DE102017000002A1

DE102017000002A1 - Faser-Scanner

Info

Publication number: DE102017000002A1
Application number: DE102017000002.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Petit
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2017-01-02
Filing date: 2017-01-02
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst mindestens eine Faser (101), die zwischen einer Fixierung (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist. Die Umlenkeinheit (142) ist eingerichtet, um Licht umzulenken.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele betreffen einen Faser-Scanner, der beispielsweise für LIDAR-Abstandsmessungen verwendet werden könnte.
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 Vorrichtung. 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.
In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens eine Faser. Die mindestens eine Faser ist zwischen einer Fixierung und einer Umlenkeinheit angeordnet. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um Licht umzulenken. Jede Faser der mindestens einen Faser weist eine Länge auf, die im Bereich von 3 mm bis 10 mm legt, optional im Bereich von 3,8 mm bis 7,5 mm.
Beispielsweise könnte die Vorrichtung eine Anzahl von einer, zwei, drei oder vier Fasern aufweisen. Die Vorrichtung könnte auch noch mehr Fasern aufweisen.
Eine solche Dimensionierung der Länge der mindestens einen Faser erweist sich als vorteilhaft. Einerseits werden dadurch Frequenzen für die Anregung der mindestens einen Faser, beispielsweise für die Anregung einer Torsionsmode und/oder einer Transversalmode, erhalten, die genügend groß sind, um praktisch anwendbare Scanfrequenzen für einen entsprechenden Scanner zu implementieren. Auch sind die Abmessungen der Vorrichtung vergleichsweise begrenzt, sodass eine gute Integration in entsprechende Systeme, wie beispielsweise ein LIDAR-System, ermöglicht wird. Außerdem können andererseits Scanwinkel erhalten werden, die zum Beispiel >50°, optional >100°, weiter optional >150° sind. Dadurch kann ein großer Scanbereich eines entsprechenden Scanners ermöglicht werden.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens eine Faser. Die mindestens eine Faser ist zwischen einer Fixierung und einer Umlenkeinheit angeordnet. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um Licht umzulenken. Jede Faser der mindestens einen Faser weist zumindest in einem ersten Teilbereich entlang ihrer Länge einen Kern aus einem ersten Material und eine Schutzbeschichtung (engl. coating) um den Kern aus einem zweiten Material auf. Das zweite Material ist verschieden von dem ersten Material. Das zweite Material der Schutzbeschichtung umfasst optional Polyamid und/oder ein Hybridmaterial, welches ein organisches Polymer und ein anorganisches Material aufweist.
Manchmal kann der Kern unterteilt werden in einen inneren Kern, der beispielsweise einen Lichtwellenleiter ausbildet, und einem Mantel, der den inneren Kern umgibt.
Indem zumindest in dem ersten Teilbereich der Schutzbeschichtung bereitgestellt wird, kann es möglich sein, die Vorrichtung besonders robust gegenüber äußeren Einflüssen auszulegen. Beispielsweise kann verhindert werden, dass das erste Material des Kerns der Faser bei Handhabung der Vorrichtung beschädigt wird. Dadurch kann die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht werden und/oder der Ausschuss bei der Herstellung der Vorrichtung verringert werden.
Außerdem wurde beobachtet, dass Polyamid bzw. das Hybridmaterial besonders gut geeignet sind, um die Schutzbeschichtung auszubilden. Polyamid bzw. das Hybridmaterial können nämlich bei der Anregung eines Freiheitsgrads der Bewegung der mindestens einen Faser eine genügend große Elastizität aufweisen, um keine oder keine signifikante Dämpfung der Bewegung zu bewirken. Außerdem können Polyamid bzw. das Hybridmaterial andererseits genügend großen Kraftfluss vom Kern der Faser nach außen (oder andersherum) unterstützen, um zum Beispiel eine Anregung des Freiheitsgrad der Bewegung durch einen externen Aktuator über das Polyamid bzw. das Hybridmaterial zu ermöglichen.
Ein Beispiel für das Hybridmaterial ist Ormocer(R), Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München, Deutschland. Siehe etwa Buestrich, R., et al. „ORMOCER® s for optical interconnection technology." Journal of Sol-Gel Science and Technology 20.2 (2001): 181-186.
Beispielsweise wäre es möglich, dass zumindest eine Faser der mindestens einen Faser in einem zweiten Teilbereich entlang ihrer Länge den Kern ohne die Schutzbeschichtung aufweist. Der zweite Teilbereich kann optional angrenzend an die Fixierung und/oder die Umlenkeinheit angeordnet sein. Beispielsweise wäre es also möglich, dass zumindest eine Faser der mindestens einen Faser innerhalb des zweiten Teilbereichs entcoatet ist, d. h. die Schutzbeschichtung entfernt wurde. Beispielsweise könnte die Schutzbeschichtung durch ein Lösungsmittel entfernt werden, beispielsweise Aceton.
Indem die Schutzbeschichtung in dem zweiten Teilbereich entfernt wird, kann erreicht werden, dass ein besonders guter Kraftfluss zwischen dem Kern der Faser und der Fixierung bzw. der Umlenkeinheit erzielt wird. Insbesondere kann eine Degradation des zweiten Materials der Schutzbeschichtung aufgrund eines zu großen Kraftflusses vermieden werden.
Beispielsweise könnte die mindestens eine Faser in einem Mittelbereich zwischen der Fixierung und der Umlenkeinheit die Schutzbeschichtung aufweisen, jedoch in den beiden Endbereichen angrenzend an die Fixierung und die Umlenkeinheit die Schutzbeschichtung nicht aufweisen.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens eine Faser. Die Faser zwischen einer Fixierung und einer Umlenkeinheit angeordnet. Die Vorrichtung umfasst auch die Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um Licht umzulenken. Ein Kern der mindestens einen Faser weist zumindest eine Kante entlang der Längsachse der mindestens einen Faser auf. Die Fixierung und die mindestens eine Faser sind entlang der Kante über Formschluss gekoppelt.
Beispielsweise wäre es möglich, dass die Kante der mindestens einen Faser durch den Kern der mindestens einen Faser ausgebildet wird. Es wäre alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Kante der mindestens einen Faser durch die Schutzbeschichtung der mindestens einen Faser ausgebildet wird.
In anderen Worten kann es also möglich sein, dass die mindestens eine Faser einen Querschnitt aufweist, der nicht kreisförmig ist. Der Querschnitt kann eine Ecke aufweisen, die der Kante entlang der Längsachse der mindestens einen Faser entspricht. Beispielsweise wäre es möglich, dass der Querschnitt der mindestens einen Faser rechteckig oder quadratisch ist.
Indem der Kraftfluss über Formschluss ermöglicht wird, kann ein besonders langlebiger Scanner implementiert werden. Insbesondere kann eine Degradation des Materials der Faser vermieden werden, weil der Kraftfluss über den Formschluss ermöglicht wird.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens eine Ferrule und mindestens eine Faser. Die mindestens eine Faser ist zwischen der mindestens einen Ferrule - die beispielsweise eine Fixierung implementieren kann - und einer Umlenkeinheit angeordnet. Die mindestens eine Faser erstreckt sich in einem Teilbereich entlang ihrer Länge innerhalb der mindestens einen Ferrule. Die Vorrichtung umfasst auch die Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um Licht umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch einen Klebstoff, der zwischen der mindestens einen Ferrule und der mindestens einen Faser in dem Teilbereich angeordnet ist.
Es wäre optional möglich, dass mindestens eine weitere Ferrule zwischen der Faser und der Umlenkeinheit angeordnet ist.
Beispielsweise könnte pro Faser eine erste Ferrule an einem ersten Ende der entsprechenden Faser vorgesehen sein, sowie eine zweite Ferrule zwischen einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende und der Umlenkeinheit.
Die mindestens eine Ferrule kann die geometrische Form eines Hohlzylinders ausbilden. Die mindestens eine Faser kann eine Längsachse aufweisen, die sich entlang der Längsachse der mindestens einen Ferrule innerhalb des Teilbereichs erstreckt.
Beispielsweise könnte die mindestens eine Ferrule aus Metall gefertigt sein. Die mindestens eine Ferrule könnte einen Innendurchmesser aufweisen, der im Bereich von 100 %-120 % des Außendurchmessers der mindestens einen Faser liegt.
Beispielsweise könnte die mindestens eine Ferrule eine Länge aufweisen, die im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm liegt, optional im Bereich von 1 mm bis 2 mm.
In manchen Beispielen könnte eine Mehrkern-Ferrule verwendet werden, d. h. eine Ferrule, die mehrere aneinander angrenzend ausgebildete Hohlzylinder aufweist.
Durch das Verwenden des Klebstoffs entlang des Teilbereichs kann ein Kraftfluss zwischen der mindestens einen Ferrule und der mindestens einen Faser ermöglicht werden. Dadurch kann es möglich sein, einen Freiheitsgrad der Bewegung der mindestens einen Faser auf die mindestens eine Ferrule zu übertragen, oder andersherum den Freiheitsgrad der Bewegung der mindestens einen Faser über die mindestens eine Ferrule anzuregen.
Der Klebstoff könnte z.B. ein Zweikomponenten-Klebstoff sein. Der Klebstoff könnte z.B. Epoxidharz umfassen. Beispielsweise könnte der Klebstoff durch Wärme aktiviert werden. Alternativ oder zusätzlich könnte der Klebstoff durch UV-Licht aktiviert werden.
Beispielsweise können Materialverspannungen im Bereich von 0,1 MPa - 20 MPa im Bereich des Klebstoffs auftreten.
Beispielsweise könnte der Außendurchmesser der mindestens einen Faser im Bereich von 50 µm bis 300 µm liegen, optional im Bereich 100 µm - 300 µm
Es wäre beispielsweise möglich, dass der Klebstoff weiterhin einen einem weiteren Teilbereich entlang der Länge der mindestens einen Faser außerhalb der mindestens einen Ferrule und angrenzend an den Teilbereich angeordnet ist. Beispielsweise könnte der weitere Teilbereich eine Ausdehnung im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm aufweisen, optional im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm, weiter optional im Bereich von 0,8 mm bis 1,5 mm.
Es wäre also in anderen Worten möglich, dass der Klebstoff nicht lediglich innerhalb der mindestens einen Ferrule vorgesehen ist, sondern auch entlang der mindestens einen Faser außerhalb der mindestens einen Ferrule vorgesehen ist. Beispielsweise könnte der Klebstoff außerhalb der mindestens einen Ferrule durch einen Klebstofftropfen implementiert werden.
Dadurch kann erreicht werden, dass entlang eines größeren Bereichs Kraftfluss zwischen der mindestens einen Ferrule und dem mindestens einen Faser ermöglicht wird. Dadurch können die Materialverspannungen innerhalb des Klebstoffs reduziert werden bzw. auf einen größeren Bereich verteilt werden. Dadurch wird die Langlebigkeit eines entsprechenden Scanners gefördert.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung eine Mehrkern-Ferrule. Die Vorrichtung umfasst auch mehrere Fasern. Die mehreren Fasern erstrecken sich in einem Teilbereich entlang ihrer Länge innerhalb der Mehrkern-Ferrule. Die Vorrichtung umfasst auch eine Umlenkeinheit, die eingerichtet ist, um Licht umzulenken.
Beispielsweise wäre es möglich, dass die Mehrkern-Ferrule einstückig oder mehrstückig ausgebildet ist.
Durch das Verwenden der Mehrkern-Ferrule kann eine wohldefinierte Anordnung der mehreren Fasern zueinander erzielt werden. Beispielsweise könnte erreicht werden, dass sich die Längsachsen der mehreren Fasern parallel zueinander erstrecken. Eine solche Anordnung der mehreren Fasern parallel zueinander kann besonders vorteilhaft in Bezug auf einen entsprechend implementierten Scanner sein. Beispielsweise können durch eine solche symmetrische Anordnung der mehreren Fasern nichtlineare Effekte reduziert bzw. vermieden werden. Außerdem kann es möglich sein, dass eine besonders niedrige Empfindlichkeit gegenüber äußeren Stößen erzielt werden kann, wenn mehrere Fasern parallel zueinander die Umlenkeinheit tragen.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens eine Faser, die zwischen einer Fixierung und einer Umlenkeinheit angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst auch die Umlenkeinheit, die eingerichtet ist, um Licht umzulenken. Die mindestens eine Faser weist einen Kern umfassend Silizium auf. Die mindestens eine Faser weist aber keine Schutzbeschichtung auf, der den Kern umgibt. Der Mantel kann vorhanden sein.
In anderen Worten kann die Faser entcoatet sein. Dazu kann zum Beispiel ein Lösungsmittel wie beispielsweise Aceton und verwendet werden.
Dadurch kann vermieden werden, dass ein Kraftfluss durch ein vergleichsweise weiches Material der Schutzbeschichtung gehemmt wird bzw. das Material der Schutzbeschichtung beschädigt.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens eine Faser. Die mindestens eine Faser ist zwischen einer Fixierung und einer Umlenkeinheit angeordnet. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um Licht umzulenken. Die Umlenkeinheit weist eine Spiegelschicht und eine Trägerschicht auf. Beispielsweise könnte die Spiegelschicht aus Aluminium oder Gold ausgebildet sein. Die Trägerschicht weist eine Dicke im Bereich von 100 µm bis 570 µm auf, optional im Bereich von 110 µm bis 220 µm, weiter optional im Bereich von 110 µm bis 155 µm.
Beispielsweise könnte die Spiegelschicht wesentlich dünner sein, als die Trägerschicht. Beispielsweise könnte die Spiegelschicht eine Dicke aufweisen, die im Bereich von 20 nm bis 150 nm, optional im Bereich von 50 nm bis 100 nm liegt.
Durch eine derartige Dimensionierung der Dicke der Trägerschicht kann einerseits erreicht werden, dass sich eine Spiegel-Oberfläche der Umlenkeinheit bei Anregung eines Freiheitsgrads der Bewegung der mindestens einen Faser und damit der Umlenkeinheit nicht oder nicht signifikant verformt, d.h. z.B. krümmt bzw. von einer planaren Oberfläche abweicht. Dadurch kann ein Scanner implementiert werden, welcher Licht mittels der Spiegel-Oberfläche mit hoher Präzision umgelenkt. Andererseits kann durch eine derartige Dimensionierung der Dicke der Trägerschicht erreicht werden, dass die Eigenfrequenzen für die relevanten Freiheitsgrade der Bewegung der mindestens einen Faser nicht unter einen bestimmten Schwellenwert fallen. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Eigenfrequenzen für die relevanten Freiheitsgrade der Bewegung der mindestens einen Faser - beispielsweise eine Torsionsmode und/oder eine Transversalmode erster Ordnung - nicht <80 Hz sind, optional nicht <100 Hz, weiter optional nicht <150 Hz. Dadurch können praktisch gut verwertbare Scanfrequenzen implementiert werden.
Beispielsweise könnte die Umlenkeinheit mit der mindestens eine Faser über mindestens eine Ferrule gekoppelt sein, innerhalb welche sich die mindestens eine Faser entlang eines Teilbereichs ihrer Länge erstreckt. Es wäre beispielsweise möglich, dass die Spiegel-Oberfläche gegenüber der Längsachse der mindestens einen Faser verkippt ist und beispielsweise mit dieser einen Winkel von den etwa 45° einschließt. Dazu könnte die mindestens eine Ferrule beispielsweise eine abgeschrägte Oberfläche aufweisen, auf welcher eine Rückseite der Umlenkeinheit - gegenüberliegend zur Spiegel-Oberfläche - aufgebracht ist, z.B. mittels Klebstoff.
Beispielsweise wäre es möglich, dass die Trägerschicht der Umlenkeinheit aus Glas oder Silizium ausgebildet ist. Beispielsweise könnte einkristallines Silizium verwendet werden.
Optional könnte die Trägerschicht Verstärkungsrippen aufweisen, welche zwar einerseits das Gewicht der Umlenkeinheit nur wenig erhöhen, andererseits die Stabilität der Umlenkeinheit gegenüber Verformung bei Anregung eines Freiheitsgrads der Bewegung verstärken. Die Verstärkungsrippen könnten radial oder kreisförmig angeordnet sein.
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.
Figurenliste

1 illustriert schematisch einen Faser-Scanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei der Faser-Scanner drei in Bezug auf eine Zentralachse rotationssymmetrisch angeordnete Fasern aufweist.
2 illustriert schematisch den Faser-Scanner gemäß dem Beispiel der 1 in größerem Detail, wobei 2 insbesondere die Umlenkeinheit mit einem Spiegel illustriert.
3 ist eine Querschnittsansicht des Faser-Scanners gemäß dem Beispiel der 1 in einem Ruhezustand.
4 ist eine Querschnittsansicht des Faser-Scanners gemäß dem Beispiel der 1 in einem angeregten Zustand, wobei in 4 eine Torsionsmode dargestellt ist.
5 ist eine Querschnittsansicht des Faser-Scanners gemäß dem Beispiel der 1 in einem angeregten Zustand, wobei in 5 eine Transversalmode dargestellt ist.
6 und 7 illustrieren schematisch die Transversalmode gemäß verschiedener Beispiele.
8 illustriert schematisch ein Spektrum der Freiheitsgrade der Bewegung der Fasern des Faser-Scanners gemäß verschiedener Beispiele.
9 illustriert schematisch ein Spektrum der Freiheitsgrade der Bewegung der Fasern des Faser-Scanners gemäß verschiedener Beispiele.
10 illustriert schematisch einen Faser-Scanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei der Faser-Scanner vier in Bezug auf eine Zentralachse rotationssymmetrisch angeordnete Fasern aufweist.
11 ist eine Seitenansicht eines Endes einer Faser, das sich gemäß verschiedener Beispiele in einer Ferrule befindet.
12 ist eine Querschnittsansicht des Endes der Faser gemäß 11.
13 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Faser mit einem Kern und einer Schutzbeschichtung gemäß verschiedener Beispiele.
14 illustriert schematisch einen Faser-Scanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei der Faser-Scanner eine teilweise entcoatete Faser aufweist.

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 nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das zweidimensionale Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Dazu kann das Licht durch eine Umlenkeinheit umgelenkt werden. Die Umlenkeinheit kann z.B. durch einen Spiegel implementiert sein, der eine Spiegeloberfläche und eine Trägerschicht aufweist. 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 Bildbereich festlegen.
In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens eines beweglichen Elements erfolgen. Dadurch kann in verschiedenen Beispielen eine Überlagerungsfigur abgefahren werden. Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Abstrahlwinkel umgesetzt werden, beschreiben.
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 oder mehrerer Fasern 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. Die Fasern können beispielsweise eine Länge aufweisen, die im Bereich von 3 mm - 10 mm liegt, optional im Bereich von 3,8 mm - 7.5 mm. Beispielsweise können die Fasern ein 70 GPa Elastizität-Modul aufweisen. Dies bedeutet, dass die Fasern elastisch sein können. 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 bzw. elastisch. Dazu kann das Material der hierin beschriebenen Fasern eine gewisse Elastizität aufweisen. Die Fasern können einen Kern aufweisen. Die Fasern können eine Schutzbeschichtung aufweisen. In manchen Beispielen kann die Schutzbeschichtung zumindest teilweise entfernt sein, z.B. bei den Enden der Fasern.
Beispielsweise könnte das bewegliche Ende der Fasern in einer oder zwei Dimensionen bewegt werden. Dazu können ein oder mehrere Aktuatoren verwendet werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das bewegliche Ende der Fasern gegenüber einer Fixierung der Fasern verkippt wird; dies resultiert in einer Krümmung der Faser. Dies kann einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen; dieser kann als Transversalmode (oder manchmal auch als wiggle mode) bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das bewegliche Ende der Fasern entlang der Faserachse verdreht wird (Torsionsmode). Dies kann einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. Durch das Bewegen des beweglichen Endes der Fasern kann erreicht werden, dass Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dazu kann eine Umlenkeinheit vorgesehen sein. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Stärke der Bewegung des beweglichen Endes können unterschiedlich große Bildbereiche implementiert werden.
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, die Torsionsmode alternativ oder zusätzlich zur Transversalmode anzuregen, d.h. es wäre eine zeitliche und örtliche Überlagerung der Torsionsmode und der Transversalmode möglich. Diese zeitliche und örtliche Überlagerung kann aber auch unterdrückt werden. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden.
In verschiedenen hierein beschriebenen Beispielen werden die Fasern als Halterung für eine Umlenkeinheit verwendet. Die Umlenkeinheit kann dabei am beweglichen Ende der Fasern starr bzw. ortsfest angebracht sein, z.B. durch Kleber und eine oder mehrere Ferrule. Dabei kann das Laserlicht jedoch auf einem anderem optischen Pfad zur Umlenkeinheit gelangen, als durch eine oder mehrere der Fasern. Die Fasern dienen in anderen Worten nicht notwendigerweise als Lichtwellenleiter für das Laserlicht auf dem Weg zur Umlenkeinheit. Wenn das Laserlicht nicht durch die Fasern zur Umlenkeinheit gelangt, kann ein kompliziertes und aufwendiges Einkoppeln des Laserlichts in zumindest eine der Fasern 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, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein. Beispielsweise könnte eine Trägerschicht des Spiegels eine Dicke im Bereich von 100 µm - 570 µm aufweisen, optional im Bereich von 110 µm - 220 µm, weiter optional im Bereich von 110 µm - 155 µm. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechtecksförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm bis 12mm aufweisen oder insbesondere 8 mm.
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.
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, um einen besonders robusten Faser-Scanner bereitzustellen. In verschiedenen Beispielen umfasst ein Faser-Scanner mindestens zwei Fasern, die zwischen einer Fixierung und eine Umlenkeinheit angeordnet sind. Durch das Verwenden von mehr als einer Faser kann erreicht werden, dass sich die ansonsten in der einzelnen Faser auftretende Belastung - wie beispielsweise Materialspannungen - auf mehr als eine Faser verteilt. Dadurch kann ein besonders langlebiger Faser-Scanner bereitgestellt werden. Außerdem kann erreicht werden, dass äußere Störeinflüsse vom Faser-Scanner besonders gut absorbiert werden; z.B. können Beschleunigungen nur eine vergleichsweise geringe Auswirkung auf das Scannen des Laserlichts haben.
1 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Faser-Scanner 100 gemäß verschiedener Beispiele. 1 zeigt einen nicht angeregten Ruhezustand des Faser-Scanners 100. Der Faser-Scanner 100 umfasst eine Anzahl von drei Fasern 101-103. Jede der Fasern 101-103 ist zwischen einer Fixierung 141 und einer Umlenkeinheit 142 angeordnet.
Beispielsweise könnte die Fixierung 141 durch eine Ferrule implementiert sein. Es wäre möglich, dass eine einzelne Ferrule verwendet wird, die mehrere Bohrungen aufweist, in welche die verschiedenen Fasern 101-103 eingeschoben sind (einstückige Mehrkern-Ferrule). In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass die Fixierung 141 durch mehrere Ferrulen implementiert ist, zum Beispiel eine Ferrule pro Faser 101-103. Dann wäre es möglich, dass die verschiedenen Ferrulen miteinander verbunden sind, zum Beispiel miteinander verklebt sind (mehrstückige Mehrkern-Ferrule).
Es wäre zum Beispiel möglich, dass der Faser-Scanner 100 einen Aktuator aufweist (in 1 nicht dargestellt). Der Aktuator könnte zum Beispiel benachbart zu der Fixierung 141 angeordnet sein. Beispielsweise könnte der Aktuator als Piezoaktuator implementiert sein, z.B. als Biegepiezoaktuator. Es wäre aber auch möglich, andere Aktuatoren zu verwenden, beispielsweise Magnetfeldspulen. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass der Aktuator eingerichtet ist, um die verschiedenen Fasern 101- 103 gekoppelt anzuregen. Z.B. könnte dazu eine geeignete Anregungstechnik vorgesehen sein, die eine Bewegung auf alle Fasern 101-103 überträgt. Siehe z.B. Deutsche Patentanmeldung 10 2016 011 647.1 , deren Offenbarungsinhalt hierin durch Querverweis übernommen wird.
Zum Beispiel könnte die Fixierung 141 starr auf einer Grundplatte oder einem Rahmen angebracht sein. In einem solchen Beispiel können die Enden der Fasern 101-103, die angrenzend an die Umlenkeinheit 142 angeordnet sind, bewegliche Enden implementieren. Dies bedeutet, dass der Aktuator eingerichtet sein kann, um einen oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung der Fasern 101-103 anzuregen. Zum Beispiel könnte der Aktuator eingerichtet sein, um eine Torsionsmode der Fasern 101-103 anzuregen. Alternativ oder zusätzlich könnte der Aktuator eingerichtet sein, um eine Transversalmode der Fasern 101-103 anzuregen. Durch die Bewegung des beweglichen Endes der Fasern 101-103 kann erreicht werden, dass die Umlenkeinheit 142 bewegt wird. Beispielsweise könnte die Umlenkeinheit 142 verschoben und/oder verkippt werden. Dadurch kann Licht gescannt werden.
In einem einfachen Beispiel könnten die drei Längsachsen 101-103 der Fasern 101-103 in einer Ebene angeordnet sein. In dem Beispiel der 1 sind die drei Fasern 101-103 jedoch nicht in einer Ebene angeordnet, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
In 1 ist eine Anzahl von drei Fasern 101-103 dargestellt. Im Allgemeinen wäre es aber auch möglich, dass der Faser-Scanner 100 eine geringere Anzahl oder eine größere Anzahl von Fasern aufweist, z.B. vier oder mehr Fasern.
Durch das Verwenden von mehreren Fasern 101-103 kann erreicht werden, dass sich die Spannungen aufgrund der Bewegung der Fasern 101-103 auf die verschiedenen Fasern 101-103 verteilen. Dadurch kann erreicht werden, dass das Material der einzelnen Fasern 101-103 vergleichsweise geringe Spannungen aufnehmen muss. Außerdem kann erreicht werden, dass die Verbindungspunkte zwischen der Fixierung 141 und jeder der Fasern 101-103 vergleichsweise geringe Spannungen übertragen müssen. Derart kann eine Lebensdauer des Faser-Scanners 100 erhöht werden.
Im Beispiel der 1 sind die Fasern 101-103 parallel zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass die Längsachsen 111-113 der Fasern jeweils paarweise Winkel miteinander einschließen, die in etwa 0° betragen. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Längsachse 111-113 der Fasern 101-103 jeweils paarweise Winkel miteinander einschließen, die nicht größer als 45° sind, optional nicht größer als 10°, weiter optional nicht größer als 1°.
Derart kann unter anderem erreicht werden, dass der Faser-Scanner 100 eine vergleichsweise geringe Ausdehnung senkrecht zu den Längsachsen 111-113 der Fasern 101-103 aufweist. Außerdem kann eine besonders symmetrische Anregung der Bewegung des Fasern 101-103 in die verschiedenen Raumrichtungen erzielt werden.
Indem die Fasern 101-103 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet werden, kann erreicht werden, dass die Fasern 111-113 im Wesentlichen dieselbe Länge 211 aufweisen. Zum Beispiel ist in 1 eine Implementierung dargestellt, in welcher die Fasern 101-103 alle dieselbe Länge 211 aufweisen. Beispielsweise könnte die Länge 211 im Bereich von 2 mm bis 20 mm liegen, optional im Bereich von 3 mm bis 10 mm, weiter optional im Bereich von 3,8-7,5 mm. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Fasern 101-103 Längen 211 aufweisen, die nicht mehr als 10 % voneinander abweichen, optional nicht mehr als 2 %, weiter optional nicht mehr als 0,1 %.
In dem die Fasern 101-103 im Wesentlichen dieselbe Länge 211 aufweisen, kann folgender Effekt erzielt werden: beim Anregen der Transversalmode der Fasern 101-103 erfolgt keine oder keine signifikante Verkippung der Umlenkeinheit 142; stattdessen erfolgt eine Verschiebung der Umlenkeinheit 142 senkrecht zu den Längsachse 111-113. Dies bedeutet, dass ungewollte Anregungen der Transversalmode etwa aufgrund von äußeren Einflüssen keine signifikante Änderung des Abstrahlwinkels von der Umlenkeinheit 142 umgelenkten Lichts (in 1 nicht dargestellt) bewirken. Dadurch kann der Faser-Scanner 100 besonders robust gegenüber äußeren Einflüssen sein.
2 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Faser-Scanner 100 gemäß verschiedener Beispiele. Der Faser-Scanner 100 gemäß dem Beispiel der 2 entspricht grundsätzlich dem Faser-Scanner 100 gemäß dem Beispiel der 1. In 2 ist ferner die Umlenkeinheit 142 in größerem Detail dargestellt. Auch 2 zeigt den Ruhezustand des Faser-Scanners 100.
Die Umlenkeinheit 142 weist ein Endstück 144 auf, welches zum Beispiel entsprechend der Fixierung 141 als Ferrule etc. implementiert werden könnte. Dabei weist das Endstück eine abgeschrägte Endfläche auf, an der ein Spiegel 145 aufgebracht ist. Insbesondere weißt der Spiegel 145 eine Verkippung gegenüber den Längsachsen 111-113 auf, im Fall der 2 von den etwa 45°. Dadurch kann erreicht werden, dass Licht 146 durch den Spiegel 145 wie in dem Beispiel der 2 umgelenkt wird. Durch das Anregen der Torsionsmode der Fasern 101-103 kann erreicht werden, dass das Licht 146 unter verschiedenen Winkeln - die dem Torsionswinkel entsprechen - abgelenkt wird. Dies entspricht in etwa der Funktionsweise eines Periskops. Der Abstrahlwinkel es Lichts 146 wird eingestellt durch die Verdrehung und die Verkippung des Spiegels 145. Der Spiegel könnte z.B. eine Trägerschicht und eine Spiegeloberfläche aufweisen, wobei die Trägerschicht eine Docke im Bereich von 100 µm bis 570 µm, optional im Bereich von 110 µm bis 220 µm, weiter optional im Bereich von 110 µm bis 155 µm aufweisen kann. Die Trägerschicht könnte beispielsweise aus Glas oder Silizium hergestellt sein und optional Verstärkungsrippen (in 2 nicht dargestellt) aufweisen.
In dem Beispiel der 2 ist ein Szenario dargestellt, bei welchem das Licht 146 nicht durch die Fasern 101-103 zur Umlenkeinheit 142 geleitet wird. Es wären aber auch Implementierungen denkbar, in welchen das Licht 146 durch zumindest eine der Fasern 101-103 zur Umlenkeinheit 142 geleitet wird. Dazu wäre es zum Beispiel möglich, dass das Licht an einem von der Umlenkeinheit 142 beabstandeten Ende in eine oder mehrere der Fasern 101-103 eingekoppelt wird. In einem solchen Szenario könnte die Umlenkeinheit 142 zum Beispiel als Linse und/oder Prisma implementiert werden. Beispielsweise könnte eine Gradientenindex(GRIN)-Linse verwendet werden.
3 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Faserscanner 100 gemäß verschiedener Beispiele. 3 ist dabei eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie X-X' aus 1. Auch 3 zeigt den Ruhezustand des Faser-Sanners 100.
In dem Beispiel der 3 sind die Fasern 101-103 rotationssymmetrische in Bezug auf eine Zentralachse 220 angeordnet (die Rotationssymmetrie ist in dem Beispiel der 3 durch die gestrichelten Linien illustriert). Insbesondere liegt eine dreizählige Rotationssymmetrie vor. Das Vorhandensein einer Rotationssymmetrie bedeutet beispielsweise, dass das System der Fasern 101-103 durch Rotation in sich selbst überführt werden kann. Die Zähligkeit der Rotationssymmetrie bezeichnet, wie häufig pro 360° Drehwinkel das System der Fasern 101-103 in sich selbst überführt werden kann. Im Allgemeinen könnte die Rotationssymmetrie n-zählig sein, wobei n die Anzahl der verwendeten Fasern des Faser-Scanners bezeichnet.
Durch die rotationssymmetrische Anordnung mit hoher Zähligkeit kann folgender Effekt erzielt werden: Nichtlinearitäten bei der Anregung der Torsionsmode der Fasern 101-103 können reduziert bzw. unterdrückt werden. Dies kann durch folgendes Beispiel plausibilisiert werden: zum Beispiel könnten die drei Fasern 101-103 derart angeordnet werden, dass die Längsachsen 101-103und die Zentralachse 220 alle in einer Ebene liegen. Dann würde die Rotationssymmetrie zweizählig sein (und nicht dreizählig, wie in dem Beispiel der 3). In einem solchen Fall weisen die orthogonalen Transversalmoden (unterschiedliche Richtungen senkrecht zur Zentralachse 220) unterschiedliche Frequenzen auf - aufgrund unterschiedlicher Trägheitsmomente. Damit dreht sich beispielsweise die Richtung der niederfrequenten Transversalmode zusammen mit der Rotation der Fasern 101-103 bei Anregung der Torsionsmode. Dadurch wird ein parametrischer Oszillator ausgebildet, denn die Eigenfrequenzen variieren als Funktion des Drehwinkels bzw. damit als Funktion der Zeit. Das Übertragen von Energie zwischen den verschiedenen Zuständen des parametrischen Oszillators bewirkt Nichtlinearitäten. In dem eine Rotationssymmetrie mit hoher Zähligkeit verwendet wird, kann das Ausbilden des parametrischen Oszillators verhindert werden. Vorzugsweise können die Fasern so angeordnet werden, dass keine Abhängigkeit der Eigenfrequenzen vom Torsionswinkel auftreten.
Indem Nichtlinearitäten bei der Anregung der Torsionsmode der Fasern 101-103 vermieden werden, kann erreicht werden, dass besonders große Scanwinkel des Lichts 146 durch die Torsionsmode erzielt werden können.
4 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Faser-Scanner 100 gemäß verschiedener Beispiele. Insbesondere illustriert 4 Aspekte in Bezug auf einen Freiheitsgrad der Bewegung der Fasern 101-103 des Faser-Scanners 100. Insbesondere illustriert 4 Aspekte in Bezug auf eine Torsionsmode 301.
Das Beispiel der 4 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der 3 (wobei in 3 der Ruhezustand der Fasern 101-103 dargestellt ist; der Ruhezustand der Fasern 101-103 ist in 4 mit den gepunkteten Linien dargestellt).
In 4 ist die Torsionsmode 301 dargestellt. Die Torsionsmode 301 entspricht einer Verdrehung der Fasern 101-103 um die Zentralachse 220. Damit verdrillen sich auch die einzelnen Fasern 101-103 entlang ihrer Längsachsen 111-113. Durch die Torsionsmode 301 könnte beispielsweise der Spiegel 145 der Umlenkeinheit 142 verdreht werden, sodass das Licht 146 unter unterschiedlichen Winkeln abgestrahlt wird.
5 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Faser-Scanner 100 gemäß verschiedener Beispiele. Insbesondere illustriert 5 Aspekte in Bezug auf einen Freiheitsgrad der Bewegung der Fasern 101-103 des Faser-Scanners 100. Insbesondere illustriert 5 Aspekte in Bezug auf eine Transversalmode 302.
Das Beispiel der 5 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der 3 (wobei in 3 der Ruhezustand der Fasern 101-103 dargestellt ist; der Ruhezustand der Fasern 101-103 ist in 5 mit gepunkteten Linien dargestellt).
In 5 ist die Transversalmode 302 dargestellt. Die Transversalmode 302 entspricht einer Auslenkung der Fasern 101-103 senkrecht zur Zentralachse 220. Durch die Transversalmode 301 könnte beispielsweise der Spiegel 145 der Umlenkeinheit 142 gegenüber der Zentralachse 220 verschoben und in manchen Beispielen verkippt werden, sodass das Licht 146 bei einer Verkippung unter unterschiedlichen Winkeln abgestrahlt wird.
6 und 7 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Faser-Scanner 100 gemäß verschiedener Beispiele. Insbesondere illustrieren 6 und 7 Aspekte in Bezug auf einen Freiheitsgrad der Bewegung der Fasern 101-103 des Faser-Scanners 100. Insbesondere illustrieren 6 und 7 Aspekte in Bezug auf die Transversalmode 302.
In 6 ist der Ruhezustand des Faser-Scanners 100 dargestellt. In 7 ist der ausgelenkte Zustand des Faser-Scanners 100 dargestellt. Aus 7 ist ersichtlich, dass auch bei einer Auslenkung des beweglichen Endes der Fasern 101-103 keine Verkippung der Umlenkeinheit 142 stattfindet. Dies bedeutet, dass die Umlenkung des Lichts 146 im ausgelenkt Zustand im Wesentlichen der Umlenkung des Lichts 146 im Ruhezustand des Faser-Scanners 100 entspricht. Dies ist der Fall, da die Fasern 101-103 dieselbe Länge 211 aufweisen.
Damit kann erreicht werden, dass ungewollte Anregungen der Transversalmode 302 (beispielsweise aufgrund von Bodenunebenheiten, über welche ein Fahrzeug fährt, in welchem der Faser-Scanner 100 angeordnet ist), keinen oder keinen signifikanten Einfluss auf das Scannen des Lichts 146 hat. Beispielsweise könnte dazu die Ausdehnung der Umlenkeinheit 142, beispielsweise insbesondere des Spiegels 145, senkrecht zur Zentralachse 220 größer dimensioniert sein als eine typische Amplitude der Transversalmode 302. Beispielsweise könnte der Spiegel 145 einen Radius von nicht weniger als 2 mm aufweisen, optional von nicht weniger als 4 mm, weiter optional von nicht weniger als 7 mm. Typischerweise wird die Torsionsmode 301 durch äußere Einflüsse wesentlich ineffizienter angeregt, als die Transversalmode 302; deshalb ist der Faser-Scanner 100 eine besonders stabil gegenüber äußeren Einflüssen.
8 illustriert Aspekte in Bezug auf die Freiheitsgrade der Bewegung 301, 302 eines Faser-Scanners 100 gemäß verschiedener Beispiele. Insbesondere illustriert 8 ein Spektrum der Freiheitsgrade der Bewegung 301, 302.
In 8 ist die Eigenfrequenz 311 der Torsionsmode dargestellt, sowie die Eigenfrequenz 312 der Transversalmode 302. Beispielsweise wäre es möglich, dass der Aktuator eingerichtet ist, um die Torsionsmode 301 bei oder nahe bei der Eigenfrequenz 311 anzuregen (resonantes bzw. semi-resonantes Scannen).
In dem Beispiel der 8 ist ersichtlich, dass die Eigenfrequenz 311 der Torsionsmode 301 niedrigster Ordnung kleiner ist als die Eigenfrequenz 312 der Transversalmode 302 niedrigster Ordnung. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass der Abstand 210 zwischen benachbarten Fasern 101-103 vergleichsweise groß dimensioniert wird (cf. 3). Dadurch wird nämlich das Trägheitsmoment der Fasern 101-103 erhöht. Durch Vergrößern des Abstands 210 wird insbesondere die Eigenfrequenz 311 der Transversalmode erhöht 301 , wobei jedoch die Eigenfrequenz 312 der Torsionsmode 302 nicht oder nicht signifikant verändert wird. Dadurch kann durch geeignetes Dimensionieren des Abstands 210 erreicht werden, dass die Torsionsmode 301 eine besonders niedrige Eigenfrequenz 311, insbesondere im Vergleich zu Eigenfrequenz 312 der Transversalmode 302, aufweist. Beispielsweise könnte der Abstand 210 im Bereich von 2 % bis 50 % der Länge 211 liegen, optional im Bereich von 10 % bis 40 %, weiter optional im Bereich von 12 % bis 20 %. Insbesondere kann es durch solche Techniken möglich sein, dass die niederfrequenteste Anregung der Fasern 101-104 die Torsionsmode 301 ist.
Das Verwenden vergleichsweise geringer Eigenfrequenzen 311 für die Torsionsmode 301 kann folgenden Effekt aufweisen: ungewollte externe Einflüsse (beispielsweise aufgrund von Bodenunebenheiten, über welche ein Fahrzeug fährt, in welchem der Faser-Scanner 100 angeordnet ist), können die Torsionsmode 301 nur vergleichsweise ineffizient anregen. Dies ist der Fall, da typischerweise ungewollte externe Einflüsse einer gleichphasigen Bewegung im Bereich der Fixierung 141 in Bezug auf die unterschiedlichen Fasern 101-103 entsprechen; eine Verdrehung im Bereich der Fixierung 141 findet oftmals nicht oder nur insignifikant statt. Höherfrequente Anteile im Bereich der Eigenfrequenz 312 der Transversalmode 302 treten aber vergleichsweise selten auf. Deshalb ist ein entsprechender Faser-Scanner 100 besonders robust gegenüber äußeren Störungen.
In dem Beispiel der 8 ist eine Entartung zwischen der Torsionsmode 301 und der Transversalmode 302 aufgehoben. Dies ist der Fall, da die Resonanzkurven keinen überlappenden Bereich aufweisen, in welchem beide Amplituden signifikante Werte (beispielsweise von mehr als 5 % oder mehr als 10 % in Bezug auf das jeweilige Maximum) aufweisen. Das Aufheben der Entartung zwischen der Torsionsmode 301 und der Transversalmode 302 kann zum Beispiel durch geeignete Dimensionierung der Längen 211 in Bezug auf den Abstand 210 erreicht werden. Es könnte noch andere Systemparameter geändert werden, wie beispielsweise der Durchmesser der Umlenkeinheit 142 oder das Vorsehen eines Wuchtgewichts. Durch das Aufheben der Entartung können nichtlineare Effekte aufgrund von Kopplungen zwischen den verschiedenen Freiheitsgraden der Bewegung reduziert bzw. vermieden werden.
In 9 ist ein Beispiel dargestellt, in dem die Entartung zwischen der Torsionsmode 301 und der Transversalmode 302 nicht aufgehoben ist. 9 entspricht ansonsten im Wesentlichen der 8. Ein solches Beispiel kann insbesondere dann erstrebenswert sein, wenn eine zeitlich und örtlich überlagerte Anregung der Transversalmode 302 100 Torsionsmode 301 gewünscht ist, zum Beispiel um ein zweidimensionales Scannen des Lichts 146 mit einer Überlagerungsfigur zu ermöglichen.
Während voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf einen Faser-Scanner mit einer Anzahl von drei Fasern 101-104 beschrieben wurden, können entsprechende Beispiele auch für einen Faser-Scanner 100 mit einer größeren Anzahl von Fasern implementiert werden. Zum Beispiel ist in 10 ein Beispiel dargestellt, in welchem der Faser-Scanner 100 eine Anzahl von vier Fasern 101-104 umfasst. Dabei sind die Fasern 101-104 rotationssymmetrische in Bezug auf die Zentralachse 220 mit einer vierzähligen Rotationssymmetrie angeordnet.
11 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Fixierung der Fasern 101-103 (in dem Beispiel der 11 ist beispielhaft lediglich eine einzelne Faser dargestellt, wobei entsprechende Techniken auch für mehrere Fasern implementiert werden können). Die Faser 101-103 erstreckt sich innerhalb einer Ferrule 141, die die Fixierung implementiert. Dabei ist Klebstoff 199 sowohl entlang eines Teilbereichs der Faser 101-103, der sich innerhalb der Ferrule 141 erstreckt angebracht, als auch in einem weiteren Teilbereich, der sich außerhalb der Ferrule 141 erstreckt. Zum Beispiel könnte der weitere Teilbereich eine Ausdehnung im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm aufweisen, optional im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm, weiter optional im Bereich von 0,8 mm bis 1,5 mm.
12 zeigt Querschnittsansichten mögliche Implementierungen der Faser 101-103, sowie der Ferrule 141 entlang der Linie X-X' aus 11. In 12, links ist ein Szenario dargestellt, bei welchem der Querschnitt der Faser 101-103, sowie der Querschnitt der Ferrule 141 kreisförmig ist. In 12, rechts ist ein Szenario dargestellt, bei welchem die Faser 101-103 vier Kanten entlang ihrer Längsachse aufweist, d. h. einen quadratischen Querschnitt aufweist. Auch die Ferrule 141 weist einen quadratischen Querschnitt auf. In einem solchen Beispiel ist eine Fixierung der Faser 101-103 entlang der Kante über Formschluss zwischen der Faser 101-103 und entsprechenden Kanten der Ferrule 141 möglich.
13 illustriert Aspekte in Bezug auf die Fasern 101-103 (in dem Beispiel der 13 ist wiederum lediglich eine einzelne Faser aus Gründen der Einfachheit dargestellt). Die Faser 101-103 umfasst einen Kern 101A, der beispielsweise aus Silizium hergestellt sein könnte. Der Kern kann einen inneren Kern und einen Mantel aufweisen (in 13 aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt), die beide aus Silizium oder Glas hergestellt sind. Die Faser 101-103 umfasst auch eine Schutzbeschichtung 101B, welche den Kern 101A umgibt.
Beispielsweise könnte die Schutzbeschichtung ein Material aufweisen, welches beispielsweise Polyamid und/oder ein Hybridmaterial umfasst. Das Hybridmaterial könnte zum Beispiel ein organisches Polymer und ein anorganisches Material aufweisen.
In verschiedenen Beispielen wäre es möglich, dass eine Faser 101-103 verwendet wird, die entlang ihrer gesamten Länge keine Schutzbeschichtung 101B aufweist. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass eine Faser 101-103 verwendet wird, die zumindest teilweise keine Schutzbeschichtung 101B aufweist. Ein solches Szenario ist in 14 dargestellt. Dabei wird eine Faser 101 verwendet, die innerhalb der Teilbereiche 211A sowie 211C keine Schutzbeschichtung 101B aufweist, jedoch innerhalb eines Teilbereichs 211B eine Schutzbeschichtung 101B aufweist. Durch eine solche Implementierung kann erreicht werden, dass ein Kraftfluss zwischen dem Kern 101A der Faser 101 und der Fixierung 141 bzw. der Umlenkeinheit 142 innerhalb der Teilbereiche 211A, 211 C besonders gut übertragen werden kann, weil die Schutzbeschichtung 101B - die typischerweise ein vergleichsweise weiches Material aufweist - dort nicht vorhanden ist. Andererseits kann erreicht werden, dass der Kern 101A im Teilbereich 211B besonders gut gegenüber äußeren Einflüssen, beispielsweise Kratzern etc., durch die Schutzbeschichtung 101B geschützt ist.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016011647 [0068]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jeffrey H., Stephen R. Chinn, and Lew Goldberg. „Monostatic all-fiber scanning LADAR system.“ Applied optics 54.33 (2015): 9752-9757 [0006]
Buestrich, R., et al. „ORMOCER® s for optical interconnection technology.“ Journal of Sol-Gel Science and Technology 20.2 (2001): 181-186 [0017]

Claims

Vorrichtung (100), die umfasst: - mindestens eine Faser (101-103), die zwischen einer Fixierung (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist, und - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken, wobei jede Faser (101-103) der mindestens einen Faser (101-103) eine Länge (211) aufweist, die im Bereich von 3 mm - 10 mm liegt, optional im Bereich von 3,8 mm - 7,5 mm.
Vorrichtung (100), die umfasst: - mindestens eine Faser (101-103), die zwischen einer Fixierung (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist, und - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken, wobei jede Faser (101-103) der mindestens einen Faser (101-103) zumindest in einem ersten Teilbereich (211B) entlang ihrer Länge einen Kern (101A) aus einem ersten Material und eine Schutzbeschichtung (101B) um den Kern (101A) aus einem zweiten Material, das verschieden von dem ersten Material ist, aufweist, wobei das zweite Material der Schutzbeschichtung optional Polyamid und/oder ein Hybridmaterial umfassend ein organisches Polymer und ein anorganisches Material aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei zumindest eine Faser (101-103) der mindestens einen Faser (101-103) in einem zweiten Teilbereich (211B, 211C) entlang ihrer Länge den Kern (101A) ohne die Schutzbeschichtung (101B) aufweist, wobei der zweite Teilbereich (211B, 211C) optional angrenzend an die Fixierung (141) und/oder die Umlenkeinheit (142) angeordnet ist.
Vorrichtung (100), die umfasst: - mindestens eine Faser (101-103), die zwischen einer Fixierung (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist, und - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken, wobei ein Kern (101A) der mindestens einen Faser (101-103) zumindest eine Kante entlang der Längsachse der mindestens einen Faser (101-103) aufweist, wobei die Fixierung (141) und die mindestens eine Faser (101-103) entlang der Kante über Formschluss gekoppelt sind.
Vorrichtung (100), die umfasst: - mindestens eine Ferrule (141), - mindestens eine Faser (101-103), die zwischen der mindestens einen Ferrule (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist und die sich in einem Teilbereich entlang ihrer Länge innerhalb der mindestens einen Ferrule (141) erstreckt, - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken, und - einen Klebstoff (199), der zwischen der mindestens einen Ferrule (141) und der mindestens einen Faser (101-103) in dem Teilbereich angeordnet ist, wobei der Klebstoff (199) optional Epoxidharz umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Klebstoff (199) weiterhin in einem weiteren Teilbereich entlang der Länge der mindestens einen Faser (101-103) außerhalb der mindestens einen Ferrule (141) und angrenzend an den Teilbereich angeordnet ist, wobei der weitere Teilbereich eine Ausdehnung im Bereich von 0,1 mm - 2 mm aufweist, optional im Bereich von 0,5 mm - 2 mm, weiter optional im Bereich von 0,8 mm - 1,5 mm.
Vorrichtung (100), die umfasst: - eine einstückig oder mehrstückig ausgebildete Mehrkern-Ferrule (141), - mehrere Fasern, die zwischen der Mehrkern-Ferrule (141) einer Umlenkeinheit (142) angeordnet sind und die sich in einem Teilbereich entlang ihrer Länge innerhalb der Mehrkern-Ferrule (141) erstrecken, und - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken.
Vorrichtung (100), die umfasst: - mindestens eine Faser (101-103), die zwischen einer Fixierung (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist, und - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken, wobei die mindestens eine Faser (101-103) einen Kern (101A) umfassend Silizium aufweist und keine Schutzbeschichtung (101B), die den Kern (101A) umgibt.
Vorrichtung (100), die umfasst: - mindestens eine Faser (101-103), die zwischen einer Fixierung (141) und einer Umlenkeinheit (142) angeordnet ist, und - die Umlenkeinheit (142), die eingerichtet ist, um Licht (146) umzulenken, wobei die Umlenkeinheit (142) eine Trägerschicht aufweist, die eine Dicke im Bereich von 100 µm - 570 µm aufweist, optional im Bereich von 110 µm - 220 µm, weiter optional im Bereich von 110 µm - 155 µm.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Umlenkeinheit (142) mit der mindestens einen Faser (101-103) über mindestens eine Ferrule (141) gekoppelt ist, innerhalb welcher sich die mindestens eine Faser (101-103) entlang eines Teilbereichs ihrer Länge erstreckt, und/oder wobei die Trägerschicht der Umlenkeinheit (142) Glas oder Silizium umfasst und optional Verstärkungsrippen aufweist.