine Umlenkeinheit 852 ist vorgesehen, die das Licht 889 in Richtung des PSD 552 umlenkt. Durch eine solche Anordnung kann eine besonders einfache Optik im Bereich des beweglichen Endes 205 ermöglicht werden.
In einem weiteren Beispiel könnte ein Teil des primären Laserlichts 191, 192 im Bereich der Laserlichtquelle 599 abgezweigt werden und durch die Faser 201 geleitet werden. Dann könnte dieses abgezweigte Laserlicht 191, 192 durch die Umlenkeinheit 852 auf den PSD 552 geleitet werden.
8D illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 8C Aspekte in Bezug auf die Positioniervorrichtung 560. In dem Beispiel der 8D ist die Positioniervorrichtung 560 durch ein PSD 552 implementiert.
Das Beispiel der 8D entspricht grundsätzlich dem Beispiel der 8C. In dem Beispiel der 8D wird sowohl das primäre Laserlicht 191, 192, als auch das Licht 889 durch die Umlenkeinheit 452 umgelenkt. Die Umlenkeinheit 452 kann z. B. eine verspiegelte Innenfläche aufweisen, deren Vorderseite das primäre Laserlicht 191, 192 umlenkt und deren Rückseite das Licht 889 umlenkt. Dadurch kann eine besonders platzsparende Optik am beweglichen Ende 205 bereit gestellt werden.
9 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 9 Aspekte in Bezug auf den Aktuator 900. In dem Beispiel der 9 umfasste Aktuator 900 eine Spulenanordnung 901, die Leiterwindungen umfasst und eingerichtet ist, um ein Magnetfeld im Bereich der Faser 201 zu erzeugen. Die Faser 201 ist mit einem magnetischen Material 903 beschichtet, z. B. durch Sputtern. Es wäre auch möglich, einen Magneten aufzukleben oder aufzulöten etc. Das magnetische Material ist z. B. ferromagnetisch oder paramagnetisch oder diamagnetisch.
Außerdem umfasste Aktuator 900 eine Führung, entlang welcher das Ende 205 eindimensional geführt wird. Dies bedeutet, dass der Aktuator 900 gemäß dem Beispiel der 9 eingerichtet ist, um die Faser 205 eindimensional zu scannen. Durch Anwenden eines zeitvariablen Stroms auf die Spulenanordnung 901 kann im Bereich des magnetischen Materials 903 ein zeitvariables Magnetfeld erzeugt werden. Dadurch wird die Faser 205 entlang der Führung 902 ausgelenkt. Die Faser 205 kann insbesondere zwischen den Positionen 301, 202 gescannt werden.
Es wäre möglich, dass die Steuerung eingerichtet ist, um den Aktuator 900 anzusteuern, sodass dieser das Ende 205 der Faser 201 zwischen den Umkehrpositionen 301, 302 mit einer Scanfrequenz von mindestens 500 Hz scannt, optional von mindestens 700 Hz, weiter optional von mindestens 1,2 kHz scannt. Scannen kann in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen bedeuten, dass die Steuerung 950 den Aktuator 900 wiederholt ansteuert, so dass dieser für mehrere Wiederholungen bzw. periodisch die Bewegung des Endes 205 bewirkt.
In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass der Aktuator 900 eingerichtet ist, um die Faser 201 zweidimensional zu scannen. Die Führung 902 kann dann entbehrlich sein.
10A illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 10A Aspekte in Bezug auf den Aktuator 900. in dem Beispiel der 10A umfasst der Aktuator 902 orthogonale Spulenpaare 901 (in 10A ist lediglich ein Spulenpaar 901 dargestellt; das weitere orthogonale Spulenpaar ist in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene angeordnet). Durch abwechselndes Bestromen der orthogonale Spulenpaare 901 kann eine zweidimensionale Bewegung des Endes 205 der Faser 201 erreicht werden.
10B illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 10B Aspekte in Bezug auf den Aktuator 900. in dem Beispiel der 10B umfasst der Aktuator 902 an den gegenüberliegenden Seiten 251, 252 der Faser 201 angebrachte Hebel 951, 952. Die Hebel 951, 952 erstrecken sich senkrecht zur zentralen Achse 202 der Faser 201. Die Hebel 951, 952 könnten beispielsweise aus Kunststoff, Silizium, Glas, etc. gefertigt sein. An den Hebeln 951, 952 ist beabstandet von der Zentralachse 202 jeweils ein Magnet 903 vorgesehen. Dadurch kann durch ein durch die Spulen 901 erzeugte Magnetfeld eine exzentrische Auslenkung der Hebel 951, 952 in Bezug auf die Zentralachse 202 erfolgen. Dadurch kann ein Drehmoment auf die Faser 201 wirken. Dadurch kann insbesondere eine Torsion der Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 bewirkt werden.
10C illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 10C Aspekte in Bezug auf den Aktuator 900. In dem Beispiel der 10C umfasst der Aktuator 900 eine Drehmagnetfeldquelle (in 10C nicht dargestellt), die eingerichtet ist, um ein Magnetfeld 961 zu erzeugen, welches als Funktion der Zeit in einer senkrecht zur Zentralachse 202 der Faser 201 definierten Ebene (Zeichenebene der 10C, oben) rotiert. In 10C ist ein Winkel 962 eingezeichnet, den das Magnetfeld 961 zu zwei beliebigen Zeitpunkten einnimmt.
In dem Beispiel der 10C umfasst der Aktuator 900 weiterhin zwei Magnete 903. Die Magnete 903 könnten auf die Faser 201 aufgeklebt sein. Sputtern wäre möglich. Die Magnete 903 könnten als dünne Filme ausgebildet sein. Ein erster Magnet 903 ist auf der Seite 251 der Faser 201 angeordnet. Ein zweiter Magnet 903 ist auf der gegenüberliegenden Seite 252 der Faser 201 angeordnet. Die beiden Magnete 903 sind gegenläufig gepolt. In dem Beispiel der 10C ist die Magnetisierung des ersten Magneten 903 (in 10C linksseitig dargestellt) aus der Zeichenebene herausorientiert; die Magnetisierung des zweiten Magneten 903 (in 10C rechtzeitig dargestellt) ist in die Zeichenebene hineinorientiert. Deshalb bewirkt das Magnetfeld 961 gegenläufig orientierte Kraftwirkungen in der Ebene senkrecht zur Zentralachse 202 (Zeichenebene der 10C). Dadurch kann insbesondere eine Torsion der Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 bewirkt werden.
Durch die Dimensionierung des Winkels 962 kann der Scanbereich aufgrund der Torsion der Faser 201 eingestellt werden. Dies ist in 10C, unten illustriert. In 10C, unten ist der Verlauf des Winkels 962 des Drehmagnetfelds 961 als Funktion der Zeit dargestellt. Aus 10C ist ersichtlich, dass der Winkel 962 zwischen Maximalwerten periodisch variiert wird. Die Torsion der Faser 201 folgt beispielsweise dem Winkel 962, so dass der durch die Torsion definierte Winkelbereich 110-2 dem Hub des Winkels 962 entspricht.
Beispielsweise könnte als Drehmagnetfeldquelle ein System aus mehreren Spulen, deren Spulenachsen Winkel von beispielsweise 120° miteinander einschließen, verwendet werden. Durch zeitversetztes Ansteuern der Spulen kann dadurch das Drehmagnetfeld erzeugt werden.
11 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. Insbesondere illustriert 11 Aspekte in Bezug auf den Aktuator 900. In dem Beispiel der 11 umfasst der Aktuator 902 an den unterschiedlichen Seiten 251, 252 der Faser 201 angebrachte piezoelektrische Leiter 913. Bei Aufprägen eines Stromflusses durch die piezoelektrische Leiter 913 verändern diese ihre Länge, sodass die Krümmung 311, 312 bzw. die Bewegung der Faser 201 zwischen den Positionen 301, 302 resultiert.
Es können auch andere Anordnungen von piezoelektrischen Leitern verwendet werden.
12 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. In dem Beispiel der 12 umfasst die Anordnung 100 die Breitbandlichtquelle 1201 zum Erzeugen des Lichts 591, das eine Wellenlänge aufweist, die abgestimmt ist auf die Gitterperiodizität des einen oder der mehreren Faser-Bragg-Gitter 511–516, sowie einen Detektor 1202, der das von dem einen oder den mehreren Faser-Bragg-Gittern reflektierte Licht 592 detektieren kann. Zum Beispiel kann der Detektor 1202 ein oder mehrere Kantenfilter aufweisen. Die Anordnung 100 umfasst außerdem einen Multiplexer 1250, der eingerichtet ist, um das Licht 591 der Breitbandlichtquelle 1201 in einen Lichtwellenleiter der Faser 201 einzukoppeln. Der Multiplexer 1250 kann auch das von dem einen oder den mehreren Faser-Bragg-Gittern reflektierte Licht 592 zum Detektor 1202 lenken.
Beispielsweise könnte die Lichtquelle 1201 auch für eine Messung am PSD 552 verwendet werden (cf. 8D).
Während in dem Beispiel der 12 ein Szenario dargestellt ist, in dem lediglich die Faser 201 vorhanden ist, wären Beispiele mit mehreren dedizierten Fasern 501-1–501-4 für das oder die Faser-Bragg-Gitter wie obenstehend diskutiert, entsprechend möglich. Entsprechend könnte die Faser 201 auch mehrere Lichtwellenleiter bzw. Kerne umfassen (Mehrkern-Faser).
13 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele. In Block 5001 wird primäres Laserlicht in Richtung der Umlenkeinheit ausgesendet.
In Block 5002 wird das erste Ende der Faser bewegt. Dabei können continuous step-and-shoot Techniken eingesetzt werden. Das bewegliche erste Ende der Faser kann dabei derart bewegt werden, dass eine Krümmung und/oder Torsion der Faser im Bereich des beweglichen Endes erreicht wird. Das bewegliche erste Ende der Faser ist starr mit der Umlenkeinheit verbunden: Dadurch wird die Umlenkeinheit mit dem beweglichen Ende mitbewegt. Dadurch kann der Winkel, unter dem primäres Laserlicht abgestrahlt wird, verändert werden. Das primäre Laserlicht erreicht die Umlenkeinheit dabei nicht durch die Faser.
In Block 5003 wird optional eine LIDAR-Abstandsmessung basierend auf dem in Block 5002 implementierten Umfeldscanning mittels des primären Laserlichts implementiert. Dabei wird reflektiertes sekundäres Laserlicht detektiert, beispielsweise durch die gleiche Blende oder Optik. Es könnten auch Anwendungen wie Projizieren von Licht oder Endoskopie umgesetzt werden.
14 illustriert Aspekte in Bezug auf die Bewegung des beweglichen Endes 205 der Faser 201. In dem Beispiel der 14 ist die Amplitude der Auslenkung der Faser 201 für verschiedene Positionen zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 dargestellt. In dem Beispiel der 14 ist die Amplitude der Auslenkung der Faser 201 für die Eigenmode erster Ordnung (durchgezogene Linie) und die Eigenmode zweiter Ordnung (gestrichelte Linie) dargestellt. Aus 14 ist ersichtlich, dass mittels der Eigenmode zweiter Ordnung kleinere Krümmungsradien und damit größere Winkel 110-1 unter denen das Laserlicht 191, 192 abgestrahlt wird, implementiert werden können. Typischerweise weist die Eigenmode zweiter Ordnung eine höhere Eigenfrequenz auf, als die Eigenmode erster Ordnung. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Materialbelastung des Materials der Faser 201 für die Eigenmode zweiter Ordnung geringer ist, als für die Eigenmode erster Ordnung. Insbesondere im Bereich der Fixierstelle 206 konnte eine geringere Materialbelastung im Zusammenhang mit der Eigenmode zweiter Ordnung erzielt werden. In manchen Beispielen ist es deshalb möglich, dass der Aktuator 900 eingerichtet ist, um die Faser 201 resonant in der Eigenmode zweiter Ordnung oder höher zu bewegen.
15 illustriert Aspekte in Bezug auf die Anordnung 100. In dem Beispiel der 15 umfasst die Anordnung 100 ein Gehäuse 1700, welches ein lichtdurchlässiges Element 1701 aufweist. Das aus dem beweglichen Ende 205 der Faser 201 austretendes Laserlicht 191, 192 kann durch das lichtdurchlässiges Element 1701 – beispielsweise eine Kunststoffscheibe oder eine Glasscheibe – austreten. In manchen Beispielen könnte das lichtdurchlässiges Element 1701 eine Brechkraft aufweisen und damit eine Linse implementieren (in 15 nicht dargestellt). Zum Beispiel könnte das lichtdurchlässiges Element 1701 durch eine Linse implementiert werden. Mittels der Linse wäre es möglich, einen divergenten Strahlquerschnitt des Laserlichts 191, 192 (in 15 ist der Strahlquerschnitt des Laserlichts 191, 192 nicht dargestellt) zu sammeln. Insbesondere kann erreicht werden, dass der Strahlquerschnitt des Laserlichts 191, 192 hinter der Linse nicht als Funktion des Ortes mit zunehmender Entfernung zu dem beweglichen Ende 205 signifikant zunimmt. Dadurch kann eine besonders hohe Ortsauflösung zum Beispiel im Zusammenhang mit der LIDAR-Technik bereitgestellt werden. Das Laserlichts 191, 192 wird in kleine Raumwinkel abgestrahlt.
In dem Beispiel der 15 ist der Bereich, in welchem sich das bewegliche Ende 205 der Faser 201 bewegt, evakuiert. Dies bedeutet, dass der Raum 450 zwischen dem lichtdurchlässiges Element 1701 und der Fixierung 250 luftdicht ausgebildet ist. Dadurch kann die Bewegung des beweglichen Endes 205 ohne Luftreibung implementiert werden. Außerdem können äußere Störeinflüsse vermieden werden.
Beispielsweise könnte das Gehäuse 1700 eine passive Temperaturkompensation aufweisen. Zum Beispiel könnte das Gehäuse 1700 Wärmespeicher aufweisen, welche starke Temperaturschwankungen reduzieren können.
Zum Beispiel könnte das Gehäuse 1700 eine aktive und/oder passive Stoßdämpfung aufweisen. Dadurch könnten Kraftstöße von außerhalb der Anordnung 100 absorbiert oder in der Amplitude herabgesetzt werden, sodass eine negative Beeinflussung der Bewegung des beweglichen Endes 205 der Faser 201 reduziert werden kann.
In dem Beispiel der 15 sind die Laserlichtquelle 599 und der Detektor 102 auch in dem Gehäuse 1700 angeordnet. In anderen Beispielen könnten die Laserlichtquelle 599 und/oder der Detektor 102 außerhalb des Gehäuses 1700 angeordnet sein. In einem solchen Fall wäre es möglich, dass das Gehäuse 100 einen optischen Steckkontakt aufweist.
In dem Beispiel der 15 sind die Laserlichtquelle 599 und der Detektor 102 im Wesentlichen gegenüberliegend zu der Faser 201 im Gehäuse 1700 angeordnet. Dies bedeutet, dass der Winkel zwischen dem optischen Pfad des primären Laserlichts 191, 192 zur Umlenkeinheit 452 und der Zentralachse 202 der Faser 201 in Ruhestellung der Faser 201 ca. 180° beträgt. In anderen Beispielen könnten die Laserlichtquelle 599 und/oder der Detektor 102 auch anders in Bezug auf die Faser 201 im Gehäuse 1700 angeordnet sein. Beispielsweise könnte ein Winkel zwischen dem optischen Pfad des primären Laserlichts 191, 192 zur Umlenkeinheit 452 einen Winkel mit der Zentralachse 202 der Faser 201 in einer Ruhestellung der Faser 201 – d. h. ohne Auslenkung durch den Aktuator – im Bereich von 25°–335° liegen, optional im Bereich von 90°–270°, weiter optional im Bereich 120°–240°.
In dem Beispiel der 15 wird das sekundäre Laserlicht 191B, 192B nicht in einen Lichtwellenleiter der Faser 201 eingekoppelt. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass das sekundäre Laserlicht 191B, 192B in einen Lichtwellenleiter der Faser 201 eingekoppelt wird (cf. 16).
Das Beispiel der 15 und 16 kann mit anderen hierin beschriebenen Beispielen kombiniert werden, z. B. mit dem Beispiel der der 8D: anstatt des Laserlichts 191, 192 auch anderes Licht auf den PSD 552 gelenkt werden könnte.
17 illustriert Aspekte in Bezug auf das zweidimensionale Scannen eines Umfeldbereichs, der sich entlang zweier orthogonaler Raumrichtungen x, y erstreckt. In dem Beispiel der 17 wird ein Umfeldbereich 1800 gescannt, der zweidimensionale Ausdehnung aufweist. Der Umfeldbereich 1800 kann z. B. durch ein Lissajous-Muster aus der Überlagerung zweier eindimensionaler Scan-Vorgänge erhalten werden.
Der Torsions-Winkelbereich 110-2 wird dadurch durch die Torsion der Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 erreicht. Der Torsions-Winkelbereich 110-2 ist größer als der Krümmungs-Winkelbereich 110-2, der durch die Krümmung der Faser 201 erreicht wird. Es wurde beobachtet, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn der Torsion-Winkelbereich 110-2 um mindestens einen Faktor 2 größer ist als der Krümmung-Winkelbereich 110-1, optional um mindestens einen Faktor 3,5, weiter optional um mindestens einen Faktor 5.
Beispielsweise könnte der Torsion-Winkel 110-2 > 90° sein, optional > 140° sein, weiter optional > 170° sein. Ein kleinerer Winkelbereich 110-1 wird durch die Krümmung der Faser 201 im Bereich zwischen der Fixierstelle 206 und dem beweglichen Ende 205 erreicht. Beispielsweise könnte der Krümmung-Winkelbereich 110-1 zwischen 10° und 60° betragen.
Einer solchen Implementierung des Umfeldbereichs 1800 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund der Torsion der Faser 201 ein besonders effizientes Scannen von großen Winkelbereichen 110-2 erreicht werden kann. Gleichzeitig kann durch die Kombination mit der Krümmung der Faser 201 ein zweidimensionales Scannen ermöglicht werden.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
Während voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf eine LIDAR-Anwendung beschrieben wurden, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, andere Anwendungen zu implementieren. Beispiele umfassen z. B. einen Projektor mit einer RGB-Lichtquelle etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009014478 B4 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Leach, Jeffrey H., Stephen R. Chinn, and Lew Goldberg. ”Monostatic all-fiber scanning LADAR system.” Applied optics 54.33 (2015): 9752–9757 [0006]
Mokhtar, M. H. H., and R. R. A. Syms. ”Tailored fibre waveguides for precise two-axis Lissajous scanning.” Optics express 23.16 (2015): 20804–20811 [0006]

Claims

Vorrichtung, die umfasst: – eine flexible Faser (201) mit einem ersten Ende (205) und einem zweiten Ende, – eine Fixierung (250), welche die Faser an einer Fixierstelle (206) fixiert, – eine Umlenkeinheit (452), die ortsfest mit dem ersten Ende der Faser verbunden ist und die eingerichtet ist, um auftreffendes Laserlicht (191, 192, 191B, 192B) umzulenken, – mindestens einen Aktuator (900), der eingerichtet ist, um die Faser im Bereich zwischen der Fixierstelle und dem ersten Ende zu bewegen, – eine Laserlichtquelle (599), die eingerichtet ist, um primäres Laserlicht (191, 192) auf die Umlenkeinheit zu strahlen, und – ein LIDAR-System, das eingerichtet ist, um basierend auf dem primären Laserlicht eine gescannte Abstandsmessung von Objekten (195, 196) im Umfeld der Anordnung durchzuführen, wobei ein optischer Pfad des primären Laserlichts zur Umlenkeinheit nicht durch die Faser verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkeinheit nur über die Faser mit der Fixierung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Aktuator eingerichtet ist, um die Faser im Bereich zwischen der Fixierstelle und dem ersten Ende zwischen einer ersten Torsion (371, 372) und einer zweiten Torsion zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Aktuator eingerichtet ist, um die Faser im Bereich zwischen der Fixierstelle und dem ersten Ende zwischen einer ersten Krümmung (311, 321) und einer zweiten Krümmung zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Aktuator eingerichtet ist, um die Faser zwischen der ersten Krümmung und der zweiten Krümmung resonant in einer Eigenmode zweiter Ordnung oder höher zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst: – ein optisches Element, das ortsfest mit dem ersten Ende der Faser verbunden ist und das eingerichtet ist, um von den Objekten im Umfeld der Vorrichtung reflektiertes sekundäres Laserlicht in einen Lichtwellenleiter der Faser einzukoppeln.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst: – eine Positioniervorrichtung, die eingerichtet ist, um ein Signal auszugeben, das indikativ für einen Abstrahlwinkel des primären Laserlichts aus der Anordnung ist, wobei die Positioniervorrichtung eingerichtet ist, um den Abstrahlwinkel optisch zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Positioniervorrichtung einen Positions-sensitiven Detektor (552), PSD, umfasst, der eingerichtet ist, um das primäre Laserlicht zu messen, wobei die Positioniervorrichtung weiterhin einen Strahlteiler umfasst, der ortsfest mit dem ersten Ende der Faser verbunden ist und der eingerichtet ist, um einen Teilstrahlengang des primären Laserlichts zum PSD zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Positioniervorrichtung einen Positions-sensitiven Detektor (552), PSD, umfasst, der eingerichtet ist, um Licht (889) einer Leuchtdiode (888) zu messen, wobei die Positioniervorrichtung weiterhin eine weitere Umlenkeinheit umfasst, die ortsfest mit dem ersten Ende der Faser verbunden ist und die eingerichtet ist, um das Licht der Leuchtdiode zum PSD zu lenken, wobei die Leuchtdiode eingerichtet ist, um das Licht der Leuchtdiode in einen Lichtwellenleiter der Faser am zweiten Ende der Faser einzuspeisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7–9, wobei die Positioniervorrichtung mindestens ein Faser-Bragg-Gitter (511–516) umfasst, das in der Faser angeordnet ist.