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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zur Detektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung.
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Die Erfindung betrifft weiter ein LiDAR System mit einer Detektionsvorrichtung.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Detektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Systeme anwendbar ist, wird die vorliegende Detektionsvorrichtung in Bezug auf LiDAR-Systeme beschrieben.
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Stand der Technik
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Bekannte Lidar-Systeme nutzen schmalbandige Laserstrahlen, die in eine bestimmte Richtung abgelenkt werden. Trifft der Laserstrahl auf ein Objekt kann anhand der Reflexion des Laserstrahls an dem Objekt in diesem Winkel dessen Entfernung bestimmt werden. Hierzu wird beispielsweise eine lineare Frequenzrampe, basierend auf dem Prinzip FMCW - frequency modulated continuous wave radar - ausgesendet und durch einen kohärenten Empfang die Differenzfrequenz zwischen Senderampe und Empfangsrampe ermittelt. Anhand dieser Differenzfrequenz kann dann die Entfernung des Objekts bestimmt werden. Um ein Objekt in einem Gebiet detektieren zu können, kann ein Gebiet zweidimensional ausgeleuchtet werden.
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Aus der
US 9,476,981 B1 ist ein optisches Phasenarray bekannt geworden, welches eine Vielzahl von nanophotonischen Antennenelementen umfasst, um komplexe Bilder in das Fernfeld zu projizieren. Diese nanophotonischen Phasenarrays, einschließlich der nanophotonischen Antennenelemente und Wellenleiter, können auf einem einzigen Siliziumchip unter Verwendung komplementärer Metalloxid-Halbleiterprozesse (CMOS) gebildet werden. Richtkoppler koppeln Licht von den Wellenleitern an die nanophotonischen Antennenelemente, die das Licht mit ausgewählten Phasen und Amplituden abstrahlen, so dass die emittierten Strahlen im Fernfeld ein gewünschtes Bild erzeugen. Dabei kann jede Antenne im Phasenarray mit einer entsprechenden variablen Verzögerungsleitung, wie z.B. einem thermooptisch abgestimmten Hohlleiter oder einer flüssigkeitsgefüllten Zelle, optisch gekoppelt werden, um die Phase des Antennenausgangs und das resultierende Fernfeldinterferenzmuster)zu variieren.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Detektionsvorrichtung zur Detektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung bereit, umfassend
- - eine Lichtbereitstellungseinrichtung, umfassend zumindest zwei Lichtquellen, wobei die zumindest zwei Lichtquellen Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bereitstellen,
- - eine Multiplexereinrichtung, welche eingangsseitig mit den zumindest zwei Lichtquellen der Lichtbereitstellungeinrichtung verbunden ist, und welche an einem Ausgang kombiniertes Licht der Lichtbereitstellungeinrichtung bereitstellt,
- - eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung mit zumindest einem optischen Phasenarray zum Scannen eines vorbestimmten Winkelbereichs zur Detektion eines Objekts, wobei das zumindest eine optische Phasenarray ausgebildet ist, Licht in unterschiedliche Teilwinkelbereiche abzustrahlen und/oder aus unterschiedlichen Teilwinkelbereichen zu empfangen,
- - eine Demultiplexereinrichtung, welche ausgebildet ist, Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aufzuteilen und
- - eine Detektionseinrichtung, umfassend mehrere Detektoren, wobei die Detektionseinrichtung mit der Demultiplexereinrichtung dergestalt verbunden ist, so dass Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche von unterschiedlichen Detektoren detektiert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein LiDAR-System mit einer Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-7 bereit.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen von Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen,
- - Zusammenführen des bereitgestellten Lichts mittels einer Multiplexereinrichtung.
- - Aussenden des von der Multiplexereinrichtung zusammengeführten Lichts mittels zumindest einem optischen Phasenarray zum Scannen eines vorbestimmten Winkelbereichs zur Detektion eines Objekts, wobei Licht in unterschiedlichen Winkelbereiche abgestrahlt wird und/oder Empfangen von Licht aus unterschiedlichen Winkelbereichen, wobei das Aussenden und/oder das Empfangen mittels zumindest eines optischen Phasenarrays erfolgt,
- - Aufteilen des empfangenen Lichts mittels einer Demultiplexereinrichtung, welche ausgebildet ist, Licht in unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aufzuteilen, und
- - Zuführen des aufgeteilten Lichts unterschiedlicher Wellenlängenbereiche zu unterschiedlichen Detektoren.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit sowohl eine hohe Reichweite als auch ein großer Sichtbereich der Detektionsvorrichtung bei gleichzeitig hoher Auflösung im Sichtbereich ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit ebenfalls eine hohe Aktualisierungsrate im gesamten Sichtbereich der Detektionsvorrichtung ermöglicht wird. Ebenso ist ein Vorteil, dass verschiedene Komponenten, wie beispielsweise das optische Phasenarray, nur einmal vorhanden sein müssen, was die Kosten der Detektionsvorrichtung reduziert und gleichzeitig eine einfache Implementierung ermöglicht.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Multiplexer- und/oder Demultiplexereinrichtung ein Gitter auf. Damit ist eine zuverlässige und gleichzeitig einfache Kombination von Licht verschiedener Wellenlängen beispielsweise eine Einkoppelung in einen gemeinsamen Wellenleiter möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Gitter als Bragg-Gitter oder als Echelle-Gitter ausgebildet. Insbesondere mittels eines Echelle-Gitters kann eine Kombination von Licht in großen Wellenlängenbereichen in einen einzigen Wellenleiter ermöglicht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Abstrahl- und Empfangseinrichtung ein gemeinsames optisches Phasenarray zum Empfangen und Aussenden von Licht auf. Dies ermöglicht zum einen eine besonders kompakte Bauform bei gleichzeitig geringen Kosten in der Herstellung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das zumindest eine optische Phasenarray ausgebildet, Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in unterschiedliche Winkelbereiche abzustrahlen. Damit kann beispielsweise der Sichtbereich eines LiDAR-Systems aufgeteilt werden, was einerseits eine höhere Reichweite, andererseits eine hohe Aktualisierungsrate und hohe Auflösung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das zumindest eine optische Phasenarray mehrere Gitterkoppler. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache und zuverlässige Weise Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in unterschiedliche Richtungen ausgesendet werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Multiplexereinrichtung und/oder Demultiplexereinrichtung über jeweils einen Wellenleiter mit der Abstrahl- und Empfangseinrichtung verbunden. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3 ein Verfahren zur Detektion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Form eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist in 1 ein Blockschaltbild für ein LiDAR-System mit einer Detektionsvorrichtung 1 gezeigt. Mehrere Laserlichtquellen 2a, 2b werden über einen Wellenlängen-Multiplexer 3 in einen Wellenleiter kombiniert. Die Multiplexer 3 können dabei ein Gitter, insbesondere ein integriertes Bragg-Gitter und/oder Ringresonatoren umfassen. Weiterhin können als Multiplexer 3 „Arrayed Waveguide Gratings“ oder Echelle-Gitter verwendet werden, die es ermöglichen, Kanäle sehr genau kontrollieren zu können, insbesondere können sie für große Wellenlängenbereiche verwendet werden.
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Nachdem das Licht in den Wellenleiter kombiniert wurde, wird dieses über ein optisches Phasenarray 4a ausgesendet. Hierbei kann der Aussendebereich des Phasenarrays 4a aus Gitterkopplem bestehen. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen ausgesendet werden. Dies erlaubt es den Sichtbereich der Detektionsvorrichtung 1 aufzuteilen. Beispielsweise sind fünf Laser mit unterschiedlichen veränderbaren Wellenlängen, beispielsweise 1450 nm - 1480 nm, 1480 nm - 1510 nm, 1540 nm - 1570 nm, 1570 nm - 1600 nm, 1600 nm - 1630 nm angeordnet, die jeweils nur einen Sichtbereich von 100° × 4° haben, dies entspricht 40000 Pixel und mit einer Lichtlaufzeit von 1,3 µs ist dann eine Aktualisierungsrate von 19,3 Hz möglich.
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Der Empfang von Licht erfolgt über ein zweites optisches Phasenarray 4b. Dies kann das gleiche optische Phasenarray sein, kann aber auch ein zweites, insbesondere bauunterschiedliches Phasenarray sein. Nach dem zweiten optischen Phasenarray 4b ist ein Demultiplexer 6 angeordnet, welcher die Kanäle, also Licht in unterschiedlichen Wellenlängen, wieder auf mehrere Wellenleiter aufteilt und zu unterschiedlichen Detektoren 7a, 7b führt.
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Damit kann auf unterschiedliche Weise die Entfernung von Objekten 5 zur Detektionsvorrichtung 1 bestimmt werden, beispielsweise mittels direkter Flugzeitmessung und/oder mittels Amplituden- oder Frequenzmodulierungsverfahren.
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2 zeigt eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist in 2 nun im Wesentlichen eine Detektionsvorrichtung 1 gemäß 1 gezeigt. Hierbei sind nun der Multiplexer 3 und der Multiplexer 6 in Form von Echelle-Gittern ausgebildet. Die beiden optischen Phasenarrays 4a, 4b der Detektionsvorrichtung 1 gemäß 1 sind nun durch ein einzelnes optisches Phasenarray ersetzt, welches einen Binärbaum 41 zur Lichtverteilung und Gitterkoppler 42 zur Lichtauskopplung und -einkopplung umfasst. Gezeigt sind des Weiteren zwei verschiedene Winkelbereiche 21, 22 für verschiedene Wellenlängen von ausgesendetem Licht.
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3 zeigt ein Verfahren zur Detektion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In Detail ist in 3 ein Verfahren zur Detektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung gezeigt.
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Dabei erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen von Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen.
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Weiter erfolgt in einem zweiten Schritt S2 ein Zusammenführen des bereitgestellten Lichts mittels einer Multiplexereinrichtung.
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Weiter erfolgt in einem dritten Schritt S3 ein Aussenden des von der Multiplexereinrichtung zusammengeführten Lichts mittels zumindest einem optischen Phasenarray zum Scannen eines vorbestimmten Winkelbereichs zur Detektion eines Objekts, wobei Licht in unterschiedliche Winkelbereiche abgestrahlt wird und/oder in einem vierten Schritt S4 ein Empfangen von Licht aus unterschiedlichen Winkelbereichen, wobei das Aussenden und/oder das Empfangen mittels zumindest eines optischen Phasenarrays erfolgt.
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Weiter erfolgt in einem fünften Schritt S5 ein Aufteilen des empfangenen Lichts mittels einer Demultiplexereinrichtung, welche ausgebildet ist, Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aufzuteilen.
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Weiter erfolgt in einem sechsten Schritt S6 ein Zuführen des aufgeteilten Lichts unterschiedlicher Wellenlängenbereiche zu unterschiedlichen Detektoren.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Reichweite und Sichtbereich geeignet für den Automobilbereich.
- • Aktualisierungsrate von im Wesentlichen 20 Hz.
- • kurze Messzeit.
- • kostengünstige Herstellung.
- • hohe Auflösung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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