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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung, umfassend mindestens ein optisches Phasenarray, das mindestens zwei Emittereinheiten umfasst, wobei jede Emittereinheit ein Emitterelement und einen Phasenschieber umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer derartigen optischen Anordnung in einem LIDAR-System sowie ein LIDAR-System umfassend mindestens eine derartige optische Anordnung.
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Stand der Technik
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Der Begriff „optisch“ ist im Rahmen dieser Anmeldung nicht eng auszulegen, sondern betrifft (sofern nicht explizit anders angegeben) zumindest sichtbares Licht und Infrarot-Licht.
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Aus dem Stand der Technik sind (optische) Phasenarrays (OPA) bekannt, die es erlauben, eine Strahlformung und eine Strahlablenkung nicht mittels reflektiver (zum Beispiel Spiegel) oder refraktiver (zum Beispiel Linsen) optischer Elemente sondern aufgrund von Beugung an diffraktiven optischen Elementen vorzunehmen. Durch den Einsatz von Phasenschiebern ist es möglich, dem ausgesendeten kohärenten Licht ein Phasenprofil aufzuprägen, welches aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenz ein gewünschtes Intensitätsprofil im Fernfeld hervorruft.
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Die Wirkungsweise eines Phasenarrays ist vergleichbar der eines diffraktiven optischen Elements. Im Falle eines Phasenarrays wird durch unterschiedliche Phasenhübe in den einzelnen Emittereinheiten eine Strahlformung in Fernfeld möglich. Bei konstanter Phase ergibt sich ein zentrales Intensitätsmaximum im Fernfeld (nullte Beugungsordnung), je nach Abstand und Periodizität der Anordnung der Phasenschieber mit zusätzlichen Gitterkeulen (+/- erste Beugungsordnung) und weiteren Nebenkeulen.
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Eine einfache Strahlauslenkung ist zum Beispiel durch Anlegen eines linearen Phasenprofils möglich (vergleiche Shift-Theorem in der Fourier Analysis). Durch entsprechendes Design der Phasenverteilung (zum Beispiel mit dem Gerchberg-Saxton Algorithmus für Phase Retrieval, im Zusammenhang mit diffraktiven optischen Elementen auch iterativer Fourier Transform Algorithmus, kurz IFTA, genannt) sind aber auch nahezu beliebige Fernfeldintensitätsverteilungen realisierbar.
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Ein einfaches Modell für ein optisches Phasenarray ist beispielsweise durch ein periodisches Amplitudengitter (vergleiche Mehrfachspalt) gegeben wobei jedem Einzelspalt gegebenenfalls noch eine Phasenverschiebung (optische Weglängendifferenz) aufgeprägt werden kann. Aus der Fourier-Optik ist aufgrund des Shift-Theorems für die Fourier-Transformation bekannt, dass eine lineare Phase einen transversalen Versatz im Ortsfrequenzraum (auch k-Raum genannt), beziehungsweise im Fernfeld zur Folge hat. Das heißt, es ist möglich, das typische Beugungsmuster eines Mehrfachspalts (vergleiche auch periodisches Gitter bei großer Anzahl von Einzelspalten) transversal zu verschieben. Bei einem eindimensionalen optischen Phasenarray ist es daher möglich, mittels eines linearen Phasenprofils das Fernfeldmuster entlang der Gitterachse senkrecht zu den Einzelspalten zu verschieben.
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Die Herstellung integrierter optischer Phasenarrays zur Auslenkung der Strahlkeule im Fernfeld in zwei Dimensionen (zum Beispiel für ein LIDAR-System) erfordert bisher eine Matrixanordnung der integrierten optischen Elemente (zum Beispiel Wellenleiter, Phasenschieber, Emitter, ...). Insbesondere bei der Herstellung mittels lithografischer Verfahren, können sich daraus komplizierte Leiterbahnen und Risiken bezüglich der ungewünschten Kopplung zwischen benachbarten Komponenten ergeben. Zudem beeinflusst die effektive Apertur des Phasenarrays maßgeblich die Fernfelddivergenz der emittierten Strahlkeule. Weiterhin erfordern viele Anwendungen sehr unterschiedliche Auflösungsvermögen in den zwei orthogonalen Raumrichtungen, zum Beispiel, wenn das horizontale Sichtfeld (FoV) über einen größeren Raumwinkelbereich und gegebenenfalls auch feiner abgetastet werden soll als das vertikale FoV (zum Beispiel bei Kraftfahrzeug-LIDAR-Systemen).
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine optische Anordnung der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei der die optische Anordnung mindestens ein schaltbares optisches Element umfasst, dass in Emissionsrichtung des optischen Phasenarrays vor dem optischen Phasenarray angeordnet ist, sodass eine vom optischen Phasenarray emittierte Phasenfront das mindestens eine optische Element durchläuft.
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Vorzugsweise ist das optische Element dazu eingerichtet, eine Ablenkung einer vom optischen Phasenarray emittierten Phasenfront in einer Ebene senkrecht zur Emissionsrichtung des Phasenarrays zu ermöglichen. Das optische Element kann ein reflektives (zum Beispiel Spiegel, Prisma, Hologramm...) und/oder refraktives (zum Beispiel Prisma, Linse, ...) und /oder diffraktives (zum Beispiel Spaltenanordnung, Gitter...) optisches Element sein.
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Vorzugsweise umfasst die optische Anordnung mehrere optische Elemente, wobei mindestens ein optisches Element schaltbar ist. Es können mehrere optische Elemente vorgesehen sein (zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf oder mehr), wobei vorzugsweise alle optischen Elemente schaltbar sind.
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Der Begriff „schaltbar“ ist hier so zu verstehen, dass die optische Wirkung des optischen Elements zwischen mindestens zwei Zuständen variiert werden kann. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser Zustände ein Neutralzustand, in dem das optische Element die Phasenfront so wenig wie möglich (idealerweise gar nicht) beeinflusst.
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Vorzugsweise emittiert das Phasenarray primär oder ausschließlich im Infrarot-Bereich (insbesondere Licht mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm).
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Vorteile der Erfindung
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Wie im Stand der Technik beschrieben, kann bei einem eindimensionalen optischen Phasenarray das Fernfeldmuster transversal in der Richtung entlang der Gitterachse, auf der die Emittereinheiten angeordnet sind, verschoben werden. Diese Auslenkung bezeichnen wir in der vorliegenden Anmeldung als horizontale Auslenkung. Dabei bezieht sich das Wort horizontal auf die Ausrichtung der Achse, auf der die OPA-Emittereinheiten angeordnet sind. Eine Verschiebung in der dazu senkrechten transversalen Dimension (also der in vertikaler Richtung bezüglich der oben eingeführten Orientierung) ist nach Stand der Technik zum Beispiel mittels Wellenlängentuning in Kombination mit Gitterkopplern möglich. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, anstelle von Wellenlängentuning mindestens ein schaltbares optisches Element zur Strahlablenkung einzusetzen. Damit kann eine zweidimensionale Steuerung der Phasenfront realisiert werden und beispielsweise bei der Verwendung in einem LIDAR-System eine Abtastung in vertikaler und horizontaler Richtung ermöglicht werden.
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Bei entsprechend geringer Bauhöhe der Einzelkomponenten (insbesondere des optischen Elements) und dichtgepackter Integration kann angenommen werden, dass sich die einzelnen Phasenprofile der aktiven Elemente analog der dünnen Elemente Approximation (englisch: Thin Element Approximation, TEA) addieren und somit eine wohldefinierte 2D-Strahlmanipulation ermöglichen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Bevorzugt ist das optische Phasenarray ein eindimensionales optisches Phasenarray, das eine Vielzahl von in einer Linie angeordneten Emittereinheiten umfasst. In dieser Ausgestaltung wird eine möglichst große Konstruktionsvereinfachung gegenüber dem Stand der Technik (insbesondere Emitter-Matrix) erreicht. Es ist aber prinzipiell auch vorstellbar ein zweidimensionales optisches Phasenarray zum Beispiel mit mehreren übereinander angeordneten eindimensionalen optischen Phasenarrays zu verwenden.
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Vorzugsweise ist mindestens ein optisches Element ein schaltbares Hologramm. Hierbei kann eine Winkelablenkung zum Beispiel durch schaltbare Hologramme erzielt werden, was eine kompaktere Bauweise als mechanische Komponenten (zum Beispiel Ablenkspiegel, drehbare Prismen etc.) erlaubt. Bei Head-Up-Displays oder Datenbrillen gewinnen holografisch optische Elemente (HOE) im sichtbaren Spektralbereich an Relevanz. Im Nahinfrarotbereich sind bisher allerdings wenige holografische Optiken (Volumenhologramme) bekannt. Allerdings können durch geeignete Aufnahmeverfahren und Kopierverfahren auch Volumenhologramme mit den gewünschten optischen Funktionen im Nahinfrarotbereich hergestellt werden. Dies ist zum Beispiel durch einen vorausberechneten Winkelvorhalt beim Aufnahmeprozess (Mastering) und beim Kopierprozess möglich. Insbesondere bei pixelweisen Aufnahmeverfahren (zum Beispiel holografischer „Drucker“) ist dies einfach umsetzbar und damit sind dann auch sehr komplexe optische Funktionen im Nahinfrarotbereich denkbar.
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Es ist bevorzugt, wenn mindestens zwei optische Elemente schaltbare Hologramme sind, die in Emissionsrichtung des optischen Phasenarrays hintereinander gestapelt sind. Durch die Realisierung verschiedener Winkelauslenkungen in unterschiedlichen Schichten eines Stapels schaltbarer Hologramme kann somit eine steuerbare, vertikale Strahlauslenkung ohne mechanische Komponenten realisiert werden. Vorzugsweise können für die vertikale Achse beispielsweise mehrere diskrete Winkelablenkungen in verschiedenen Schichten eines Stapels schaltbarer Hologramme realisiert werden. Da der Strahlkegel im Fernfeld eine endliche effektive Ausdehnung hat und in vertikaler Richtung eine geringere Auflösung als in Horizontalrichtung ausreichend ist, kann für viele Anwendungen (zum Beispiel Automobil-LIDAR) mit einer endlichen Anzahl von Ablenkwinkeln (zum Beispiel fünf, eine Neutralstellung und vier verschiedene Ablenkwinkel über vier gestapelte schaltbare Hologramme) eine ausreichende Genauigkeit der vertikalen und horizontalen Abtastung bereitgestellt werden. Vorzugsweise befinden sich alle Ablenkwinkel der einzelnen schaltbaren Hologramme innerhalb eines Winkelbereichs von ±60° über und unter der Horizontalen, besonders bevorzugt von ±45° um die Horizontale. Es ist auch möglich, dass sich mehr Ablenkwinkel oberhalb der Horizontalen befinden als unterhalb der Horizontalen (zum Beispiel + 45°, +30°, +10°, 0°, -30°), da insbesondere bei Kraftfahrzeug-LIDAR-Systemen auf derselben Höhe und leicht oberhalb der LIDAR-Position die meisten Objekte zu identifizieren sind. Die umgekehrte Anordnung ist aber auch vorstellbar, also dass sich mehr Ablenkwinkel unterhalb der Horizontalen befinden als unterhalb der Horizontalen, z.B. wenn der LiDAR-Sensor relativ weit oberhalb der Fahrbahn angebracht werden soll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der schaltbaren Hologramme ein räumliches Lichtmodulator-Phasenmuster (auch SLM-Phasenmuster, englisch Spatial Light Modulator Phasenmuster) und/oder mindestens eines der schaltbaren Hologramme ein schaltbares, flüssigkristallbasiertes Volumenhologramm. Diese Varianten erlauben eine kompakte Konstruktion selbst bei mehreren schichtweise gestapelten schaltbaren Hologrammen. In speziellen Flüssigkristallmaterialen lassen sich mit holografischen Belichtungsverfahren (Interferenz zwischen einer kohärenten Referenz- und Objektwelle) Volumenhologramme erzeugen. Ein Volumenhologramm wird gewissermaßen in eine Flüssigkristallzelle beziehungsweise ein Flüssigkristalldisplay (liquid crystal display) geschrieben. Möglich wird dies zum Beispiel bei Verwendung von PDLC-Zellen (PDLC = polymer dispersed liquid crystal) mit speziellen Photopolymer-Zumischungen. Man erhält dann sogenannte H-PDLC (holographic polymer dispersed liquid crystal). In diese Materialsysteme lassen sich Volumenhologramme belichten. Sind solche Zellen mit Elektroden versehen, lassen sich durch Anlegen von elektrischer Spannung die Flüssigkristalle ausrichten und somit auch die eingeschriebene Hologrammstruktur stark beeinflussen. Bei entsprechender Spannung kann hiermit zum Beispiel die optische Funktion der Volumenholgramme reversibel ein- und ausgeschaltet werden. Somit ist eine steuerbare komplexe optische Funktionalität realisierbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante werden zum Beispiel verschiedene optische Funktionen in mehreren Lagen schaltbarer Volumenhologramme vorgesehen, die es ermöglichen, durch entsprechende Ansteuerung der Flüssigkristalle, die holografische Funktion an- und auszuschalten. Damit kann transversal zur Ausbreitungsrichtung der Phasenfront eine Ablenkung in vertikaler und horizontaler Richtung erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin die Verwendung einer optischen Anordnung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen als Strahlformer und/oder Strahlauslenker in einem LIDAR-System, vorzugsweise in einem Automobil-LIDAR-System, beansprucht. Erfindungsgemäß wird weiterhin ein LIDAR-System umfassend mindestens eine optische Anordnung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen bereitgestellt. In einem LIDAR-System, insbesondere wenn eine 2D-Abtastung mit unterschiedlichen Auflösungen entlang der zwei Dimensionen gewünscht ist, zeigt die erfindungsgemäße optische Anordnung besondere Vorteile in der Konstruktionsvereinfachung und einer kompakteren Bauweise.
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Vorzugsweise arbeitet das LIDAR-System im Infrarot-Bereich und die mindestens eine optische Anordnung ist dazu eingerichtet, infrarote Lichtstrahlen zu formen und/oder abzulenken.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem ersten Schaltungszustand in einer Draufsicht,
- 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem ersten Schaltungszustand in einer isometrischen Ansicht,
- 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem zweiten Schaltungszustand in einer Draufsicht, und
- 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem zweiten Schaltungszustand in einer isometrischen Ansicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1 in einem ersten Schaltungszustand in einer Draufsicht beziehungsweise einer isometrischen Ansicht.
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Die 3 und 4 zeigen dieselbe Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1 in einem zweiten Schaltungszustand in einer Draufsicht beziehungsweise einer isometrischen Ansicht.
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Die optische Anordnung 1 umfasst ein optisches Phasenarray, das mindestens zwei Emittereinheiten (hier sind je nach Figur vier beziehungsweise fünf Emittereinheiten dargestellt) umfasst, wobei jede Emittereinheit ein Emitterelement 2 und einen Phasenschieber 3 umfasst.
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Die optische Anordnung 1 umfasst hier vier optische Elemente 4, die jeweils als schaltbares Hologramm in Schichten ausgebildet sind, die in Emissionsrichtung des optischen Phasenarrays (1 und 3 nach oben, in 2 und 4 nach rechts) übereinander oder hintereinander gestapelt sind. Wellenleiter 5 (beziehungsweise Lichtleiter) leiten das Licht von einer oder mehreren Lichtquellen (nicht gezeigt) der optischen Anordnung zu den Phasenschiebern 3, in denen die gewünschte horizontale Ablenkung des Lichtkegels durch Einstellung der Phasenverschiebungen erzeugt werden kann.
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In den 1 und 2 ist das äußerste schaltbare Hologramm eingeschaltet, während die anderen drei schaltbaren Hologramme ausgeschaltet sind. Mit diesem Schaltungszustand kann ein erster, vorbestimmter vertikaler Ablenkwinkel (in der Ansicht der 2 und 4) für den Strahlkegel verbunden sein.
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In den 3 und 4 ist das zweitäußerste schaltbare Hologramm eingeschaltet, während die anderen drei schaltbaren Hologramme ausgeschaltet sind. Mit diesem Schaltungszustand kann ein zweiter, vorbestimmter vertikaler Ablenkwinkel (in der Ansicht der 2 und 4) für den Strahlkegel verbunden sein.
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Es ist auch möglich, dass durch Kombinationen der Schaltungen mehrerer schaltbarer optischer Elemente insgesamt mehr verschiedene vertikale Ablenkwinkel erzeugt werden können, als die optische Anordnung 1 optische Elemente 4 umfasst.
