DE102019135753B3 - Optische Scanvorrichtung, Verwendung derselben und LIDAR-System - Google Patents

Optische Scanvorrichtung, Verwendung derselben und LIDAR-System Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Scanvorrichtung zum Abscannen eines Objekts durch scannende Strahlablenkung eines Lichtstrahls, mit einer spektral durchstimmbaren Lichtquellen-Einheit (100, 200) zum Aussenden wenigstens eines Lichtstrahls (101, 201) mit zeitlich variierender Wellenlänge, einer dispersiven Einheit, welche eine AWG-Anordnung (130, 230, 430, 530) mit einer Mehrzahl von AWG's (130a, 130b,...; 230a, 230b,...; 430a, 430b,...; 530a, 530b,...) aufweist, wobei jedes dieser AWG's eine Mehrzahl von AWG-Wellenleitern sukzessive zunehmender Länge und einen im Lichtweg nachfolgenden Freistrahlbereich aufweist, wobei eine Einkopplung des von der Lichtquellen-Einheit erzeugten Lichts in die AWG-Anordnung als Einkopplung von Teilpupillen, welche jeweils den AWG's der AWG-Anordnung zugeordnet sind, erfolgt, wobei in jedes der AWG's der AWG-Anordnung eintretendes Licht bei spektraler Durchstimmung der Lichtquelle am Ende des Freistrahlbereichs wellenlängenabhängig unter unterschiedlichen Winkeln konstruktiv interferiert, und wobei die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's der AWG-Anordnung, zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz der den einzelnen AWG's zugeordneten Teilpupillen am Ende des Freistrahlbereichs, phasenangepasst erfolgt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine optische Scanvorrichtung zum Abscannen eines Objekts durch scannende Strahlablenkung eines Lichtstrahls. Die Scanvorrichtung kann insbesondere zur scannenden Strahlablenkung bei der Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines oder mehrerer räumlich ausgedehnter dreidimensionaler Objekte verwendet werden.
  • Stand der Technik
  • Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein kontinuierlich in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.
  • 6a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle 60 ausgesandtes Signal 61 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 67 gekoppelt und an einem Detektor 68 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 63 ohne Reflexion an dem mit „66“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 67 und zum Detektor 68 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 67 bzw. am Detektor 68 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 62 über einen optischen Zirkulator 64 und eine Scanvorrichtung 65 zum Objekt 66, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 63 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 67 und zum Detektor 68.
  • Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 68 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 60 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 6b dargestellte Differenzfrequenz 69 zwischen Messsignal 62 und Referenzsignal 63 charakteristisch für den Abstand des Objekts 66 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 60 ist. Gemäß 6b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 66 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 60 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 60 ausgesandten Signals 61 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 60 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
  • In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren. Dabei ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung weiter wünschenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren.
  • Ein möglicher Ansatz bei der o.g. optischen Abstandsmessung beinhaltet die Ausgestaltung der Scanvorrichtung 65 unter Verwendung eines dispersiven optischen Elements z.B. in Form eines AWG (= „Arrayed Waveguide Grating“= „Wellenleiterstruktur-Array“). Mit einer solchen dispersiven Einheit können die im von der Lichtquelle 60 ausgesandten Licht vorhandenen, unterschiedliche Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen räumlich getrennt und mit unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt 66 gelenkt werden, wobei z.B. durch Kombination eines AWG mit einem zusätzlichen Gitter auch eine zweidimensionale Strahlablenkung durchführbar ist.
  • Die Ansicht von 7 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Aufbau eines einzelnen AWG, welchem über einen Eingangslichtleiter 701 elektromagnetische Strahlung mit zeitlich variierender Frequenz von einer (in 7 nicht dargestellten) Lichtquelle zugeführt wird. Die Strahlung tritt über einen ersten Freistrahlbereich 702 in die AWG-Wellenleiter 703 unterschiedlicher Länge ein und interferiert am Ende eines zweiten Freistrahlbereichs 704 aufgrund der in den Wellenleitern 703 bewirkten unterschiedlichen Phasenverzögerungen konstruktiv an unterschiedlichen Orten. Entsprechend der spektralen Auflösung des AWG's wird somit am Ausgang eine Vielzahl von Ausgangskanälen bereitgestellt.
  • Dabei besteht je nach Anwendung der Bedarf nach Realisierung eines möglichst großen Sichtfeldes (FoV = Field of View“), welches ortsaufgelöst von dem jeweiligen Messstrahl „abzurastern“ ist. So erfordert beispielsweise der Einsatz im Straßenverkehr eine zweidimensionale Ortsauflösung (senkrecht zur Messstrahlrichtung) von N * M Messpunkten bzw. Pixeln, wobei N und M jeweils vorzugsweise größer als 100 sein sollten.
  • Die Realisierung der Scanvorrichtung unter Verwendung eines dispersiven optischen Elements in Form eines AWGs erweist sich in der Praxis als problematisch, wenn ein vergleichsweise großer Durchmesser des von der durchstimmbaren Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls (beispielsweise größenordnungsmäßig 10mm-20mm) gefordert ist, um etwa bei Objektabständen von 100-200m oder mehr eine zu große Strahldivergenz und eine damit einhergehende entfernungsabhängige Variation des Strahldurchmessers zu vermeiden.
  • In einem solchen Szenario ist eine dispersive Strahlablenkung über ein einziges AWG mit entsprechend großer Abmessung wegen der mit wachsendem AWG-Durchmesser steigenden Länge der benötigten Verzögerungsstrecken bzw. AWG-Wellenleiter technologisch schwierig zu realisieren, was insbesondere neben Bauraumaspekten auch durch Absorptionsverluste sowie Phasenverluste bedingt ist.
  • Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf K. Van Acoleyen et al.: „Two-Dimensional Dispersive Off-Chip Beam Scanner Fabricated on Silicon-On-Insulator", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, No. 17, September 1, 2011, 1270-1272, verwiesen.
  • Aus der nachveröffentlichten DE 10 2018 117 792 A1 ist eine Scanvorrichtung mit allen Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Scanvorrichtung bereitzustellen, welche einen dispersiven Scanvorgang über ein möglichst großes Sichtfeld unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße optische Scanvorrichtung zum Abscannen eines Objekts durch scannende Strahlablenkung eines Lichtstrahls weist auf:
    • - eine spektral durchstimmbare Lichtquellen-Einheit zum Aussenden wenigstens eines Lichtstrahls mit zeitlich variierender Wellenlänge;
    • - eine dispersive Einheit, welche eine AWG-Anordnung mit einer Mehrzahl von AWG's aufweist, wobei jedes dieser AWG's eine Mehrzahl von AWG-Wellenleitern sukzessive zunehmender Länge und einen im Lichtweg nachfolgenden Freistrahlbereich aufweist;
    • - wobei eine Einkopplung des von der Lichtquellen-Einheit erzeugten Lichts in die AWG-Anordnung als Einkopplung von Teilpupillen, welche jeweils den AWG's der AWG-Anordnung zugeordnet sind, erfolgt;
    • - wobei in jedes der AWG's der AWG-Anordnung eintretendes Licht bei spektraler Durchstimmung der Lichtquelle am Ende des Freistrahlbereichs wellenlängenabhängig unter unterschiedlichen Winkeln konstruktiv interferiert; und
    • - wobei die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's der AWG-Anordnung, zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz der den einzelnen AWG's zugeordneten Teilpupillen am Ende des Freistrahlbereichs, phasenangepasst erfolgt.
  • Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, bei der dispersiven Strahlablenkung in einer optischen Scanvorrichtung zur Überwindung der o.g., mit zunehmender bereitzustellender Strahlablenkung einhergehenden technologischen Probleme eine Unterteilung in eine Mehrzahl von Teilpupillen vorzunehmen und dabei zugleich eine konstruktive Überlagerung der zugehörigen Wellenfronten durch phasengleichen Anschluss der entsprechenden Teilpupillen sicherzustellen.
  • Mit anderen Worten beinhaltet die vorliegende Erfindung insbesondere das Konzept, in einer optischen Scanvorrichtung beim Einsatz einer dispersiven Einheit, welche eine AWG-Anordnung mit einer Mehrzahl von AWG's aufweist, bei einer Beaufschlagung dieser AWG-Anordnung mit Licht über den einzelnen AWG's zugeordnete Teilpupillen für eine phasenrichtige, konstruktive Interferenz dieser Teilpupillen durch Sicherstellung eines phasenrichtigen Anschlusses der Teilpupillen Sorge zu tragen.
  • Im Rahmen dieses erfindungsgemäßen Konzepts wird dabei die dispersive Einheit als AWG-Anordnung aus einer Mehrzahl von AWG's aufgebaut, wobei jedes einzelne dieser AWG's nur einen Bruchteil des insgesamt durch die AWG-Anordnung zu erzeugenden Phasenhubs bereitstellen muss und damit hinsichtlich der Abmessungen seiner AWG-Wellenleiter unter Vermeidung der eingangs beschriebenen technologischen Probleme entsprechend begrenzt werden kann.
  • Die Realisierung des phasenrichtigen Anschlusses der Teilpupillen bzw. Sicherstellung deren konstruktiver Interferenz kann im Rahmen der Erfindung wie im Weiteren detaillierter beschrieben auf unterschiedliche Weise erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die optische Scanvorrichtung einen Strahlteiler zum Aufteilen des wenigstens einen Lichtstrahls in die Mehrzahl von Teilpupillen auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's über eine Mehrzahl individuell ansteuerbarer Phasenschieber.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist jedem der AWG's wenigstens ein Phasenschieber zur Phasenanpassung bis auf ein ganzzahliges Vielfaches von 2π zugeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die spektral durchstimmbare Lichtquellen-Einheit zum simultanen Aussenden von Licht unterschiedlicher Wellenlängen ausgelegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist jedem der AWG's eine Mehrzahl von Phasenschiebern zur wellenlängenabhängigen Phasenanpassung zugeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist jedem der AWG's eine im Lichtweg vor den Phasenschiebern befindliche Demultiplex-Einheit zur Aufteilung des Lichts entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen und eine im Lichtweg nach den Phasenschiebern befindliche Multiplex-Einheit zur Zusammenführung des Lichts entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen zugeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's über eine Anordnung von Verzögerungsstrecken unterschiedlicher Länge.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist diese Anordnung von Verzögerungsstrecken eine Wellenleiteranordnung aus einer Mehrzahl von Wellenleitern auf, welche aus einem von dem Material der AWG-Wellenleiter verschiedenen Material hergestellt sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Material der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung eine geringere Brechzahl auf als das Material der AWG-Wellenleiter.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Material der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung Quarzglas (SiO2) auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Material der AWG-Wellenleiter aus der Gruppe ausgewählt, welche Silizium (Si), Siliziumnitrid (Si3N4) und Indiumphosphid (InP) enthält.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquellen-Einheit eine Mehrzahl von Lichtquellen auf, wobei jedem der AWG's eine Lichtquelle mit individuell ansteuerbarer Phase zugeordnet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquellen-Einheit eine Mehrzahl modengekoppelter Laser auf, wobei jedem dieser Laser jeweils eine Phasenregelschleife zur Regelung der optischen Phase (OPLL) zugeordnet ist.
  • Die Erfindung betrifft weiter auch die Verwendung einer optischen Scanvorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen in einem LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts.
  • Die Erfindung betrifft weiter auch ein LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts mit einer optischen Scaneinrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen.
  • Das erfindungsgemäße Konzept kann vorteilhaft auch in einem LIDAR-System realisiert werden, in welchem die Lichtquellen-Einheit im Sinne einer Parallelisierung des Scanvorganges simultan mehrere Wellenlängen erzeugt, um auf diese Weise ein möglichst großes Sichtfeld (FoV) mit möglichst hoher Scangeschwindigkeit abzuscannen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1-3 schematische Darstellungen zur Erläuterung möglicher Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Einsatz individuell einstellbarer Phasenschieber;
    • 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Einsatz einer Anordnung von Verzögerungsstrecken unterschiedlicher Länge;
    • 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mit Einsatz einer Mehrzahl von Lichtquellen individuell ansteuerbarer Phase;
    • 6a-6b schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung; und
    • 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung zur Erläuterung des Aufbaus eines AWG.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Den im weiteren beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass eine in einer optischen Scanvorrichtung zur wellenlängenabhängigen Strahlablenkung vorhandene AWG-Anordnung zum einen über eine den einzelnen AWG's dieser AWG-Anordnung zugeordnete Teilpupillen mit Licht der Lichtquellen-Einheit beaufschlagt wird, so dass jedes einzelne der AWG's nur einen entsprechenden Bruchteil des insgesamt für die dispersive Strahlablenkung bereitzustellenden Phasenhubs erzeugen muss. Zugleich wird jeweils durch geeignete Maßnahmen ein phasenrichtiger Anschluss der besagten Teilpupillen zur Sicherstellung einer konstruktiven Interferenz am Ende des auf die AWG-Anordnung im Lichtweg folgenden Freistrahlbereichs gewährleistet.
  • Hinsichtlich der Sicherstellung dieses phasenrichtigen Anschlusses der Teilpupillen werden im Weiteren unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben. Dabei umfasst die Erfindung zum einen Ausführungsformen, bei denen den einzelnen AWG's der AWG-Anordnung jeweils ein oder mehrere individuell einstellbare Phasenschieber zur Sicherstellung des phasenrichtigen Anschlusses der Teilpupillen vorgeschaltet werden. Des Weiteren umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen, bei denen jedem einzelnen AWG der AWG-Anordnung zur Sicherstellung des phasenrichtigen Anschlusses zwischen den Teilpupillen jeweils individuell eine geeignete optische Weglänge vorgeschaltet wird, indem die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's über eine Anordnung von Verzögerungsstrecken unterschiedlicher Länge erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtquellen-Einheit auch eine Mehrzahl von Lichtquellen aufweisen, wobei jedem der AWG's eine Lichtquelle mit individuell ansteuerbarer Phase zugeordnet ist.
  • Gemäß 1-3 kann insbesondere der besagte phasenrichtige Anschluss der Teilpupillen durch Einsatz individuell einstellbarer Phasenschieber erfolgen. Zur Erläuterung zeigt 1 zunächst ein Diagramm, in welchem ein lediglich beispielhafter Verlauf des Phasenhubs (angegeben in Radiant, rad) über die Pupillenkoordinate (angegeben in Metern) aufgetragen ist. Die kontinuierlich ansteigende Gerade „A“ gibt hier einen gewünschten, durch die dispersive Einheit bzw. AWG-Anordnung bereitzustellenden Phasenhub an. Durch Unterteilung in eine Mehrzahl von den einzelnen AWG's einer AWG-Anordnung jeweils zugeordnete Teilpupillen macht sich nun die Erfindung gemäß dieser Ausführungsform den Umstand zunutze, dass ein phasenrichtiger Anschluss zwischen den betreffenden Teilpupillen nur bis nur auf ein ganzzahliges Vielfaches von 2π (also „modulo 2π“) zu erfolgen braucht.
  • Somit kann - wie durch die sägezahnförmige Kurve „B“ in 1 dargestellt - bei Aufteilung in eine Mehrzahl von (in 1 lediglich beispielhaft sechzehn) Teilpupillen der besagte phasenrichtige Anschluss zwischen den Teilpupillen durch jeweils individuell einstellbare Phasenschieber erfolgen, von denen jeder einzelne nur zur Einstellung einer Phasenschiebung mit einem Wert zwischen Null und 2π in der Lage zu sein braucht. Dabei verläuft jedes einzelne Segment der sägezahnförmigen Kurve „B“ in 1 in einem Abstand von der kontinuierlich ansteigenden Gerade „A“, welcher einem ganzzahligen Vielfachen von 2π entspricht, und besitzt die gleiche Steigung wie diese kontinuierlich ansteigende Gerade „A“.
  • 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung des prinzipiellen möglichen Aufbaus, wobei gemäß 2 der Einfachheit halber die Aufteilung des von einer spektral durchstimmbaren Lichtquellen-Einheit 100 ausgesandten Lichtstrahls 101 über einen Strahlteiler 110 in nur zwei Teilpupillen bzw. Teilstrahlen 111a, 111b dargestellt ist. Jeder dieser Teilpupillen ist jeweils ein AWG 130a, 130b,... einer AWG-Anordnung 130 zugeordnet, wobei die Einkopplung der jeweiligen Teilpupille bzw. des jeweiligen Teilstrahls 111a, 111b gemäß 2 über jeweils einen individuell ansteuerbaren Phasenschieber 120a, 120b,... einer Phasenschieber-Anordnung 120 erfolgt.
  • Beim Durchstimmen der Wellenlänge der Lichtquellen-Einheit 100 wird nun gemäß 2 über jeden der individuell einstellbaren Phasenschieber 120a, 120b, ... der Phasenunterschied wellenlängenabhängig so angepasst, dass die entsprechend phasenangepassten Teilpupillen bzw. Teilstrahlen 121a, 121b,... am Ende des Freistrahlbereichs der AWG-Anordnung 130 konstruktiv interferieren.
  • Bezeichnet ΔL den festen Längenunterschied zwischen benachbarten AWG-Wellenleitern ein- und desselben AWG's 130a, 130b,... der AWG-Anordnung 130, so muss für einen fest eingestellten Sprung nach einer Anzahl von m Verzögerungsstrecken bzw. AWG-Wellenleitern in der AWG-Anordnung 130 die folgende Bedingung erfüllt sein, damit ein sprungfreier Phasenanschluss gegeben ist: Δ L * m / λ ∈ { 1,2,3, … }
    Figure DE102019135753B3_0001
  • Dabei bezeichnet „m“ die Anzahl der Verzögerungsstrecken in einem einzelnen der AWG's 130a, 130b,... der AWG-Anordnung 130. Bei Ausbreitung in einem optisch brechenden Medium mit der Brechzahl n und Berücksichtigung der Dispersion n(λ) lautet die Bedingung für sprungfreien Phasenanschluss: Δ L * n ( λ ) * m / λ ∈ { 1,2,3, … }
    Figure DE102019135753B3_0002
  • Für den durch die Phasenschieber 120a, 120b,... zum phasenrichtigen Anschluss zwischen den Teilpupillen jeweils einzustellenden Phasenhub Δφ gilt: Δ φ = 2 π * Δ L * n ( λ ) * m / λ   m o d u l o   2 π
    Figure DE102019135753B3_0003
  • Wie aus der Bedingung gemäß Gleichung (3) ersichtlich ist, muss beim Durchstimmen der Wellenlänge der Lichtquellen-Einheit 100 der Phasenhub wellenlängenabhängig angepasst werden.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 2 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß 3 wird davon ausgegangen, dass die Lichtquellen-Einheit 200 im Sinne einer Parallelisierung des Scanvorgangs simultan mehrere Wellenlängen erzeugt. Da die o.g. von den einzelnen Phasenschiebern einzuhaltende Bedingung (3) nicht zugleich für mehrere Wellenlängen erfüllt ist, hat die Phasenschiebung für jede Wellenlänge in unterschiedlicher Weise zu erfolgen.
  • Hierzu weist die Anordnung gemäß 3 eine Demultiplex-Anordnung aus Demultiplexern 250a, 250b,... und eine Multiplex-Einheit aus Multiplexern 260a, 260b,... auf, wobei jeder der Teilpupillen bzw. jedem Teilstrahl 211a, 211b, ... jeweils ein Demultiplexer und ein Multiplexer zugeordnet ist, um das Licht entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen zunächst aufzuteilen und dann wieder zusammenzuführen, und wobei vor der Zusammenführung die entsprechende wellenlängenabhängige individuelle Phasenschiebung über Phasenschieber 220a-1, 220a-2, 220b-1, 220b-2,... realisiert wird.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Gemäß 4 wird im Unterschied zu 1-3 jedem einzelnen AWG 430a, 430b,... einer AWG-Anordnung 430 zur Sicherstellung des phasenrichtigen Anschlusses zwischen den Teilpupillen jeweils individuell eine geeignete Weglänge vorgeschaltet. Hierzu erfolgt die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's 430a, 430b,... über Verzögerungsstrecken unterschiedlicher Länge, wobei diese Verzögerungsstrecken durch eine Wellenleiteranordnung 420 aus Wellenleitern 420a, 420b,... realisiert ist. In Ausführungsformen der Erfindung können die Wellenleiter 420a, 420b,... und die jeweils zugeordneten AWG's 430a, 430b,... ferner mit identischer Dispersion ausgestaltet sein.
  • Vorzugsweise sind die Wellenleiter 420a, 420b,... der Wellenleiteranordnung 420 aus einem von dem Material der AWG-Wellenleiter verschiedenen Material hergestellt, wobei das Material der Wellenleiter 420a, 420b,... der Wellenleiteranordnung 420 eine geringere Brechzahl als das Material der AWG-Wellenleiter aufweist. Beispielsweise können die Wellenleiter 420a, 420b,... der Wellenleiteranordnung 420 aus Quarzglas (SiO2) hergestellt sein, wohingegen das Material der AWG-Wellenleiter aus der Gruppe ausgewählt sein kann, welche Silizium (Si), Siliziumnitrid (Si3N4) und Indiumphosphid (InP) enthält. Mit „425“ ist ein 4 eine Anordnung von Modenkonvertern zur Kopplung der Wellenleiter 420a, 420b,... von vergleichsweise geringer Brechzahl an die AWG-Wellenleiter von vergleichsweise höherer Brechzahl bezeichnet.
  • Die Wellenleiteranordnung 420 einerseits und die AWG-Wellenleiter andererseits können mit voneinander verschiedenen Verfahren hergestellt sein. Insbesondere kann die Wellenleiteranordnung 420 nicht-lithographisch, weiter insbesondere mit optischer Fasertechnik oder PLC-Technik, gefertigt sein, wohingegen die AWG-Wellenleiter lithographisch gefertigt sind. Die Wellenleiter 420a, 420b,... der Wellenleiteranordnung 420 können beispielhaft eine Länge von mehr als 1 Meter aufweisen, wohingegen die AWG-Wellenleiter eine Länge von weniger als 50 Millimeter (mm), insbesondere weniger als 30 Millimeter (mm), aufweisen können.
  • Die vorstehend genannten Ausgestaltungen der Wellenleiteranordnung 420 einerseits und die AWG-Wellenleiter andererseits sind insofern vorteilhaft, als die relativ langen Wellenlängenleiter Wellenleiter 420a, 420b,... der Wellenleiteranordnung 420 herstellungsbedingt (etwas aufgrund der Fertigung mit optischer Fasertechnik) eine Signalübertragung mit vergleichsweise geringem Phasenrauschen ermöglichen, wohingegen das vergleichsweise größere und durch das lithographische Herstellungsverfahren bedingte Phasenrauschen der AWG-Wellenleiter durch die geringe Länge dieser AWG-Wellenleiter auf ein akzeptables Ausmaß begrenzt wird.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Gemäß 5 wird im Unterschied zu den Ausführungsformen von 1-3 und 4 jedem AWG der AWG-Anordnung zur Sicherstellung des phasenrichtigen Anschlusses zwischen den Teilpupillen eine Lichtquelle (aus einer in der Lichtquellen-Einheit vorgesehenen Mehrzahl von Lichtquellen) mit individuell ansteuerbarer Phase zugeordnet ist. Hierzu ist gemäß 5 jedem einzelnen von einer Mehrzahl modengekoppelter Laser 521a, 521b,... jeweils eine Phasenregelschleife zur Regelung der optischen Phase (engl.: OPLL= „optical phase locked loop“) 520a, 520b,... zugeordnet. Effektiv wird bei der Ausführungsform von 5 zur Ansteuerung der einzelnen AWG`s der AWG-Anordnung der phasenrichtige Anschluss zwischen den Teilpupillen auf Seiten der modengekoppelten Laser 521a, 521b,... bzw. durch die zur deren Ansteuerung verwendete Phasenregelschleifen (OPLL) realisiert.
  • Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims (17)

  1. Optische Scanvorrichtung zum Abscannen eines Objekts durch scannende Strahlablenkung eines Lichtstrahls, mit • einer spektral durchstimmbaren Lichtquellen-Einheit (100, 200) zum Aussenden wenigstens eines Lichtstrahls (101, 201) mit zeitlich variierender Wellenlänge; • einer dispersiven Einheit, welche eine AWG-Anordnung (130, 230, 430, 530) mit einer Mehrzahl von AWG's (130a, 130b,...; 230a, 230b,...; 430a, 430b, ...; 530a, 530b, ...) aufweist, wobei jedes dieser AWG's eine Mehrzahl von AWG-Wellenleitern sukzessive zunehmender Länge und einen im Lichtweg nachfolgenden Freistrahlbereich aufweist; • wobei eine Einkopplung des von der Lichtquellen-Einheit erzeugten Lichts in die AWG-Anordnung (130, 230, 430, 530) als Einkopplung von Teilpupillen, welche jeweils den AWG's (130a, 130b,...; 230a, 230b, ...; 430a, 430b, ...; 530a, 530b, ...) der AWG-Anordnung (130, 230, 430, 530) zugeordnet sind, erfolgt; • wobei in jedes der AWG's der AWG-Anordnung eintretendes Licht bei spektraler Durchstimmung der Lichtquellen-Einheit am Ende des Freistrahlbereichs wellenlängenabhängig unter unterschiedlichen Winkeln konstruktiv interferiert; und • wobei die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's der AWG-Anordnung, zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz der den einzelnen AWG's zugeordneten Teilpupillen am Ende des Freistrahlbereichs, phasenangepasst erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die AWG-Wellenleiter lithographisch gefertigt sind.
  2. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Strahlteiler (110, 210) zum Aufteilen des wenigstens einen Lichtstrahls (101, 201) in die Mehrzahl von Teilpupillen aufweist.
  3. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's (130a, 130b,...; 230a, 230b,...) über eine Mehrzahl individuell ansteuerbarer Phasenschieber (120a, 120b,...; 220a-1, 220a-2, 220b-1, 220b-2,...) erfolgt.
  4. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der AWG's wenigstens ein Phasenschieber (120a, 120b,...; 220a-1, 220a-2, 220b-1, 220b-2,...) zur Phasenanpassung bis auf ein ganzzahliges Vielfaches von 2π zugeordnet ist.
  5. Optische Scanvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral durchstimmbare Lichtquellen-Einheit (200) zum simultanen Aussenden von Licht unterschiedlicher Wellenlängen ausgelegt ist.
  6. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der AWG's eine Mehrzahl von Phasenschiebern (220a-1, 220a-2, 220b-1, 220b-2,...) zur wellenlängenabhängigen Phasenanpassung bis auf ein ganzzahliges Vielfaches von 2π zugeordnet ist.
  7. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der AWG's eine im Lichtweg vor den Phasenschiebern (220a-1, 220a-2, 220b-1, 220b-2,...) befindliche Demultiplex-Einheit (250a, 250b,...) zur Aufteilung des Lichts entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen und eine im Lichtweg nach den Phasenschiebern (220a-1, 220a-2, 220b-1, 220b-2,...) befindliche Multiplex-Einheit (260a, 260b,...) zur Zusammenführung des Lichts entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen zugeordnet ist.
  8. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung der Teilpupillen in die AWG's (430a, 430b,...) über eine Anordnung von Verzögerungsstrecken unterschiedlicher Länge erfolgt.
  9. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Anordnung von Verzögerungsstrecken eine Wellenleiteranordnung (420) aus einer Mehrzahl von Wellenleitern (420a, 420b,...) aufweist, welche aus einem von dem Material der AWG-Wellenleiter verschiedenen Material hergestellt sind.
  10. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wellenleiter (420a, 420b,...) der Wellenleiteranordnung (420) eine geringere Brechzahl aufweist als das Material der AWG-Wellenleiter.
  11. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung Quarzglas (SiO2) aufweist.
  12. Optische Scanvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der AWG-Wellenleiter aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Silizium (Si), Siliziumnitrid (Si3N4) und Indiumphosphid (InP) enthält.
  13. Optische Scanvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiteranordnung (420) nicht-lithographisch, insbesondere mit optischer Fasertechnik oder PLC-Technik, gefertigt ist.
  14. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen-Einheit eine Mehrzahl von Lichtquellen aufweist, wobei jedem der AWG's (530a, 530b,...) der AWG-Anordnung (530) eine Lichtquelle mit individuell ansteuerbarer Phase zugeordnet ist.
  15. Optische Scanvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen-Einheit eine Mehrzahl modengekoppelter Laser (521a, 521b,...) aufweist, wobei jedem dieser Laser (521a, 521b,...) jeweils eine Phasenregelschleife zur individuellen Regelung der optischen Phase (OPLL) (520a, 520b,...) zugeordnet ist.
  16. Verwendung einer optischen Scanvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts.
  17. LIDAR-System zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit einer optischen Scaneinrichtung, welche eine wellenlängenabhängige Winkelverteilung der zu dem Objekt gelenkten Messsignale bewirkt, wobei diese Scaneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgestaltet ist.
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