DE102021201501A1

DE102021201501A1 - Vorrichtung sowie Verfahren zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion

Info

Publication number: DE102021201501A1
Application number: DE102021201501.8A
Authority: DE
Inventors: Jo Pletinckx; Jan Niklas Caspers; Oliver Kern
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Es werden eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes (1) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Aussenden eines Bündels (2) einzelner Elementarlichtstrahlen auf einen ersten Punkt des Gegenstandes (1) und Variieren einer Ausrichtung und/oder einer Phase (φ) eines ersten Elementarlichtstrahls des Bündels (2) gegenüber einem zweiten Elementarlichtstrahl des Bündels (2).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Vermeidung ungewünschter Interferenzen bei der Verwendung mehrerer einzelner LaserStrahlen bei der Umgebungsdetektion in einem Fortbewegungsmittel.
Im Bereich der Mikrosystemtechnik sind aktuell miniaturisierte optische Systeme Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Im Speziellen stellt die sogenannte integrierte Optik eine Möglichkeit dar, Licht in sehr kompakten planaren Wellenleitern zu führen und zu verarbeiten. Die physikalische Grundlage für die Führung von Licht ist hierbei analog zu der von heutigen Glasfaserkabeln. Eine der möglichweise wirtschaftlich interessanten Anwendungen ist die Möglichkeit, Strahlablenkeinheiten mittels eines „opticalphased arrays“ (OPA) zu bauen, die ohne bewegliche Teile auskommen. Eine solche Einheit könnte als Ersatz für mechanische Spiegel dienen. Sie wäre deutlich resistenter gegenüber mechanischen Stößen und wäre potentiell kostengünstiger herzustellen. Zudem könnte sie deutlich kompakter realisiert werden. Mögliche Anwendungen wären in einem LiDAR-System, welches mittels Licht Objektform und Entfernung misst und für das automatisierte Fahren benötigt wird.
Erste Ansätze für eine solche Strahlablenkeinheit in der integrierten Optik wurden vom MIT publiziert. Hierbei ist eine größere Anzahl von vertikalen Emittern in einem Array angeordnet. Die Emitter waren in diesem Fall Gitterkoppler, die über Wellenleiter mit Licht versorgt wurden. Der Abstand zwischen den Emittern bestimmt, wie stark ein Strahl abgelenkt werden kann. Durch Kontrolle der Phase des Lichts an jedem Emitter und Interferenz des Lichts im Fernfeld kann ein beliebiges Muster erzeugt werden, bzw. ein enger Fokus in einem großen Winkelbereich erzeugt und bewegt werden. Jeder Emitter (Elementarlichtstrahler) strahlt Licht in einen größeren Winkelbereich ab. Durch die geschickte Wahl der relativen Phasen wird bestimmt, in welchem Winkel im Fernfeld das Licht konstruktiv interferiert und in welchem Winkelbereich es destruktiv interferiert. Es wird durch diese Interferenz also ein optischer Strahl erzeugt und durch die Änderung der Phasenunterschiede kann dieser Strahl abgelenkt werden. Für diesen Ansatz ist der Stand der Technik in folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen dokumentiert:

• J. Sun et al., „Large-scale nanophotonics phased array“, Nature 493, 195 (2013).
• J. C. Hulme et al., „Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam Scanner“, Optics Express 23, 5861 (2015).

Eine weitere mögliche Realisierung eines LiDARs mit einem OPA wird in einem US-Patent ( US 9,476,981 B2 ) diskutiert. Hierbei wird das OPA mit einem Laser kombiniert, dessen Frequenz linear moduliert wird. Dieses Licht wird ausgesendet und wieder eingefangen und auf dem Chip mit Licht aus dem Laser überlagert. Dieses Verfahren ist auch als „FMCW-LiDAR“ bekannt. Prinzipiell ist das Überlagern des ausgesendeten mit dem empfangenen Signal eine Eigenschaft von kohärenten LiDAR-Systemen, die nicht zwingend die FMCW-Modulation verwenden müssen. Die konkrete Funktionsweise eines kohärenten (FMCW) LiDARs wird beispielsweise in dem Patent US 2019/154832 im Detail erläutert.
Es ist zu beachten, dass üblicherweise die Ablenkung des optischen Strahls in einer Richtung mittels der Phaseneinstellung geschieht. Diese Phasenschieber werden so angesteuert, dass der Strahl in einem bestimmten Winkel ausgesendet wird und dann dort gehalten wird, bis die Messung (in diesem Punkt) beendet ist.
Das Messsignal, aus welchem die Entfernung zum Ziel bestimmt wird, ergibt sich durch die Überlagerung von Sende- und Empfangssignal als Interferenz-Signal zwischen diesen beiden, wodurch ein „Beating“ entsteht, das mit der Differenzfrequenz zwischen Sende- und Empfangssignal schwingt. Dies ist das gängige Grundprinzip von kohärenter Detektion.
Ein Nebeneffekt der kohärenten Detektion ist die Leistungsfluktuation des Interferenzsignals im Messpunkt (auf dem Umgebungsobjekt) durch Speckle. Beispielsweise kommt es durch eine Reflektion des Sendesignals an einer rauen Oberfläche zu einer Überlagerung vieler Teilwellen, die jeweils eine geringfügig andere Entfernung zum Sender besitzen und damit einen anderen Teilbeitrag zur Phase leisten. Dies lässt sich durch folgende Summe anschaulich darstellen: $s (t) = \sum_{n = 1}^{N} sin (2 π ƒ_{B} t + φ_{n})$
Durch diese Überlagerung ergibt sich eine Fluktuation der Intensität des Interferenz-Signals in Form einer Rayleigh-Verteilung und entsprechend in der Leistung eine Exponentialverteilung. Die Grundlagen zur Entstehung eines Speckle sind in Kapitel 6.1 der folgenden Offenbarung erläutert: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4400.
Diese Verteilung führt zu einer starken Fluktuation in der Detektionswahrscheinlichkeit. Insbesondere ist es problematisch, eine hohe Detektionswahrscheinlichkeit zu garantieren. Dies wird durch nachfolgende Rechnung deutlich:
Die Dichtefunktion für eine Exponentialverteilung lautet: $p (x) = λ e^{- λ x},$
wobei 1/λ dem Erwartungswert (also der mittleren Leistung) entspricht. Es wird von einer konstanten Rauchvarianz ausgegangen, auf die diese Leistung bezogen wird. Demnach kann also auch statt der Leistung das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eingesetzt werden. Das mittlere SNR ergibt sich aus der LiDAR-Gleichung bzw. dem „Link Budget“, also dem rechnerischen SNR ohne statistische Speckle-Effekte durch Scannen. Wird von einem bekannten SNR-Grenzwert für die Detektion ausgegangen, so ergibt sich die Detektionswahrscheinlichkeit wie folgt: $P r o b_{Det} = \int_{S N R_{Grenzwert}}^{\infty} \frac{1}{S N R_{mittel}} e^{- \frac{x}{S N R_{mittel}}} d x = e^{- \frac{S N R_{Grenzwert}}{S N R_{mittel}}}$
Bei einem mittleren SNR, welches gerade der ausgewählten Detektionsschwelle entspricht, ergibt sich demnach nur eine Detektionswahrscheinlichkeit von etwa 37%. Ziel ist aber üblicherweise eine Detektionswahrscheinlichkeit von mindestens 90%. Es muss also eine erhebliche Reserve eingeplant werden, um diese Detektionswahrscheinlichkeit zu garantieren.
In einem klassischen LiDAR-System mit Strahlablenkung durch einen mechanischen Spiegel oder ein anderes rotierendes Bauteil bewegt sich der Laserstrahl während der Messung über mehrere solcher „Speckle-Realisierungen“, wodurch dieser Effekt etwas reduziert wird. Im Falle eines OPA (Optical Phased Arrays) allerdings strahlt der Laserstrahl (das „Bündel einzelner Elementarlichtstrahler“) dorthin, wo es die Einstellung der Phasenschieber im optischen Pfad der einzelnen Elementarlichtstrahler vorgibt. Es ergibt sich also keine Bewegung und damit kein Mittelungseffekt über mehrere Speckle-Realisierungen während einer Messung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes, welches die folgenden Schritte umfasst:

Zunächst wird ein Bündel einzelner Elementarlichtstrahlen im Folgenden der Einfachheit halber auch „Lichtstrahlen“ genannt, auf einen ersten Punkt des Gegenstandes ausgesandt. Das Bündel kann im Wesentlichen parallel bzw. (annähernd) zeitgleich zueinander ausgesandte Lichtstrahlen aufweisen. Insbesondere kann es sich bei den Lichtstrahlen um kohärente Lichtstrahlung handeln. Beispielsweise kann das Licht auf eine Laserlichtquelle zurückgehen, welches zur Erzeugung der einzelnen Lichtstrahlen aufgespaltet wird. Hierbei können beispielsweise einzelne Lichtleiter durch das Licht der Lichtquelle gespeist werden, deren Enden die einzelnen Lichtstrahlen aussenden. Erfindungsgemäß wird eine Ausrichtung und/oder eine Phase eines ersten Lichtstrahls des Bündels gegenüber einem zweiten Lichtstrahl des Bündels variiert. Auf diese Weise ergibt sich in der Überlagerung der Lichtstrahlen im ersten Punkt auf dem Gegenstand eine Variation im Interferenzmuster. Insbesondere wird darauf abgezielt, eine positive Interferenz bzw. weniger starke Auslöschung der einzelnen (Elementar-)Lichtstrahlen oder Lichtbündelbestandteile zu erzielen und somit auch das vom Gegenstand bzw. dem ersten Punkt auf dem Gegenstand reflektierte Licht intensiver werden zu lassen. Somit ergibt sich eine bessere Sichtbarkeit des reflektierten Lichts für die optische Detektion des Gegenstandes. Alternativ oder zusätzlich kann bereits das Lichtbündel mit einer geringeren Intensität ausgesandt werden, ohne die Erkennungswahrscheinlichkeit gegenüber dem Stand der Technik zu verringern. Somit wird der Energieaufwand reduziert.

Anders ausgedrückt schlägt die Erfindung vor, zusätzlich zu dem Einstellen der Phasenschieber auf einen bestimmten Winkel im Zuge einer Ausrichtung des Strahlenbündels den Strahl oder mehrere Strahlen, bevorzugt sämtliche Strahlen, zittern zu lassen („dithern“). Das bedeutet, dass durch ein zusätzliches schnelles Ansteuern auf mehreren, insbesondere allen, Phasenschiebern der Laserspot des Strahls auf dem Ziel hin und her „wackelt“. Es wird also in obiger Formel der Überlagerung von vielen Rückstreuzentren eine Zeitabhängigkeit hinzugefügt. Anschaulich kann das in Form folgender Formel dargestellt werden: $s (t) = \sum_{n = 1}^{N} sin (2 π ƒ_{B} t + φ_{n} (t))$
Die zufälligen Phasen, die zu konstruktiven oder destruktiven Überlagerungen führen (Umgangssprachlich: „helles oder dunkles Speckle“) verändern sich also auch über der Messzeit. Es ist deshalb anschaulich, dass eine komplette Auslöschung des Signals über die gesamte Messzeit im ersten Punkt auf den Gegenstand sehr unwahrscheinlich ist.
Beispielsweise könnte der Strahl um eine Spot-Größe in Scan-Richtung hin und her bewegt werden. Mit anderen Worten wird ein Lichtstrahl (oder mehrere, bevorzugt sämtliche Lichtstrahlen) auf dem Objekt im ersten Punkt um seine dortige Breite in Y- bzw. in Z-Richtung (wenn die Lichtausbreitungsrichtung als X-Richtung verstanden wird) bewegt. Durch die Bewegung über mehrere Speckle-Realisierungen kommt es zu zwei Effekten:

• Die Wahrscheinlichkeitsdichte-Funktion der Leistung wandelt sich von einer Exponentialverteilung zu etwas, welches eher einer Gamma-Verteilung höherer Ordnung ähnelt. Tatsächlich handelt es sich bei der Exponentialverteilung ebenfalls um eine Sonderform der Gamma-Verteilung mit einem Formparameter p = 1 (s. Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Gammaverteilung).
• Die mittlere Leistung (der Erwartungswert der Verteilung) nimmt ab. Je mehr sich der Laserstrahl bzw. der Laserspot auf dem Ziel bewegt, desto mehr verändert sich die Verteilung und desto geringer wird der Erwartungswert. Eine zu große Bewegung führt also dazu, dass die Leistung und damit das Signal / Rausch-Verhältnis stark abnimmt. Die Bewegung sollte sich also idealerweise nur in einem kleinen Bereich, beispielsweise 2 bis 3 x die Spotgröße bewegen.

Somit kann die Erkennungssicherheit bei einem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik erhöht bzw. die erforderliche Lichtleistung zur Gewährleistung einer bestimmten Erkennungssicherheit reduziert werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Das Variieren der Ausrichtung bzw. der Phase des ersten Lichtstrahls kann beispielsweise mittels einer stochastischen (wahrscheinlichkeitsbasierten), mittels einer harmonischen (sinusförmigen) und/oder mittels einer periodischen Funktion über der Zeit und/oder dem Ort erfolgen. Die vorgenannten Funktionen können auf sämtliche, in erfindungsgemäßer Weise zur Speckle-Vermeidung zu variierende Lichtstrahlen des Bündels einheitlich angewandt werden. Alternativ können auf unterschiedliche Lichtstrahlen des Bündels unterschiedlich artige Funktionen (z.B. der vorgenannten Formen) angewandt werden. Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Lichtstrahlen des Bündels in unterschiedliche Richtungen mit den vorgenannten Funktionen variiert werden, um die Möglichkeit zu verringern, dass das Variieren der Ausrichtung/Phase eines ersten Lichtstrahls durch das Variieren einer Ausrichtung/Phase eines zweiten Lichtstrahls des Bündels wirkungslos oder in seiner Wirkung reduziert werden.
Das Variieren kann zumindest einen räumlichen Versatz um einen Vierteldurchmesser, insbesondere einen halben Durchmesser, bevorzugt mindestens einen ganzen Durchmesser, des ersten Lichtstrahls bezüglich des ersten Punktes bewirken. Mit anderen Worten wird der erste Lichtstrahl derartig variiert, dass er zumindest um seinen eigenen Durchmesser aus seinem ursprünglichen Aufenthaltsort im ersten Punkt „wandert“ (und optional wieder zurück). Der erste Punkt ist hier als „Messpunkt“, nicht als mathematischer Punkt zu verstehen. Er ist insbesondere deshalb als Punkt zu betrachten, da die Abtastung der Umgebung bzw. des Gegenstandes aus einer Vielzahl Messpunkte zusammengesetzt wird, welche üblicherweise einen erheblich größeren Abstand (z.B. das 10-fache bis 100-fache) zueinander aufweisen, als ihre eigenen Dimensionen betragen.
Im Zuge einer Umgebungsdetektion bzw. Vermessung des Gegenstandes werden bevorzugt mehrere Punkte auf dem Gegenstand in erfindungsgemäßer Weise abgetastet. Hierzu werden die o.g. Schritte bezüglich eines weiteren Punktes wiederholt. Mit anderen Worten wird ein Bündel einzelner Lichtstrahlen auf einen zweiten, vom ersten Punkt abweichenden Punkt des Gegenstandes ausgesandt. Hierzu können die Phasen zwischen nebeneinander angeordneten Lichtsendern (Lichtleiter o.ä.) gespreizt werden, um den (Abstrahl-)Winkel maximaler Überlagerung der entstehenden Wellenfronten zu variieren. Anschließend wird zumindest eine Ausrichtung und/oder eine Phase eines ersten Lichtstrahls des auf den zweiten Punkt gerichteten Bündels zusätzlich gegenüber einem zweiten Lichtstrahl des Bündels variiert. Mit anderen Worten erfolgt nun die Varianz des ersten Lichtstrahls bezüglich der übrigen Lichtstrahlen des Bündels im zweiten Punkt, wie dies oben in Verbindung mit dem ersten Punkt beschrieben worden ist. In der vorbeschriebenen Art und Weise kann die gesamte Umgebung des verwendeten Aufbaues abgetastet werden, bevor in einem nächsten Durchgang erneut der erste Punkt des Gegenstandes abgetastet wird.
Bevorzugt können sämtliche oder zumindest mehrere Lichtstrahlen des Bündels vor der Aussendung des Bündels auf den zweiten Punkt in erfindungsgemäßer Weise variiert werden, um einer destruktiven Interferenz vorzubeugen. Dies kann insbesondere zeitgleich, zumindest aber zeitlich gestaffelt erfolgen, bevor die Lichtstrahlen kollektiv auf den zweiten Punkt oder einen dritten Punkt auf den Gegenstand bzw. in der Umgebung ausgerichtet werden. Während sich bereits ab der Variation des ersten Lichtstrahls ein positiver Effekt auf die Wahrscheinlichkeit zur erfolgreichen Detektion des Gegenstandes ergibt, erhöht sich diese Wahrscheinlichkeit bei der Variation mehrerer bzw. sämtlicher Lichtstrahlen des Bündels.
Das Variieren kann beispielsweise durch thermische oder opto-elektrische Anpassung eines Brechungsindizes eines Lichtleiters erfolgen. Mit anderen Worten wird das kohärente Licht optisch bzw. thermisch verzögert, so dass die Phase zumindest eines Lichtleiters bzw. des von ihm abgestrahlten Lichtstrahls vergrößert oder verkleinert wird. Sämtliche auf erfindungsgemäß verwendbare Lichtleiter anwendbare Verfahren des Standes der Technik können auch zur Realisierung der vorliegenden Erfindung herangezogen werden.
Der Abstand zweier Messpunkte kann in Abhängigkeit einer Entfernung des Gegenstandes variieren. Daher kann als Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt auf dem Gegenstand beispielsweise mindestens 0,01° bzw. mindestens 0,1° bezogen auf einen Punkt des Aussendens liegen.
Zur Umfelddetektion gehört üblicherweise auch das Empfangen einer optischen Reflexion des Bündels vom Gegenstand und insbesondere auch das Verwenden der empfangenen optischen Reflexion im Zuge einer Umfelddetektion. Die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Vorrichtung kann beispielsweise in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt werden. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Ermittlung für ein Fahrerassistenzsystem relevanter Informationen verwendet werden. Während bei Unterschreiten eines systembedingt vordefinierten Abstandes von dem Gegenstand das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermeidung von destruktiven Interferenzen sehr gute Ergebnisse liefert bzw. die Erkennungswahrscheinlichkeit erhöht, kann bei Überschreiben des vordefinierten Abstandes eine erhöhte Intensität der Reflexion durch einen Verzicht auf das Variieren vorteilhaft sein. Daher wird in einem optionalen Schritt zunächst der Abstand zwischen der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung und dem Gegenstand ermittelt. Überschreitet der Abstand den vordefinierten Abstand, wird im Ansprechen auf diese Information das Variieren der Ausrichtung/Phase der Lichtstrahlen des Bündels zur Vermeidung der destruktiven Interferenz ausgesetzt. Auf diese Weise können gegebenenfalls höhere Lichtintensitäten des reflektierten Lichts erzeugt werden, obwohl Speckle-bedingt eine destruktive Interferenz in Kauf genommen wird.
Unabhängig von einer etwaigen Abstandsmessung kann das Aussetzen des Variierens auch in dem Fall unternommen werden, dass eine erfindungsgemäße Betriebsweise (unter Verwendung des Variierens von Ausrichtung und Phase zur Speckle-Vermeidung) zunächst keine erfolgreiche Erkennung eines Umgebungsobjektes zum Ergebnis hatte. In diesem Fall kann ein zweiter Versuch zur erfolgreichen Erkennung eines Umgebungsobjektes ohne das erfindungsgemäße Variieren der Ausrichtung/Phase unternommen werden. Auch auf diese Weise können die Vorteile der beiden Verfahrensweisen miteinander kombiniert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle und eine Steuereinheit zur Variation einer Ausrichtung und/oder einer Phase von Lichtstrahlen der Lichtquelle. Optional kann auch ein Lichtdetektor zum Empfang des vom Gegenstand reflektierten Lichtes in der Vorrichtung enthalten sein. Die Vorrichtung ist somit eingerichtet, ein Verfahren gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt auszuführen und die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile desselben derart ersichtlich in entsprechender Weise zu verwirklichen, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Umfelddetektion;
2 eine Detailansicht eines in 1 übersichtsartig dargestellten Optical Phased Arrays (OPA),
3 eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Leistung des „Interference-Beatings“ bei nichtscannenden kohärenten LiDAR-Systemen;
4 eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Leistung des „Interference-Beatings“ bei einem scannenden kohärenten LiDAR-System;
5 eine Visualisierung eines Lichtstrahls im Fernfeld über den Ablenkwinkel Theta;
6 ein harmonisches Spannungssignal für die Phasenverschiebung zur Variation eines Lichtstrahls mittels eines Phasenschiebers;
7 ein Dreiecks-Spannungssignal für die Phasenverschiebung zur Variation eines Lichtstrahls mittels eines Phasenschiebers;
8 ein stochastisches Spannungssignal für die Phasenverschiebung zur Variation eines Lichtstrahls mittels eines Phasenschiebers;
9 eine Gegenüberstellung der Detektionswahrscheinlichkeit für erfindungsgemäße und herkömmliche Vorrichtungen;
10 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung von Phasenschiebern innerhalb eines OPAs;
11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines Widerstandsnetzwerks;
12 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaues ohne Widerstandsnetzwerk; und
13 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, in welcher das Licht eines Lasers 8 durch eine Weiche 3 in (Elementar-)Lichtstrahlen aufgeteilt wird. Ein Teil wird über das Sende-OPA 4 ausgesendet. Der andere Teil wird als „Lokal-Oszillator“ behalten und einem Sammler 12 zugeführt. Das ausgesendete Lichtbündel 2 hat eine Richtwirkung, welche mittels einer Steuereinheit 11 sowie mittels des Sende-OPAs 4 festgelegt ist. Hierzu wird ein Phasenversatz zwischen benachbarten Lichtstrahlen erzeugt, welcher sämtliche Lichtstrahlen in eine gewünschte Richtung einander konstruktiv überlagern lässt (s. hierzu 2). Das vom Gegenstand 1 reflektierte Licht wird mit einem Empfangs-OPA 16 empfangen. Das Empfangs-OPA 16 kann grundsätzlich dasselbe OPA wie das OPA 4 sein. Ein solcher Betrieb wird als „monostatisch“ bezeichnet. Als Detektor 13 dient beispielsweise eine Photodiode. Der Lokal-Oszillator interferiert im Sammler 12 mit dem empfangenen Signal und ermöglicht so eine Entfernungsmessung nach dem Prinzip der kohärenten Detektion.
2 zeigt eine Prinzipskizze eines OPAs 4. Das Licht der Lichtquelle 8 wird mittels optischer Leiter auf viele optische Pfade aufgetrennt. Diese Pfade umfassen beispielsweise Grating-Antennen 19. Dabei durchläuft das Licht pro Pfad einen Phasenschieber 14, welcher dafür sorgt, dass das austretende Licht so interferiert, dass sich eine Abstrahlung in einem bestimmten Winkelbereich (im Beispiel Theta) ergibt. Wie dargestellt überlagern sich die einzelnen (Elementar-) Lichtstrahlen 5, 6, 7 unter dem Winkel Theta zu linearen Fronten 15. Ein gerichtetes Lichtbündel 2 entsteht. Die Phasenschieber 14 sind typischerweise elektrooptische Phasenschieber und die (zur Einstellung eines bestimmten Ablenkwinkels notwendigen) Ansteuer-Spannungen werden typischerweise über eine elektronische Kontrolleinheit (ASIC, FPGA, Microcontroller, etc.) und einen Digital-Analog-Wandler angesteuert. Denkbar ist beispielsweise ein photonisch integrierter Schaltkreis (PIC), auf dem die optischen Komponenten angeordnet sind (Phasenschieber, Antennen und Lichtwellenleiter) und ein oder mehrere ASICs zur Ansteuerung des Systems vorgesehen sind. So ist eine kompakte Realisierung eines LiDAR-Systems möglich.
3 zeigt eine Darstellung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Leistung des „Interference-Beatings“ bei nicht scannenden kohärenten LiDAR-Systemen. Die Wahrscheinlichkeitsdichte fällt hierbei streng monoton in Richtung größerer Entfernungen (X) von der verwendeten Vorrichtung ab.
4 zeigt eine Darstellung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion P(x) der Leitung des „Interference-Beatings“ bei einem scannenden kohärenten LiDAR-System „x“ ist hier die Empfangsleistung oder das Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die „Mittelung“ über mehrere Speckle-Realisierungen führt zu einer Erhöhung des Formparameters der Gamma-Funktion bei einer Entfernung X₀ bei Überschreiten der Entfernung X₀ sinkt die Wahrscheinlichkeitsdichte wieder stark ab. Der Mittelwert (Erwartungswert der Verteilung) dieser Leistung ist von der Entfernung, der Reflexivität des Ziels, der Sendeleistung etc. abhängig. Die Form der Dichtefunktion ist eine Eigenschaft des Systems.
5 zeigt eine schematische Visualisierung des Strahls im Fernfeld über dem Ablenkwinkel Theta. Die Phasenschieber sind derart eingestellt, dass sich im Fernfeld ein konzentrierter Lichtpunkt (Spot) bei einem bestimmten Winkel ergibt. Dies entspricht der grundlegenden Funktionsweise eines OPAs. Über eine zeitliche Änderung der Phasenschieber-Spannungen kann dieser Spot im Fernfeld leicht hin und her bzw. auf und nieder bewegt werden, was zu einem Mittelungseffekt über mehrere Speckle-Realisierungen führt.
Die 6 bis 8 zeigen beispielhaft mögliche Spannungssignale zur Erzeugung des o.g. Mittelungseffektes. Die Spannungssignale werden an die Phasenschieber angelegt. 6 zeigt die Spannung, welche zur Realisierung eines gewünschten Winkels erforderlich ist in Form einer harmonischen (sinusförmigen) Charakteristik. Das Spannungssignal schwankt um den Wert U_1a, welcher dem Phasenschieber zur Einstellung des Winkels zur Erfassung des ersten Punktes auf den Gegenstand als Eingangssignal gegeben wird.
7 zeigt ein dreieckförmiges Spannungssignal, welches zwischen dem in 6 gezeigten Spannungssignal U_1a und der zur Einstellung des nächsten Winkels erforderlichen Spannungsniveaus U_1b erforderlich ist. Der Index a (bzw. b) ist jeweils den Winkeln (Aussenderichtung) zugeordnet.
8 zeigt eine stochastische Verteilung des Spannungsniveaus über der Zeit, um einen Mittelwert von U_1a. Prinzipiell ist somit jede Variation des Spannungswertes möglich, solange es dadurch zu einer ausreichenden Bewegung des jeweiligen Spots/Lichtstrahls und damit zu einer Speckle-Mittelung kommt.
9 zeigt eine Auswirkung des erfindungsgemäßen Ditherings auf die Detektionswahrscheinlichkeit über der Entfernung zum Ziel R. Ohne Dithering fällt die Detektionswahrscheinlichkeit recht früh unter einen Wert von 0,9, welche üblicherweise für Fahrerassistenzsysteme verlangt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Dithering bleibt die Erkennungswahrscheinlichkeit länger oberhalb von 0,9, fällt anschließend allerdings steiler ab. Es gibt hier also einen Punkt, auf den ein System bezüglich einer Zielentfernung hin optimiert werden kann. Wie weiter oben beschrieben, können die Vorteile beider Verfahren auch in Abhängigkeit einer Entfernung zum Ziel und/oder in Abhängigkeit eines sich (z.B. zunächst nicht unmittelbar) einstellenden Detektionserfolges miteinander kombiniert werden.
10 zeigt eine Möglichkeit zur Ansteuerung der Phasenschieber 14 des OPAs 4 über Digital-Analog-Converter 17 (DAC 17). Die Spannungssignale U₁, U₂ werden unmittelbar durch den DAC17 an die Phasenschieber ausgegeben. Anstatt die Phasenschieber nach dem „Point and Shoot-Prinzip“ auf einen festen Wert einzustellen, bei dem die Messung durchgeführt wird, erhalten die DACs zusätzlich zum konstanten Ansteuersignal (welches einer bestimmten Winkeleinstellung entspricht) ein überlagertes höherfrequentes Signal. Beispielsweise kann dieses Signal eine simple Schwingung um dieses Basis-Ansteuersignal darstellen. Beispielsweise könnte diese Schwingung derart ausgebildet sein, dass für alle DACs 17 zwischen den Werten zweier benachbarter Pixel (oder den Bruchteilen von zwei benachbarten Pixeln) periodisch, kontinuierlich gewechselt wird (s. hierzu 7).
Eine andere Möglichkeit ist ein Hinzufügen anderer Dithering-Signale auf die DACs 17, beispielsweise kleinere Schwingungen, Dreieckssignale, künstliches Rauschen, o.ä. Die Periode dieser Signale sollte so gestaltet sein, dass innerhalb der Rampenzeit (typischerweise einige Mikrosekunden, beispielsweise 5 ms) der Spot mehrfach hin und her bewegt wird, mindestens jedoch einmal um seine eigene Größe / seinen eigenen Durchmesser bewegt wird, da dann sichergestellt werden kann, dass eine unabhängige Speckle-Realisierung erreicht wird. Hierbei gilt, dass die Größe einer Speckle-Zelle der Größe des ausleuchtenden Spots entspricht. Entsprechend muss sich der Spot einmal um seine Größe bewegen, um eine neue unabhängige Speckle-Realisierung zu erhalten. Hierbei ist zu beachten, dass dieses Dithering-Signal bevorzugt nicht identisch bei allen Phasenschiebern 14 ist. Jeder Phasenschieber 14 erhält also ein eigenes Signal U₁, U₂, etc. Die Amplitude dafür lässt sich jedoch einfach bestimmen. Wenn sich alle Phasenschieber gleich verhalten und die Spannung ΔU zwischen den einzelnen Phasenschiebern gerade den Phasenunterschied am letzten Phasenschieber erzeugt, um den Strahl um eine Spotgröße zu bewegen, dann ist die Spannung am m-ten Phasenschieber gerade $Δ U_{m} = \frac{m}{N} Δ U,$
wobei N gerade der Anzahl der Phasenschieber 14 entspricht.
Bezüglich der Ablenkungsgeschwindigkeit, sollte der Strahl nur so langsam bewegt werden, dass bei großen Entfernungen (> 100 m) der Empfangsstrahl immer noch das zurückreflektierte Licht einfangen kann. Konkret sollte sich der Strahl innerhalb 1 µs um weniger als den Strahldurchmesser bewegen. In der Realität muss die Bewegung für das konkrete System ausgelegt werden. Eine mögliche Auslegung wäre beispielsweise, den Strahl innerhalb von einer Rampe (hier beispielsweise 5 µs) um genau den Strahldurchmesser zu bewegen. Damit wären die optischen Überlappverluste auch bei Zielen > 150m noch vernachlässigbar, zwei Speckle-Realisierungen jedoch gleichzeitig erzeugbar.
11 zeigt eine Modifikation des in 10 dargestellten Aufbaues, wobei ein analoges Spannungssignal über ein Widerstandsnetzwerk R₁ ... R_X über Addierer ein gemeinsames Dithering-Signal mit phasenschieberspezifischer Amplitude zur Vermeidung destruktiver Interferenzen verwendet. Die vom DAC 17 ausgegebenen Spannungen dienen hierbei lediglich der Ausrichtung auf den ersten bzw. den zweiten Umgebungspunkt (Messpunkt) oder weitere Punkte auf den Gegenstand, während das Dithering-Signal U unterschiedlich starke Ablenkungen der einzelnen Lichtstrahlen 2 bewirkt. Das Widerstandsnetzwerk (Spannungsteiler) sorgt hierbei dafür, dass die Spannungen sich gemäß der Gleichung $Δ U_{m} = \frac{m}{N} Δ U$
verhalten.
12 zeigt eine Abwandlung des in 11 gezeigten Aufbaues, bei welchem das Widerstandsnetzwerk entfällt. Das Dithering-Signal U wird mittels der Addierer 18 einfach auf das jeweilige DAC-Ausgangssignal addiert. Ein Widerstandsnetzwerk zur Variation der Anteile des Dithering-Signals ist hierbei nicht vorgesehen. Das Ausgangssignal der Addierer 18 ist somit für jeden Phasenschieber 14 identisch. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau der Anordnung. Ein perfekter Bewegungsverlauf des Strahlenbündels wird auf diese Weise nicht erzeugt. Allerdings kann durch Prozessvariationen zwischen den Phasenschiebern dennoch ein Einfluss auf die einzelnen Lichtstrahlen ausgeübt werden. Die Strahlen bewegen sich dann zwar nicht zwischen Winkeln hin und her, sondern verformen sich lediglich. Diese Verformung kann dennoch ausreichen, um innerhalb einer Messung verschiedene Speckle-Realisierungen zu erhalten.
13 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird ein Bündel einzelner Elementar lichtstrahlen auf einen ersten Punkt des Gegenstandes (z.B. ein Umgebungsobjekt, ein Verkehrsteilnehmer, ein etwaiger Kollisionspartner, o.ä.) ausgesandt. In Schritt 200 wird eine Ausrichtung durch Anpassung einer Phase eines ersten Lichtstrahls des Bündels gegenüber weiteren Lichtstrahlen des Bündels variiert. Zudem wird in Schritt 300 eine Ausrichtung durch Variation einer Phase eines zweiten Lichtstrahls des Bündels gegenüber allen übrigen Lichtstrahlen des Bündels variiert, während die Ausrichtung durch Variation der Phase des ersten Lichtstrahls des Bündels gegenüber dem zweiten Lichtstrahl des Bündels variiert wird. Mit anderen Worten erfolgen die Variationen des ersten und des zweiten Lichtstrahls bzw. des dritten Lichtstrahls zeitgleich. In Schritt 400 wird anschließend eine Variation einer Ausrichtung sowie einer Phase sämtlicher Lichtstrahlen des Bündels vorgenommen, um das Lichtbündel auf einen zweiten Umgebungspunkt (auf dem Gegenstand oder abseits desselben) auszurichten. In Schritt 500 und 600 werden nun die Schritte 100 und 200 wiederholt, indem zunächst in Schritt 500 ein Bündel einzelner Lichtstrahlen auf den zweiten, vom ersten Punkt abweichenden Punkt des Gegenstandes ausgesandt und in Schritt 600 hinsichtlich ihrer Ausrichtung und Phase zueinander im bzw. um den zweiten Punkt variiert werden. In Schritt 700 wird eine optische Reflexion des Bündels vom Gegenstand empfangen und in Schritt 800 die Reflexion verwendet, um eine Umfelddetektion auszuführen. In Schritt 900 wird nun das Überschreiten eines vordefinierten Abstandes von dem Gegenstand ermittelt, indem die optische Reflexion unterhalb einer vordefinierten Intensitätsschwelle zur sicheren Erkennung des Gegenstandes liegt. In Schritt 1000 wird daher das Variieren der Ausrichtung und Phase sämtlicher Lichtstrahlen des Bündels gegenüber dem ersten Punkt des Gegenstandes ausgesetzt. Mit anderen Worten wird bei einer erneuten Untersuchung des ersten Punktes des Gegenstandes die erfindungsgemäße Variation gerade nicht ausgeführt, um eine größtmögliche Konzentration der Lichtenergie im ersten Punkt sicherzustellen und in Anbetracht des Risikos einer destruktiven Interferenz eine Lichtstreuung vor einem Auftreffen auf den Gegenstand zu verringern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9476981 B2 [0004]
US 2019/154832 [0004]

Claims

Verfahren zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes (1) umfassend die Schritte: - Aussenden (100) eines Bündels (2) einzelner Elementarlichtstrahlen (5, 6, 7) auf einen ersten Punkt des Gegenstandes (1) und - Variieren (200) einer Ausrichtung und/oder einer Phase (φ) eines ersten Elementarlichtstrahls (5) des Bündels (2) gegenüber einem zweiten Elementarlichtstrahl (6) des Bündels (2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Variieren mittels einer - stochastischen und/oder - harmonischen und/oder - periodischen Funktion über der Zeit (t) und/oder dem Ort (x, y) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Variieren zumindest einen räumlichen Versatz um - einen Viertel-, insbesondere einen Halben, bevorzugt einen ganzen, Durchmesser des ersten Elementarlichtstrahls (5) bezüglich des ersten Punktes bewirkt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend die Schritte: - Aussenden (500) eines Bündels (2) einzelner Elementarlichtstrahlen (5, 6, 7) auf einen zweiten, vom ersten Punkt abweichenden, Punkt des Gegenstandes (1) und - Variieren (600) einer Ausrichtung und/oder einer Phase (φ) eines ersten Elementarlichtstrahls (5) des auf den zweiten Punkt gerichteten Bündels (2) gegenüber einem zweiten Elementarlichtstrahl (6) des Bündels (2).
Verfahren nach Anspruch 4, weiter umfassend die Schritte - Variieren (400) einer Ausrichtung und/oder einer Phase (φ) sämtlicher Elementarlichtstrahlen des Bündels (2) vor der Aussendung des Bündels (2) auf den zweiten Punkt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Variieren durch, insbesondere thermische oder opto-elektrische, Anpassung eines Brechungsindizes eines Lichtleiters (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Punkt und der zweite Punkt um einen Winkel von mindestens 0,01, bevorzugt mindestens 0,1, Grad bezogen auf einen Ort des Aussendens auseinanderliegen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend die Schritte - Variieren (300) einer Ausrichtung und/oder einer Phase (φ) des zweiten Elementarlichtstrahls (6) des Bündels (2) gegenüber einem dritten Elementarlichtstrahl (7) des Bündels (2), während die Ausrichtung und/oder Phase (φ) des ersten Elementarlichtstrahls des Bündels (2) gegenüber dem zweiten Elementarlichtstrahl (6) des Bündels (2) variiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend die Schritte - Empfangen (700) einer optischen Reflexion des Bündels (2) vom Gegenstand (1) und insbesondere - Verwenden (800) der empfangenen optischen Reflexion im Zuge einer Umfelddetektion eines Fortbewegungsmittels.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend die Schritte - Ermitteln (900) eines Überschreitens eines vordefinierten Abstandes von dem Gegenstand (1) und im Ansprechen darauf - Aussetzen (1000) des Variierens der Ausrichtung und/oder der Phase (φ) eines oder mehrerer, bevorzugt sämtlicher Elementarlichtstrahlen des Bündels (2) im ersten Punkt des Gegenstandes (1).
Vorrichtung zur Vermeidung destruktiver Interferenzen bei einer optischen Detektion eines Gegenstandes (1) umfassend: - eine Lichtquelle (8) und - eine Steuereinheit (9) zur Variation einer Ausrichtung und/oder einer Phase (φ) von Elementarlichtstrahlen der Lichtquelle (8), wobei die Vorrichtung (10) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.