DE102017222864A1

DE102017222864A1 - Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE102017222864A1
Application number: DE102017222864.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Jens Ehlermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19
Also published as: US20210191227A1; KR20200094789A; CN111712723A; JP2021507282A; WO2019115782A1; EP3724675A1

Abstract

Vorrichtung (100) zur Ablenkung von Laserstrahlen mit mindestens einer Lichtquelle (101), die dazu eingerichtet ist Laserstrahlen zu erzeugen, und mindestens einer integrierten optischen Schaltung (107), wobei die integrierte optische Schaltung (107) auf einem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat eine erste Haupterstreckungsrichtung, eine zweite Haupterstreckungsrichtung und eine dritte Haupterstreckungsrichtung aufweist und die erste Haupterstreckungsrichtung und die zweite Haupterstreckungsrichtung eine Ebene der Substratoberfläche aufspannen und die dritte Haupterstreckungsrichtung orthogonal zur Ebene der Substratoberfläche angeordnet ist, wobei die integrierte optische Schaltung (107) mindestens einen Wellenleiter (104) und mindestens ein Aussendemittel (106) aufweist, wobei das Aussendemittel (106) als Ausgang der integrierten optischen Schaltung (107) fungiert und die Laserstrahlen entlang einer ersten Richtung aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablenkmittel (108) vorgesehen ist, das einen Abstand zum Substrat entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung oder entlang der zweiten Haupterstreckungsrichtung oder entlang der dritten Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das Ablenkmittel (108) die Laserstrahlen entlang einer zweiten Richtung ablenkt, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen.
Es sind Strahlablenkeinheiten basierend auf optischen Phasenschiebern bekannt, die ohne bewegliche Komponenten auskommen. Solche Strahlablenkeinheiten dienen somit als Ersatz für mechanische Spiegel. Typischerweise werden hierbei Ablenkwinkel im Bereich von ungefähr 5° - 15° erreicht.
Nachteilig ist hierbei, dass der Ablenkwinkel für Lidaranwendungen zu gering ist, da dort deutlich größere Ablenkwinkel benötigt werden.
Das Dokument US 2016/0049765 A1 offenbart eine Vielzahl von eindimensionalen Strahlformungschips, die ein zweidimensional scannendes Festkörperarray bilden, sodass ein dreidimensionales Umgebungsbild erfasst werden kann. Die Festkörperarrays sind dabei übereinander angeordnet und strahlen an einem Ende des jeweiligen Chips ab. Die Steuerungsrichtung liegt dabei in der Chipebene.
Nachteilig ist hierbei, dass die Ablenkwinkel der Laserstrahlen durch die Ausrichtung des jeweiligen Festkörperarrays festgelegt sind. Mit anderen Worten die Auflösung in der vertikalen Ablenkdimension kann nicht verändert werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Ablenkwinkel zu verändern und zu vergrößern.
Offenbarung der Erfindung
Die Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen umfasst mindestens eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist Laserstrahlen zu erzeugen, und mindestens eine integrierte optische Schaltung. Die integrierte optische Schaltung ist auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat weist dabei eine erste Haupterstreckungsrichtung, eine zweite Haupterstreckungsrichtung und eine dritte Haupterstreckungsrichtung auf. Die erste Haupterstreckungsrichtung und die zweite Haupterstreckungsrichtung spannen eine Ebene der Substratoberfläche auf und die dritte Haupterstreckungsrichtung ist orthogonal zur Ebene der Substratoberfläche angeordnet. Die integrierte optische Schaltung weist mindestens einen Wellenleiter und mindestens ein Aussendemittel auf, wobei das Aussendemittel als Ausgang der integrierten optischen Schaltung fungiert und die Laserstrahlen entlang einer ersten Richtung aussendet. Erfindungsgemäß ist ein Ablenkmittel vorgesehen, das einen Abstand zum Substrat entlang der ersten Haupterstreckungsebene oder entlang der zweiten Haupterstreckungsebene oder entlang der dritten Haupterstreckungsebene aufweist, wobei das Ablenkmittel die Laserstrahlen entlang einer zweiten Richtung ablenkt, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Ablenkwinkel unabhängig von der Ausrichtung des Substrats veränderbar ist.
In einer Weiterbildung umfasst die integrierte optische Schaltung mindestens einen optischen Phasenschieber und mindestens zwei Aussendemittel. Mit anderen Worten die integrierte optische Schaltung ist als phasengesteuerte Gruppenantenne ausgestaltet. Eine phasengesteuerte Gruppenantenne ist auch unter dem Begriff optische Phased-Array-Antenne bekannt.
Der Vorteil ist hierbei, dass das Licht, das von den mindestens zwei Aussendemittel emittiert wird, inteferiert und dies durch den Phasenschieber gesteuert werden kann. Diese Steuerung erlaubt es den Strahl bereits entlang der ersten Richtung abzulenken. Das bedeutet die Richtung der Laserstrahlen am Ausgang der Aussendemittel kann von der Richtung der Laserstrahlen am Ausgang der Ablenkeinrichtung verschieden sein.
In einer Weiterbildung sind mehrere integrierte optische Schaltungen vorgesehen, die als ein- oder zweidimensionales Array ausgestaltet sind und die auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind. Mit anderen Worten die integrierten optischen Schaltungen bilden bzw. formen ein Flächenarray.
Vorteilhaft ist hierbei, dass mehrere Laserstrahlen gleichzeitig abgelenkt werden können und diese Laserstrahlen unterschiedliche Scanbereich abdecken können, d. h. eine Parallelisierung der Laserstrahlen erlauben. Je nach Position und Form des Ablenkmittels werden die Laserstrahlen, die von der optischen Schaltung emittiert werden, in verschiedene Richtungen abgelenkt. Mit anderen Worten das Ablenkmittel lenkt nicht jeden Strahl in die gleiche Richtung ab.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht die erste Richtung der dritten Haupterstreckungsrichtung.
Der Vorteil ist hierbei, dass Strahlen, die senkrecht zur Substratoberfläche ausgesendet werden, abgelenkt werden können.
In einer Weiterbildung entspricht die erste Richtung der ersten Haupterstreckungsrichtung oder der zweiten Haupterstreckungsrichtung.
Vorteilhaft ist hierbei, dass Strahlen, die in der Ebene der Substratoberfläche an einem Ende des Substrats der integrierten optischen Schaltungen, ausgesendet werden, abgelenkt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung sind mehrere integrierte optischen Schaltungen entlang der dritten Haupterstreckungsrichtung beabstandet übereinander angeordnet. Die Trägersubstrate auf denen sich die integrierten optischen Schaltungen befinden, sind insbesondere parallel angeordnet.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Ausrichtungsaufwand zwischen den optischen Schaltungen minimiert werden kann und so eine einfache Anordnung zur Ablenkung der Laserstrahlen gewählt werden kann.
In einer Weiterbildung umfasst das Ablenkmittel mindestens eine Linse.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Linse den optischen Strahl, der von den integrierten optischen Schaltungen emittiert wird, zusätzlich ablenkt. Die Linse hat insbesondere den Vorteil, dass diese zusätzliche Ablenkung kontinuierlich ist und damit verhindert werden kann, dass im gesamten Ablenkbereich Bereiche entstehen, in die keine Strahlen hin abgelenkt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Ablenkmittel ein Mikrolinsenarray.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Ablenkwinkelbereich für die optischen Schaltungen unterschiedlich und individuell eingestellt werden kann.
In einer Weiterbildung umfasst das Ablenkmittel ein mehrstufiges Prisma.
Vorteilhaft ist hierbei, dass unterschiedliche Ablenkwinkel erreicht werden können.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau der Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen,
2 eine Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen mit einem Flächenarray, das in der Ebene der Substratoberfläche abstrahlt,
3 eine Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen mit mehreren Flächenarrays, die in der Ebene der Substratoberfläche abstrahlt und übereinander angeordnet sind und
4 eine Vorrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlen mit mehreren Flächenarrays, die senkrecht zur Ebene der Substratoberfläche abstrahlen.

1 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung 100 zur Ablenkung von Laserstrahlen. Die Vorrichtung 100 umfasst eine kohärente Lichtquelle 101, eine integrierte optische Schaltung 107 und ein Ablenkmittel 108. Die integrierte optische Schaltung 107 umfasst mindestens einen Koppler 102, der beispielsweise ein evaneszenter Koppler, ein Multimoden-Wellenleiter oder ein Lichtsplitter sein kann. Die integrierte optische Schaltung 107 umfasst mehrere Wellenleiter 104 und mehrere Phasenschieber 105, die die Phase des Lichts einstellen bzw. kontrollieren. Die Phasenschieber 105 sind beispielsweise thermisch, elektro-optisch, magneto-optisch, MEMS-basiert oder basieren auf nichtlinearen optischen Effekten. Die integrierte optische Schaltung 107 umfasst des Weiteren mehrere Aussendemittel 105, die die Laserstrahlen in die Umgebung aussenden. Die Aussendemittel 105 sind beispielsweise Gitterkoppler oder Spiegel, wenn die erste Richtung bzw. die Ausbreitungrichtung der Laserstrahlen parallel zur dritten Haupterstreckungsrichtung verläuft. Verläuft die erste Richtung bzw. die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen parallel zur ersten Haupterstreckungrichtung oder zur zweiten Haupterstreckungsrichtung, d. h. in der Ebene der Substratoberfläche, ist das Aussendemittel 105 beispielsweise ein Kantenkoppler. Die Effizienz des Aussendemittels 105 kann im Fall der Verwendung eines Kantenkopplers erhöht werden, wenn zusätzlich inverse Taper nachgeschaltet sind. Die inversen Taper werden dazu benötigt die optische Richtcharakteristik so auszulegen, dass die optische Leistung im vorgegebenen bzw. gewünschten Ablenkbereich maximiert wird. Das Ablenkmittel 108 umfasst ein optisches Element, das in der Ausbreitungsrichtung im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist. Dieses optische Element lenkt den Laserstrahl einer jeden integrierten optischen Schaltung 107 in eine von der ersten Richtung verschiedene Richtung bzw. in die zweite Richtung ab. Mit anderen Worten das optische Element ändert die Ausbreitungsrichtung eines jeden Laserstrahls. Das optische Element ist derart ausgestaltet, dass benachbarte integrierte optische Schaltungen geringfügig überlappende oder angrenzende Bereiche abdecken, sodass keine nicht abtastbaren Bereiche entstehen. Dies wird sichergestellt, indem der Scanbereich einer einzelnen optischen Schaltung einen Überlapp mit dem Scanbereich der benachbarten optischen Schaltung aufweist. Das Ablenkmittel 108 ist beispielsweise eine Linse, ein Mikrolinsenarray oder ein mehrstufiges Prisma. Mit anderen Worten der von der kohärenten Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl bzw. Laserstrahl wird über den Koppler 102 auf die integrierte optische Schaltung 107 geleitet, wobei an deren Ausgang das Ablenkmittel 108 im Strahlengang der ersten Richtung beabstandet zum Substrat der integrierten optischen Schaltung 107 angeordnet ist. Optional weisen die integrierten optischen Schaltungen 107 optische Schalter auf, die zwischen dem Koppler 102 und den Wellenleitern 104 angeordnet sind. Alternativ kann auch jede integrierte optische Schaltung 107 eine eigene Lichtquelle 101 aufweisen.
2 zeigt eine Vorrichtung 200 zur Ablenkung von Laserstrahlen mit einem Flächenarray, das beispielhaft zwei integrierte optische Schaltungen 207 aufweist. Das Flächenarray strahlt dabei in der Ebene der Substratoberfläche an einem Ende der jeweiligen Substrate ab. Die Vorrichtung 200 umfasst eine kohärente Lichtquelle 201, optische Schalter 203 und ein Ablenkmittel 208 in Form eines Prismas. Des Weiteren zeigt 2 den Strahlengang 209 des Laserlichts am Ausgang der integrierten optischen Schaltungen 207, sowie die Scanbereiche 211 der Phased Arrays vor der Ablenkeinheit 208 und die abgelenkten Laserstrahlen 210 nach der Ablenkung durch das Ablenkmittel 208, sowie die Scanbereiche 212 der Phased Arrays hinter der Ablenkeinheit 208. Des Weiteren ist ein Überlapp 213 der Scanbereiche 212 gezeigt.
3 zeigt eine Vorrichtung 300 mit mehreren integrierten optischen Schaltungen 307, die derart angeordnet sind, dass die Abstrahlebene bzw. die Aussendeebene durch die zweite Hauterstreckungsrichtung y und die dritte Haupterstreckungsrichtung z aufgespannt wird. Jede integrierte optische Schaltung 307 emittiert Laserstrahlen entlang der ersten Richtung, die in diesem Beispiel mit der ersten Haupterstreckungsrichtung x übereinstimmt. Zusätzlich ist jede optische Schaltung 307 in der Lage den optischen Strahl entlang der zweiten Haupterstreckungsrichtung y in einem Scanbereich dynamisch also veränderlich abzulenken. Das Ablenkmittel 308 transformiert diese Ablenkbereich dann auf einen neuen Ablenkbereich. 3 zeigt beispielhaft den Strahlengang 309 des Laserlichts am Ausgang der integrierten optischen Schaltungen 307 und die abgelenkten Laserstrahlen 310 nach der Ablenkung durch das Ablenkmittel 308. Das Ablenkmittel 308 ist in diesem Beispiel eine elliptische Linse.
4 zeigt mehrere integrierte optische Schaltungen 407, die derart angeordnet sind, dass die erste Haupterstreckungsrichtung x und die zweite Haupterstreckungsrichtung y die Abstrahlebene bzw. die Aussendeebene für das Laserlicht aufspannen. Mit anderen Worten die integrierten optischen Schaltungen 407 sind auf einem gemeinsamen Trägersubstrat als zweidimensionales Flächenarray angeordnet. Die Laserstrahlen werden in Richtung der dritten Haupterstreckungsrichtung z emittiert. Das Ablenkmittel 408 ist beabstandet oberhalb des gemeinsamen Trägersubstrats angeordnet. 4 zeigt beispielhaft den Strahlengang 409 des Laserlichts am Ausgang der integrierten optischen Schaltungen 407 und die abgelenkten Laserstrahlen 410 nach der Ablenkung durch das Ablenkmittel 408. Das Ablenkmittel 408 ist in diesem Beispiel eine elliptische Linse.
Die Vorrichtung 100, 200, 300 und 400 zur Ablenkung von Laserstrahlen findet beispielsweise Anwendung in Lidarsystemen vorzugsweise für Fahrzeuge, in Pico-Projektoren oder in Head-up Displays.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2016/0049765 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (100) zur Ablenkung von Laserstrahlen mit • mindestens einer Lichtquelle (101), die dazu eingerichtet ist Laserstrahlen zu erzeugen, und • mindestens einer integrierten optischen Schaltung (107), wobei die integrierte optische Schaltung (107) auf einem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat eine erste Haupterstreckungsrichtung, eine zweite Haupterstreckungsrichtung und eine dritte Haupterstreckungsrichtung aufweist und die erste Haupterstreckungsrichtung und die zweite Haupterstreckungsrichtung eine Ebene der Substratoberfläche aufspannen und die dritte Haupterstreckungsrichtung orthogonal zur Ebene der Substratoberfläche angeordnet ist, • wobei die integrierte optische Schaltung (107) mindestens einen Wellenleiter (104) und mindestens ein Aussendemittel (106) aufweist, wobei das Aussendemittel (106) als Ausgang der integrierten optischen Schaltung (107) fungiert und die Laserstrahlen entlang einer ersten Richtung aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablenkmittel (108) vorgesehen ist, das einen Abstand zum Substrat entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung oder entlang der zweiten Haupterstreckungsrichtung oder entlang der dritten Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das Ablenkmittel (108) die Laserstrahlen entlang einer zweiten Richtung ablenkt, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte optische Schaltung (107) mindestens einen Phasenschieber (105) und mindestens zwei Aussendemittel (106) aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere integrierte optische Schaltungen (107) vorgesehen sind, die auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung die dritte Haupterstreckungsrichtung ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung die erste Haupterstreckungsrichtung oder die zweite Haupterstreckungsrichtung ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trägersubstrate mit mehreren optischen Schaltungen entlang der dritten Haupterstreckungsrichtung beabstandet übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkmittel (108) mindestens eine Linse umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkmittel (108) ein Mikrolinsenarray umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkmittel (108) ein Prisma umfasst, insbesondere ein mehrstufiges Prisma.