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EINLEITUNG
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Der Gegenstand der Offenbarung betrifft ein LIDAR (Lichtdetektions- und Entfernungsmesssystem) im Chipmaßstab und insbesondere ein Paket und eine Architektur für ein LIDAR im Chipmaßstab.
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LIDAR ist ein Femerfassungsverfahren, das Licht in Form eines gepulsten, frequenz- oder phasenmodulierten Lasers verwendet, um Entfernungen und andere Parameter ausgewählter Objekte zu messen. Zunehmend erfordern die Anwendungen von LIDAR-Systemen verkleinerte Formfaktoren und geringere Gewichte, während sie immer noch zuverlässige Messungen bereitstellen sollen. Daher ist es wünschenswert, ein LIDAR-System bereitzustellen, das leicht und klein ist.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer exemplarischen Ausführungsform wird ein LIDAR (Lichtdetektions- und Entfernungssystem) im Chipmaßstab offenbart. Das System beinhaltet einen photonischen Chip, einen dem photonischen Chip zugeordneten Laser, einen optischen Zirkulator und einen MEMS-Scanner, worin der Laser, der optische Zirkulator und der MEMS-Scanner kollinear sind.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System einen Spiegel, der einen rücklaufenden Lichtstrahl leitet, der durch den optischen Zirkulator zu einem Kantenkoppler geführt wird. Die System das ferner ein Gehäuse mit einer Öffnung umfasst, worin der MEMS-Scanner Licht vom Laser durch die Öffnung leitet. Das Licht vom Laser trifft auf eine reflektierende Fläche des MEMS-Scanners bei einem Winkel ungleich Null auf. Die LIDAR-Plattform beinhaltet ferner der optische Zirkulator auf einer horizontalen Oberfläche platziert ist und der MEMS-Scanner auf einer Oberfläche in einem Winkel ungleich Null zur horizontalen Oberfläche angeordnet ist. Das System beinhaltet ferner eine Leiterplatte zur Steuerung des Betriebs des Lasers und des MEMS-Scanners. Das System beinhaltet ferner einen optischen Frequenzschieber, welcher der Lichtquelle die Frequenz eines lokalen Oszillators zuordnet.
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In einer anderen exemplarischen Ausführungsform wird eine LIDAR-Plattform offenbart. Die LIDAR-Plattform beinhaltet einen photonischen Chip mit einem Laser und einem Kantenkoppler, einem optischen Zirkulator und einem MEMS-Scanner, worin der Laser, der optische Zirkulator und der MEMS-Scanner kollinear sind.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die LIDAR-Plattform einen Spiegel zum Leiten eines rücklaufenden Lichtstrahls, der durch den optischen Zirkulator zum Kantenkoppler des photonischen Chips geführt wird.. Die LIDAR-Plattform beinhaltet ferner ein Gehäuse mit einer Öffnung umfasst, wobei der MEMS-Scanner Licht vom Laser durch die Öffnung lenkt. Das Licht vom Laser trifft auf eine reflektierende Fläche des MEMS-Scanners in einem Winkel ungleich Null auf. Die LIDAR-Plattform beinhaltet ferner der optische Zirkulator auf einer horizontalen Oberfläche platziert ist und der MEMS-Scanner auf einer Oberfläche in einem Winkel ungleich Null zur horizontalen Oberfläche angeordnet ist. Die LIDAR-Plattform beinhaltet ferner eine Leiterplatte zur Steuerung des Betriebs des Lasers und des MEMS-Scanners. Die LIDAR-Plattform beinhaltet ferner einen optischen Frequenzschieber, welcher der Lichtquelle die Frequenz eines lokalen Oszillators zuordnet.
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In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform wird ein optisches Paket für ein LIDAR (Lichtdetektions- und Entfernungsbereich) offenbart. Das optische Paket beinhaltet ein Gehäuse mit einer Öffnung und eine Plattform innerhalb des Gehäuses. Die Plattform beinhaltet einen Laser, der einem photonischen Chip, einem optischen Zirkulator und einem MEMS-Scanner zugeordnet ist, worin die Lichtquelle, der optische Zirkulator und der MEMS-Scanner kollinear sind.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Plattform einen Spiegel zum Leiten eines rücklaufenden Lichtstrahls, der durch den optischen Zirkulator zu einem Kantenkoppler des photonischen Chips geführt wird. Der MEMS-Scanner leitet Licht vom Laser durch die Öffnung. Das Licht vom Laser trifft auf eine reflektierende Fläche des MEMS-Scanners in einem Winkel ungleich Null auf. Die LIDAR-Plattform beinhaltet ferner der optische Zirkulator auf einer horizontalen Oberfläche platziert ist und der MEMS-Scanner auf einer Oberfläche in einem Winkel ungleich Null zur horizontalen Oberfläche angeordnet ist. Das optische Gehäuse beinhaltet ferner eine Leiterplatte zur Steuerung des Betriebs des Lasers und des MEMS-Scanners.
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Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
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Figurenliste
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Andere Eigenschaften, Vorteile und Einzelheiten erscheinen, nur exemplarisch, in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht. Hierbei gilt:
- zeigt eine Draufsicht eines LIDAR-Systems im Chipmaßstabs;
- zeigt eine Seitenansicht des LIDAR-Systems im Chipmaßstab aus ;
- zeigt ein Gehäuse für das LIDAR-System aus ; und
- zeigt eine Seitenansicht eines LIDAR-Systems im Chipmaßstab in einer alternativen Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren Anwendungen oder Einsatzbereichen zu beschränken. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform zeigt eine Draufsicht auf ein LIDAR-System im Chipmaßstab 100. Das LIDAR-System im Chipmaßstab 100 beinhaltet einen photonischen Chip 102, einen optischen Zirkulator 104 und einen mikroelektromechanischen (MEMS-) Scanner 106. Zusätzlich beinhaltet das LIDAR-System 100 eine erste Kollmatorlinse 108, eine zweite Fokussierlinse 110 und einen Drehspiegel 112.
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Der photonische Chip 102 ist ein LIDAR-Chip für abtastfrequenzmodulierte Dauerwellen (FMCW). Der photonische Chip 102 kann in verschiedenen Ausführungsformen ein photonischer Siliziumchip sein. Der photonische Chip 102 beinhaltet einen Laser 120 oder eine andere geeignete Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, einen Kantenkoppler 122 zum Empfangen von einfallendem Licht an dem photonischen Chip 102, einen ersten Wellenleiter 124, einen zweiten Wellenleiter 126, einen multimodalen Interferenz-(MMI)-Koppler oder einen Richtkoppler 128 und Photodetektoren 130. Der Laser 120 kann in den photonischen Chip 102 integriert werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Laser 120 ein Master-Oszillator-Leistungsverstärker (MOPA) Laser mit 1550 Nanometern. Der Laser 120 beinhaltet eine Vorderseite, von der aus ein Lichtstrahl aus dem photonischen Chip 102 ausgesendet wird. Der Laser 120 beinhaltet auch eine Rückseite, von der aus eine kleinere Lichtmenge dem Laser entweicht. Das von der Rückseite des Lasers 120 emittierte Licht wird vom ersten Wellenleiter 124 erfasst, der das erfasste Licht in Richtung Photodetektoren 130 lenkt. Das Licht im ersten Wellenleiter 124 bildet ein Lokaloszillatorsignal (LO-Signal), das mit dem einfallenden Licht verglichen wird, um Entfernungs- und Doppler-Frequenzmessungen zu erhalten. Ein Frequenzschieber 132, der dem ersten Wellenleiter 124 zugeordnet ist, verschiebt die Frequenz des Lokaloszillors, um eine eindeutige Dopplermessung zu ermöglichen. Der zweite Wellenleiter 126 ist mit dem Kantenkoppler 212 verbunden und erfasst Licht, das am Kantenkoppler 122 empfangen wird, und leitet das erfasste Licht zu den Photodetektoren 130. Der MMI- (multimodale Interferenz-) oder Richtkoppler 128 stellt eine optische Mischung aus dem Licht im ersten Wellenleiter 124 und dem Licht im zweiten Wellenleiter 126 an einer Stelle vor den Photodetektoren 130 bereit. Somit durchläuft Licht im ersten Wellenleiter 124 und Licht im zweiten Wellenleiter 126 den MMI- oder den Richtkoppler 128, bevor es von den Photodetektoren 130 empfangen wird.
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Der Laser 120 überträgt einen ersten Lichtstrahl 115, der durch die erste Kollimatorlinse 108 und den optischen Zirkulator 104 hindurchgeht und auf eine reflektierende Fläche 106a des MEMS-Scanners 106 auftrifft. Der erste Lichtstrahl 115 ist ein divergierender Strahl, wenn er den Laser 120 verlässt. Die erste Kollimatorlinse 108 ändert die Divergenz des ersten Lichtstrahls 115 und erzeugt einen kollimierten Lichtstrahl. Der erste Lichtstrahl 115 durchläuft dann den optischen Zirkulator 104 und trifft auf die reflektierende Fläche 106a auf. In verschiedenen Ausführungsformen ist der optische Pfad des Lichts vom Laser 120 zur reflektierenden Fläche 106a eine gerade oder im Wesentlichen gerade Linie. Mit anderen Worten sind der Laser 120, die Kollimatorlinse 108, der optische Zirkulator 104 und die reflektierende Fläche 106a im Wesentlichen kollinear.
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Ein zweiter Lichtstrahl 117, der vom MEMS-Scanner 106 zurückkehrt, durchläuft den optischen Zirkulator 104, der den optischen Pfad des zweiten Lichtstrahls 117 umlenkt. Der Spiegel 112 empfängt den zweiten Lichtstrahl 117 vom optischen Zirkulator 104 und leitet den zweiten Lichtstrahl 117 in Richtung des Kantenkopplers 122 des photonischen Chips 102. Die Fokussierlinse 110 veranlasst den zweiten Lichtstrahl 117, auf den Kantenkoppler 122 zu konvergieren und in den photonischen Chip 102 einzutreten. Der Kantenkoppler 122 befindet sich in einer ausgewählten Entfernung vom Laser 120.
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zeigt eine Seitenansicht des LIDAR-System im Chipmaßstab 100. Eine Plattform des LIDAR-Systems 100 ist so konfiguriert, dass sie eine ausgewählte Architektur für die Elemente des LIDAR-Systems 100 aufnimmt. Eine LIDAR-Integrationsplattform 202 beinhaltet eine Oberfläche 204 und eine Aussparung 206. Der photonische Chip 102 ist an der Oberfläche 204 der LIDAR-Integrationsplattform 202 befestigt. In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Seite des photonischen Chips 102 mit dem Laser 120 und dem Kantenkoppler 122 koplanar zu einer Wand 207 der Aussparung 206. Eine optische Unterhalterung 208 ist in der Auwssparung 206 ausgebildet oder in diese eingesetzt. Die optische Unterhalterung 208 trägt die Freiraumoptik des LIDAR-Systems 100, wie beispielsweise den optischen Zirkulator 104, den MEMS-Scanner 106, die Kollimartorlinse 108, die Fokussierlinse 110 und den Spiegel 112. Die optische Unterhalterung 208 beinhaltet eine Konfiguration aus Trägerflächen 210, 212, 214, die einen geraden oder im Wesentlichen geraden Weg für den ersten Lichtstrahl 115 ermöglichen, sobald die optische Unterhalterung 208 in die Aussparung 206 der LIDAR-Integrationsplattform 202 eingesetzt wurde. Die Kollimatorlinse 108 und die Fokussierlinse 110 sind auf der ersten Trägerfläche 210 und der optische Zirkulator 104 auf der zweiten Trägerfläche 212 angeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen ist die zweite Trägerfläche 212 niedriger als die erste Trägerfläche 210 und die erste Trägerfläche 210 ist niedriger als die Oberfläche 204 der LIDAR-Integrationsplattform 202, wie in dargestellt. Die Konfiguration der Trägerflächen 204, 210 und 212 ermöglicht eine Ausrichtung des Lasers 102, der ersten Kollisionslinse 108 und des optischen Zirkulators 104, um es dem ersten Lichtstrahl 115 zu ermöglichen, diese Elemente in einer im Wesentlichen geraden Linie durchzulassen.
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Die optische Unterhalterung 208 beinhaltet ferner eine dritte Trägerfläche 214, di8e den MEMS-Scanner 106 trägt. Die dritte Tragefläche ist in einem Winkel zur ersten Trägerfläche 210 und/oder zweiten Trägerfläche 212 angeordnet. Der Winkel der dritten Trägerfläche wird so ausgewählt, dass der erste Lichtstrahl 115 von dem MEMS-Scanner durch einen ausgewählten festen Winkel reflektiert wird. Außerdem ist der Winkel so gewählt, dass ein ankommender zweiter Lichtstrahl 117 am MEMS-Scanner 106 in den optischen Zirkulator 104 reflektiert wird. Der MEMS-Scanner 106 kann ein zweidimensionaler MEMS-Scanner sein. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der MEMS-Scanner 106 resonante schnelle und quasi-statische langsame Achsen mit Winkelbereichen, die sich jeweils über +/-50° und +/-20° erstrecken. In verschiedenen Ausführungsformen steuert der MEMS-Scanner 106 die Lenkung der Übertragung des ersten Lichtstrahls 115 vom Laser 102 zu einem Objekt und auch die Steuerung eines zweiten Lichtstrahls 117, der von dem Objekt ankommt.
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Die LIDAR-Integrationsplattform 202 ist an einer LIDAR-Nachdetektions-Elektronikleiterplatte (PCB) 220 angebracht. In verschiedenen Ausführungsformen ist die LIDAR-Integrationsplattform auf der Oberseite der Leiterplatte 220 befestigt. Die Leiterplatte 220 beinhaltet verschiedene Schaltungen für den Betrieb der Elektronik des LIDAR-Systems 100. So beinhaltet beispielsweise die Leiterplatte 220 eine Laser-Treiberschaltung 222 für den Betrieb des Lasers 120, eine Photoerfassungsschaltung 224 zum Auslesen und Verarbeiten von Daten aus den Photodetektoren 130 und einen MEMS-Scanner-Treiber 226 zur Ansteuerung von Betrieb und Winkelabweichung der reflektierenden Oberfläche 106a des MEMS-Scanners 106. Die Photoerfassungsschaltung 224 kann Licht verwenden, das an den Photodetektoren 130 empfangen wird, um den Bereich und die Geschwindigkeit eines Objekts in Bezug auf das LIDAR-System 100 aus Unterschieden zwischen den optischen Frequenzen des abgehenden Lichtstrahls 115 und des ankommenden Lichtstrahls 117 zu bestimmen.
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veranschaulicht ein Paket 300 mit einem LIDAR-System 100. Das Paket 300 beinhaltet ein Gehäuse 302 mit einer Öffnung 304. Das LIDAR-System 100 ist im Gehäuse 302 platziert, sodass der abgehende Strahl, der von der reflektierenden Fläche 106a des MEMS-Scanners 106 reflektiert wird, und der einfallende Lichtstrahl durch die Öffnung 304 hindurchgehen. Die Öffnung 304 kann ein Glasfenster oder optisch transparente Material beinhalten. Das Gehäuse 302 beinhaltet Innenhalterungen 308 zur Befestigung des LIDAR-Systems 100 am Gehäuse 302 und Außenhalterungen 310 zur Sicherung des Pakets 300 an einem Gegenstand, wie beispielsweise einem Fahrzeug.
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veranschaulicht eine Seitenansicht für ein LIDAR-System im Chipmaßstab 100 in einer alternativen Ausführungsform 400. Die Plattform beinhaltet ein optoelektronisches Paket 402 und eine Leiterplatte 404. Das optoelektronische Paket 402 beinhaltet eine erste Oberfläche 406 und eine zweite Oberfläche 408, wobei die zweite Oberfläche 408 zur ersten Oberfläche 406 versetzt und niedriger als die erste Oberfläche 406 ist, wie in dargestellt. Die erste Oberfläche 406 trägt den photonischen Chip 102 und einen zugehörigen Laser 120. Der zugehörige Laser 120 kann ein integrierter Laser oder ein Chip-Laser sein oder kann vom photonischen Chip 102 getrennt sein. Die zweite Oberfläche 408 trägt den optischen Zirkulator 104, die Kollimarorlinse 108 und die Fokussierlinse 110 sowie einen MEMS-Träger 410. Der MEMS-Träger 410 stellt eine Oberfläche 412 in einem Winkel zum Weg des Lichtstrahls bereit, der vom Laser 120 durch den optischen Zirkulator 140 verläuft. Der MEMS-Scanner 106 wird an der Fläche befestigt, um Licht von dem Laser 120 in einem Winkel ungleich Null zu der reflektierenden Fläche 106a zu empfangen. Das Licht von der reflektierenden Oberfläche 106a durchläuft die Öffnung 304 von . Das optoelektronische Paket 402 ist auf der Leiterplatte 404 befestigt. Die Leiterplatte 404 beinhaltet die verschiedenen Schaltungen für den Betrieb des LIDAR-Systems 100, wie beispielsweise die Lasertreiberschaltung, eine Photonenerfassungsschaltung, einen MEMS-Scanner-Treiber usw.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann das LIDAR-System 100 mit einem Fahrzeug assoziiert sein und das Objekt 110 kann ein beliebiges Objekt außerhalb des Fahrzeugs sein, wie etwa ein anderes Fahrzeug, ein Fußgänger, ein Telefonmast, etc. Das LIDAR-System 100 bestimmt Parameter, wie beispielsweise Entfernung und Dopplergeschwindigkeit in Abhängigkeit von Azimut und Elevation des Objekts 110, und das Fahrzeug verwendet diese Parameter, um in Bezug auf das Objekt 110 zu navigieren und eine Berührung des Objekts 110 zu vermeiden.
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Während die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll, sondern dass sie auch alle Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der Anmeldung fallen.
