DE102020207742A1

DE102020207742A1 - LIDAR device with a diffractive grating coupler and mirror element

Info

Publication number: DE102020207742A1
Application number: DE102020207742.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schmidtke; Timo Schary; Matthias Wichmann; Sebastian BANZHAF; Oliver Krayl; Daniel Aquino Maier; Christoph Daniel Kraemmer; Christoph Lang; Ning Wang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Offenbart ist eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen (A), aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und mindestens einen Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich (A) rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen, wobei die mindestens eine Strahlenquelle und der mindestens eine Detektor strahlenleitend mit mindestens einem diffraktiven Gitterkoppler verbunden sind, wobei ein Austrittswinkel von durch den diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen basierend auf einer variierbaren Wellenlänge der erzeugten Strahlen und/oder basierend auf verschiedenen Kopplungsparametern des mindestens einen diffraktiven Gitterkopplers einstellbar ist, wobei die durch den mindestens einen diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen durch ein Spiegelelement entlang mindestens einer Abtastrichtung in den Abtastbereich ablenkbar sind. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastbereichs offenbart.A LIDAR device for scanning scanning areas (A) is disclosed, having at least one radiation source for generating electromagnetic radiation and at least one detector for receiving radiation backscattered and/or reflected from the scanning area (A), the at least one radiation source and the at least one detector are connected in a beam-guiding manner to at least one diffractive grating coupler, wherein an exit angle of beams coupled out by the diffractive grating coupler can be adjusted based on a variable wavelength of the generated beams and/or based on various coupling parameters of the at least one diffractive grating coupler, wherein the beams coupled out by a diffractive grating coupler can be deflected by a mirror element along at least one scanning direction into the scanning region. A method for scanning a scanning area is also disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und mindestens einen Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastbereichs.The invention relates to a LIDAR device for scanning scanning areas, having at least one radiation source for generating electromagnetic beams and at least one detector for receiving beams backscattered and / or reflected from the scanning area. The invention also relates to a method for scanning a scanning area.

Stand der TechnikState of the art

Es sind bereits unterschiedliche LIDAR-Vorrichtungen bekannt und dienen insbesondere der Messung von Abständen in einem Abtastbereich. LIDAR-Vorrichtungen können Entfernungen basierend auf einer direkten Laufzeitmessung bzw. der Time-of-Flight Methode oder basierend auf einer indirekten Laufzeitmessung, durch Modulation der Frequenz der erzeugten Strahlen, messen.Different LIDAR devices are already known and are used in particular to measure distances in a scanning area. LIDAR devices can measure distances based on a direct transit time measurement or the time-of-flight method or based on an indirect transit time measurement by modulating the frequency of the generated beams.

LIDAR-Vorrichtungen können als Scanner oder als sogenannte Flash-LIDAR ausgestaltet sein. Dabei werden auch sogenannte Solid State LIDAR-Vorrichtungen eingesetzt, welche ohne mechanische makroskopische Spiegelelemente eine Strahlenablenkung realisieren. Neben reduzierten Kosten sind derartige LIDAR-Vorrichtungen widerstandsfähig gegenüber Vibrationen und eignen sich somit auch in automobilen Anwendungen.LIDAR devices can be designed as scanners or as so-called flash LIDAR. So-called solid state LIDAR devices are also used, which realize a beam deflection without mechanical macroscopic mirror elements. In addition to reduced costs, such LIDAR devices are resistant to vibrations and are therefore also suitable in automotive applications.

Solid State LIDAR-Vorrichtungen können beispielsweise durch optische Phased-Arrays einen Austrittswinkel der erzeugten Strahlen variieren. Problematisch bei derartigen LIDAR-Vorrichtungen ist jedoch die präzise Einstellung der Phase für jedes Einzelelement und damit der Steuerung des Austrittswinkels der erzeugten Strahlen.Solid state LIDAR devices can vary an exit angle of the generated beams, for example by means of optical phased arrays. The problem with such LIDAR devices, however, is the precise setting of the phase for each individual element and thus the control of the exit angle of the generated beams.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche die Anforderungen an mechanisch ausgelenkte Spiegelelemente senkt und eine indirekte Laufzeitmessung ermöglicht.The object on which the invention is based can be seen in proposing a LIDAR device which lowers the requirements for mechanically deflected mirror elements and enables indirect transit time measurement.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous refinements of the invention are the subject matter of the respective dependent subclaims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen und mindestens einen Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen auf. Die mindestens eine Strahlenquelle und der mindestens eine Detektor sind strahlenleitend mit mindestens einem diffraktiven Gitterkoppler verbunden. Dabei können die mindestens eine Strahlenquelle und der mindestens eine Detektor direkt über separate oder gemeinsame Strahlenleiterabschnitte mit dem mindestens einen diffraktiven Gitterkoppler verbunden sein.According to one aspect of the invention, a lidar device for scanning scan areas is provided. The LIDAR device has at least one radiation source for generating electromagnetic rays and at least one detector for receiving rays that are backscattered and / or reflected from the scanning area. The at least one radiation source and the at least one detector are connected in a radiation-conducting manner to at least one diffractive grating coupler. The at least one radiation source and the at least one detector can be connected directly to the at least one diffractive grating coupler via separate or common beam conductor sections.

Ein Austrittswinkel von durch den diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen ist basierend auf einer variierbaren Wellenlänge der erzeugten Strahlen und/oder basierend auf verschiedenen Kopplungsparametern des mindestens einen diffraktiven Gitterkopplers einstellbar, wobei die durch den mindestens einen diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen durch ein Spiegelelement entlang mindestens einer Abtastrichtung in den Abtastbereich ablenkbar sind.An exit angle of beams decoupled by the diffractive grating coupler can be set based on a variable wavelength of the generated beams and / or based on various coupling parameters of the at least one diffractive grating coupler, the beams decoupled by the at least one diffractive grating coupler through a mirror element along at least one scanning direction in the scanning area are deflectable.

Dabei kann das Spiegelelement die ausgekoppelten Strahlen beispielsweise entlang einer ersten Abtastrichtung bzw. entlang eines ersten Abtastwinkels ablenken. Der mindestens eine diffraktive Gitterkoppler kann dazu eingesetzt werden, die erzeugten Strahlen entlang einer zweiten Abtastrichtung bzw. entlang eines zweiten Abtastwinkels auszukoppeln. Hierdurch kann das Spiegelelement als ein eindimensional schwingender bzw. drehbarer Spiegel ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Spiegelelement zum Vergrößern bzw. Aufweiten des zweiten Abtastwinkels der ausgekoppelten Strahlen eingesetzt werden.The mirror element can deflect the coupled-out beams, for example, along a first scanning direction or along a first scanning angle. The at least one diffractive grating coupler can be used to couple out the generated beams along a second scanning direction or along a second scanning angle. As a result, the mirror element can be designed as a one-dimensionally oscillating or rotating mirror. Alternatively or additionally, the mirror element can be used to enlarge or widen the second scanning angle of the coupled-out beams.

Die aus dem diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen können beispielsweise abhängig von einer Wellenlängenveränderung mit einem variierenden Austrittswinkel ausgekoppelt werden, wodurch ein Scannen entlang des ersten Abtastwinkels und/oder des zweiten Abtastwinkels möglich ist.The beams decoupled from the diffractive grating coupler can, for example, be decoupled with a varying exit angle as a function of a change in wavelength, whereby scanning along the first scanning angle and / or the second scanning angle is possible.

Der erste Abtastwinkel kann beispielsweise als ein horizontaler Abtastwinkel und der zweite Abtastwinkel als ein vertikaler Abtastwinkel ausgestaltet sein.The first scanning angle can be designed, for example, as a horizontal scanning angle and the second scanning angle as a vertical scanning angle.

Die LIDAR-Vorrichtung ermöglicht eine Kombination von diffraktiven Gitterkopplern und einem externen Spiegelelement, welcher zur Strahlablenkung der in den Abtastbereich emittierten Strahlen eindimensional oder auch zweidimensional beweglich sein kann.The LIDAR device enables a combination of diffractive grating couplers and an external mirror element which can be movable one-dimensionally or two-dimensionally to deflect the beams emitted into the scanning area.

Es können ein oder auch mehrere erzeugte Strahlen mit der gleichen oder auch einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge in zwei Dimensionen abgelenkt werden. Dabei können die Austrittswinkel der erzeugten Strahlen durch die Einstellung bzw. zeitliche Variation der Wellenlänge und durch den mindestens einen diffraktiven Gitterkoppler verändert werden. Der Austrittswinkel der ausgekoppelten Strahlen aus dem diffraktiven Gitterkoppler kann abhängig von der Wellenlänge und/oder des Kopplungsparameters eindimensional variiert werden.One or more generated beams with the same or also a different central wavelength can be deflected in two dimensions. The exit angle of the generated beams can be determined by setting or varying the wavelength over time and by the at least one diffractive grating coupler to be changed. The exit angle of the coupled-out beams from the diffractive grating coupler can be varied one-dimensionally as a function of the wavelength and / or the coupling parameter.

Durch die LIDAR-Vorrichtung können die mechanischen Anforderungen an die Spiegeleinheit gesenkt werden, weil die Bewegung des Spiegelelements auf eine Dimension reduziert oder ein Bewegungswinkel verringert ist. Durch die bereits unter einem Austrittswinkel durch den diffraktiven Gitterkoppler auskoppelnden Strahlen kann ein geringerer Bewegungswinkel des Spiegelelements ausreichen, um einen vorgesehenen Abtastwinkel mit den Strahlen abzutasten.The LIDAR device can lower the mechanical requirements on the mirror unit because the movement of the mirror element is reduced to one dimension or a movement angle is reduced. As a result of the beams which are already coupled out at an exit angle by the diffractive grating coupler, a smaller angle of movement of the mirror element can be sufficient to scan an intended scanning angle with the beams.

Die LIDAR-Vorrichtung ermöglicht dabei die direkte Laufzeitmessung durch die Time-of-Flight Methode und/oder die indirekte Laufzeitmessung durch beispielsweise Modulation der Frequenzen bzw. der Wellenlängen der erzeugten Strahlen. Eine kleine Modulation der Wellenlängen der erzeugten Strahlen ermöglicht dabei die indirekte Laufzeitmessung, eine Modulation der Wellenlängen auf größeren Skalen ermöglicht eine Variation des Austrittswinkels der auskoppelnden Strahlen aus dem diffraktiven Gitterkoppler.The LIDAR device enables the direct transit time measurement by the time-of-flight method and / or the indirect transit time measurement by modulating the frequencies or the wavelengths of the generated beams, for example. A small modulation of the wavelengths of the generated rays enables the indirect transit time measurement, a modulation of the wavelengths on larger scales enables a variation of the exit angle of the outcoupling rays from the diffractive grating coupler.

Die Kombination unterschiedlicher Scan Methoden ermöglicht hierbei eine höhere Flexibilität in der Auslegung und Konstruktion der LIDAR-Vorrichtung.The combination of different scan methods enables greater flexibility in the design and construction of the LIDAR device.

Des Weiteren kann die Veränderung des Austrittswinkels aufgrund der Wellenlängenänderung bzw. das sogenannte Wellenlängen-Scannen basierend auf dem Austrittswinkel aus dem diffraktiven Gitterkoppler ohne Trägheitsmomente mit einer höheren Abtastfrequenz gegenüber einer Schwingungsfrequenz des Spiegelelements erfolgen. Durch die erhöhte Abtastfrequenz können beliebige Punktmuster im Abtastbereich bzw. im Field of View realisiert werden.Furthermore, the change in the exit angle due to the change in wavelength or so-called wavelength scanning based on the exit angle from the diffractive grating coupler without moments of inertia can take place at a higher scanning frequency than an oscillation frequency of the mirror element. Due to the increased scanning frequency, any point pattern can be implemented in the scanning area or in the field of view.

Das Wellenlängen-Scannen kann darüber hinaus Lücken zwischen benachbarten ausgeleuchteten Pixeln entlang zumindest einer der Abtastrichtungen durch geringfügige Wellenlängenänderungen schließen. Dabei ist auch ein stufenweises Scannen in vertikaler Abtastrichtung und/oder in horizontaler Abtastrichtung möglich. Dies kann vorteilhafterweise durch den Einsatz mehrerer paralleler Gitterkoppler umgesetzt werden.The wavelength scanning can also close gaps between adjacent illuminated pixels along at least one of the scanning directions by means of slight changes in wavelength. Gradual scanning in the vertical scanning direction and / or in the horizontal scanning direction is also possible. This can advantageously be implemented by using several parallel grating couplers.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastbereichs entlang eines ersten Abtastwinkels bzw. erster Abtastrichtung und entlang eines zweiten Abtastwinkels bzw. zweiter Abtastrichtung, welche den Abtastbereich ausbilden, bereitgestellt. Das Verfahren kann vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße LIDAR-Vorrichtung durchgeführt werden. In einem Schritt werden durch mindestens eine mit mindestens einem diffraktiven Gitterkoppler gekoppelte Strahlenquelle erzeugte Strahlen entlang des ersten Abtastwinkels oder eines Abschnitts des ersten Abtastwinkels ausgekoppelt und auf ein Spiegelelement geleitet. Die durch den diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen werden durch das Spiegelelement entlang des ersten Abtastwinkels und/oder des zweiten Abtastwinkels abgelenkt und in den Abtastbereich emittiert.According to a further aspect of the invention, a method is provided for scanning a scanning area along a first scanning angle or first scanning direction and along a second scanning angle or second scanning direction, which form the scanning area. The method can preferably be carried out by a LIDAR device according to the invention. In a step, beams generated by at least one radiation source coupled to at least one diffractive grating coupler are coupled out along the first scanning angle or a section of the first scanning angle and directed onto a mirror element. The beams coupled out by the diffractive grating coupler are deflected by the mirror element along the first scanning angle and / or the second scanning angle and emitted into the scanning area.

Durch das Verfahren können Wellenlängenänderungen bei einem Auskoppeln von Strahlen durch diffraktive Gitterkoppler zum Einstellen von Änderungen eines Austrittswinkels der ausgekoppelten Strahlen eingesetzt werden. Alternativ können Strahlen aus unterschiedlichen diffraktiven Gitterkopplern mit unterschiedlichen Kopplungsparametern ausgekoppelt werden, um eine Variation der Austrittswinkel zu erzielen. Hierdurch kann ein sogenannter Wellenlängen-Scan der Strahlen ohne mechanisch bewegliche Komponenten bereitgestellt werden. Durch den Wellenlängen-Scan abgedeckter erster Abtastwinkel oder Abschnitt des ersten Abtastwinkels kann durch das Spiegelelement entlang eines zweiten Abtastwinkels zusätzlich vergrößert werden. Die Vergrößerung kann hierbei in einer oder in zwei Dimensionen erfolgen, um einen Abtastbereich mit den erzeugten Strahlen abzutasten.The method allows changes in wavelength to be used when beams are coupled out by diffractive grating couplers to adjust changes in an exit angle of the beams coupled out. Alternatively, beams from different diffractive grating couplers with different coupling parameters can be coupled out in order to achieve a variation in the exit angle. In this way, a so-called wavelength scan of the rays can be provided without mechanically movable components. The first scanning angle or section of the first scanning angle covered by the wavelength scan can be additionally enlarged by the mirror element along a second scanning angle. The enlargement can take place in one or in two dimensions in order to scan a scanning area with the generated beams.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die variierbare Wellenlänge der erzeugten Strahlen durch mindestens zwei Strahlenquellen mit unterschiedlicher Emissions-Wellenlänge oder durch mindestens eine Strahlenquelle mit variabel einstellbarer Emissions-Wellenlänge erzeugbar. Hierdurch können Strahlen mit variierbaren Wellenlängen durch eine Einstellungsänderung der mindestens einen Strahlenquelle realisiert werden.In one embodiment, the variable wavelength of the generated beams can be generated by at least two radiation sources with different emission wavelengths or by at least one radiation source with variably adjustable emission wavelengths. In this way, rays with variable wavelengths can be implemented by changing the setting of the at least one radiation source.

Da der Austrittswinkel der aus dem diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen aufgrund der diffraktiven Eigenschaften stark wellenlängenabhängig ist, kann hierdurch eine oder mehrere Abtastwinkel bzw. Dimensionen des Abtastbereichs durch die Wellenlängenvariation der erzeugten Strahlen abgetastet werden.Since the exit angle of the beams coupled out of the diffractive grating coupler is strongly dependent on the wavelength due to the diffractive properties, one or more scanning angles or dimensions of the scanning area can be scanned by the wavelength variation of the generated beams.

Dabei kann ein Spot, welcher aus in den Abtastbereich emittierten Strahlen besteht, ohne mechanische Einwirkung eines Spiegelelements in vertikaler Abtastrichtung und/oder in horizontaler Abtastrichtung bewegt werden.A spot, which consists of beams emitted into the scanning area, can be moved in the vertical scanning direction and / or in the horizontal scanning direction without the mechanical action of a mirror element.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die LIDAR-Vorrichtung mindestens zwei diffraktive Gitterkoppler mit unterschiedlichen oder gleichen Kopplungsparametern auf, welche dazu eingerichtet sind gleichzeitig oder zeitlich versetzt erzeugte Strahlen mit konstanter oder variierbarer Wellenlänge auszukoppeln und auf das Spiegelelement zu lenken. Die Kopplungsparameter können beispielsweise von einer Gitterkonstante bzw. von strukturellen Eigenschaften des jeweiligen diffraktiven Gitterkopplers abhängen. Die Austrittswinkel von durch den diffraktiven Gitterkoppler auskoppelnden Strahlen bei gleichbleibender Wellenlänge hängen vorzugsweise von mindestens einem Kopplungsparameter ab.According to a further embodiment, the LIDAR device has at least two diffractive grating couplers with different or the same coupling parameters, which for this purpose are set up to couple out beams generated simultaneously or offset in time with constant or variable wavelengths and to direct them onto the mirror element. The coupling parameters can depend, for example, on a grating constant or on structural properties of the respective diffractive grating coupler. The exit angles of beams coupled out by the diffractive grating coupler with a constant wavelength preferably depend on at least one coupling parameter.

Somit können unterschiedliche diffraktive Gitterkoppler vorgesehen sein, um Strahlen mit unterschiedlichen Austrittswinkeln auszukoppeln. Durch das Beaufschlagen von mehreren diffraktiven Gitterkopplern mit unterschiedlichen Kopplungsparametern kann eine Auffächerung der Strahlen durch unterschiedliche Austrittswinkel und damit eine Abdeckung eines Abtastwinkels mit Strahlen entlang mindestens einer Abtastrichtung realisiert werden. Je nach Ausgestaltung der LIDAR-Vorrichtung können die Strahlen entlang einer zweiten Abtastrichtung durch das Spiegelelement abgelenkt werden. Optional können die aufgefächerten Strahlen zusätzlich entlang der ersten Abtastrichtung abgelenkt werden, um den entsprechenden Abtastwinkel zu vergrößern.Different diffractive grating couplers can thus be provided in order to couple out beams with different exit angles. By applying different coupling parameters to several diffractive grating couplers, the beams can be fanned out by different exit angles and thus a scanning angle can be covered with beams along at least one scanning direction. Depending on the configuration of the LIDAR device, the beams can be deflected by the mirror element along a second scanning direction. Optionally, the fanned out beams can also be deflected along the first scanning direction in order to enlarge the corresponding scanning angle.

Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Kopplungsparametern eines diffraktiven Gitterkopplers abhängig von einer Form des diffraktiven Gitterkopplers, einem Winkel gegenüber einem Substrat, von einer Gitterkonstante des diffraktiven Gitterkopplers und/oder von Abmessungen des diffraktiven Gitterkopplers ausgestaltet. Dabei kann der mindestens eine diffraktive Gitterkoppler unterschiedliche Kopplungsparameter für das Auskoppeln von Strahlen aus einer Strahlenleitstruktur und für ein Einkoppeln der Strahlen in die Strahlenleitstruktur aufweisen. Der Kopplungsparameter kann dabei in Form einer oder mehrerer charakteristischer Zahlen ausgebildet sein, welche Aufschluss über ein Verhältnis zwischen einer Wellenlänge eines Strahls und einem resultierenden Austrittswinkel der ausgekoppelten Strahlen liefert.In a further embodiment, the coupling parameters of a diffractive grating coupler are designed as a function of a shape of the diffractive grating coupler, an angle with respect to a substrate, a grating constant of the diffractive grating coupler and / or dimensions of the diffractive grating coupler. In this case, the at least one diffractive grating coupler can have different coupling parameters for coupling out beams from a beam guiding structure and for coupling the beams into the beam guiding structure. The coupling parameter can be in the form of one or more characteristic numbers which provide information about a ratio between a wavelength of a beam and a resulting exit angle of the coupled-out beams.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind durch unterschiedliche Kopplungsparameter der mindestens zwei diffraktiven Gitterkoppler variierende Austrittswinkel der erzeugten Strahlen mit gleicher Wellenlänge aus den diffraktiven Gitterkopplern einstellbar. Dabei können die Strahlenquellen, welche als Laser oder LEDs ausgestaltet sind, eine gleiche Emissions-Wellenlänge aufweisen und diffraktive Gitterkoppler mit unterschiedlichen Kopplungsparametern zum Emittieren der Strahlen nutzen, sodass jeder Strahl einen anderen Austrittswinkel hat. Das Ergebnis wäre eine Parallelisierung um einen Faktor entsprechend der Anzahl eingesetzter diffraktiver Gitterkoppler.According to a further exemplary embodiment, different coupling parameters of the at least two diffractive grating couplers can be used to set varying exit angles of the generated beams with the same wavelength from the diffractive grating couplers. The radiation sources, which are designed as lasers or LEDs, can have the same emission wavelength and use diffractive grating couplers with different coupling parameters to emit the beams, so that each beam has a different exit angle. The result would be parallelization by a factor corresponding to the number of diffractive grating couplers used.

Beispielsweise kann auch nur eine einzige Strahlenquelle mehrere Gitterkoppler mit unterschiedlichen Kopplungsparametern bestrahlen. Die jeweiligen Sendepfade zwischen der Strahlenquelle und den mehreren diffraktiven Gitterkopplern können dabei automatisiert durchgeschaltet werden.For example, only a single radiation source can irradiate several grating couplers with different coupling parameters. The respective transmission paths between the radiation source and the multiple diffractive grating couplers can be switched through automatically.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens eine Strahlenquelle, der mindestens eine Detektor und der mindestens eine diffraktive Gitterkoppler als eine photonisch integrierte Schaltung ausgestaltet. Hierdurch kann die Silizium-Photonik für die Herstellung der diffraktiven Gitterkopplern bzw. der sogenannten Grating Coupler Strukturen eingesetzt werden. Diese können zusammen mit den Strahlenquellen und den Detektoren in einem einzigen Chip realisiert werden. Durch diese Maßnahme kann die LIDAR-Vorrichtung besonders kompakt ausgeführt sein.According to a further embodiment, the at least one radiation source, the at least one detector and the at least one diffractive grating coupler are designed as a photonic integrated circuit. As a result, silicon photonics can be used for the production of diffractive grating couplers or the so-called grating coupler structures. These can be implemented in a single chip together with the radiation sources and the detectors. As a result of this measure, the LIDAR device can be made particularly compact.

Des Weiteren kann ein Großteil der LIDAR-Vorrichtung Wafer-basiert gefertigt werden. Bei dem Einsatz eines als MEMS Spiegel ausgeführten Spiegelelements können alle relevanten Komponenten der LIDAR-Vorrichtung Wafer-basiert hergestellt werden, wodurch eine kosteneffiziente Herstellung der LIDAR-Vorrichtung möglich ist. Zusätzlich kann ein Spiegelelement und ein optionales optisches System zum Kollimieren der ausgekoppelten Strahlen auf das Spiegelelement eingesetzt werden.Furthermore, a large part of the LIDAR device can be manufactured on a wafer basis. When using a mirror element embodied as a MEMS mirror, all relevant components of the LIDAR device can be manufactured on a wafer basis, whereby a cost-efficient manufacture of the LIDAR device is possible. In addition, a mirror element and an optional optical system can be used to collimate the coupled-out beams onto the mirror element.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine diffraktive Gitterkoppler dazu eingerichtet, direkt aus dem Abtastbereich rückgestreute und/oder reflektierte oder durch das Spiegelelement abgelenkte Strahlen zu empfangen und zu dem mindestens einen Detektor zu leiten. Der mindestens eine diffraktive Gitterkoppler ist somit sowohl in Senderichtung der LIDAR-Vorrichtung als auch in Empfangsrichtung der LIDAR-Vorrichtung einsetzbar. In der Empfangsrichtung der LIDAR-Vorrichtung können die aus dem Abtastbereich empfangenen Strahlen durch den diffraktiven Gitterkoppler eingekoppelt werden. Dabei kann zwischen dem diffraktiven Gitterkoppler und dem mindestens einem Detektor eine Strahlenleitstruktur vorgesehen sein. Die Strahlenleitstruktur kann dabei auch die mindestens eine Strahlenquelle mit dem diffraktiven Gitterkoppler verbinden.According to a further exemplary embodiment, the at least one diffractive grating coupler is set up to receive beams that are backscattered and / or reflected or deflected by the mirror element directly from the scanning area and to guide them to the at least one detector. The at least one diffractive grating coupler can thus be used both in the transmission direction of the LIDAR device and in the reception direction of the LIDAR device. In the receiving direction of the LIDAR device, the beams received from the scanning area can be coupled in by the diffractive grating coupler. A beam guide structure can be provided between the diffractive grating coupler and the at least one detector. The radiation guide structure can also connect the at least one radiation source to the diffractive grating coupler.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Spiegelelement dazu eingerichtet, den Austrittswinkel der aus dem mindestens einen diffraktiven Gitterkoppler ausgekoppelten Strahlen entlang der mindestens einen Abtastrichtung zu vergrößern. Ist beispielsweise der mit dem Wellenlängen-Scan in vertikaler Abtastrichtung erreichte Abtastwinkel zu klein, kann das Spiegelelement alternativ oder zusätzlich als zweite Dimension die ausgekoppelten Strahlen zusätzlich verschieben und somit einen größeren Ablenkwinkel realisieren. Durch die Wellenlängenverschiebung kann der erreichte Ablenkwinkel des Spiegelelements, beispielsweise in vertikaler Richtung, vergrößert werden. Der Wellenlängenscan kann somit zur Vergrößerung des Ablenkwinkels in einer Dimension eingesetzt werden. Eine zweite Dimension, beispielsweise in horizontaler Richtung, kann durch eine zusätzliche Bewegung des Spiegelelements entlang der zweiten Dimension abgedeckt werden. Alternativ kann eine höhere Anzahl von Strahlenquellen und Detektoren eingesetzt werden, um einen größeren Abtastwinkel aufzuspannen.According to a further embodiment, the mirror element is set up to enlarge the exit angle of the beams coupled out from the at least one diffractive grating coupler along the at least one scanning direction. If, for example, the scanning angle achieved with the wavelength scan in the vertical scanning direction is too small, the mirror element can alternatively or additionally displace the coupled-out beams as a second dimension and thus a larger one Realize deflection angle. As a result of the shift in wavelength, the deflection angle achieved by the mirror element, for example in the vertical direction, can be increased. The wavelength scan can thus be used to increase the deflection angle in one dimension. A second dimension, for example in the horizontal direction, can be covered by an additional movement of the mirror element along the second dimension. Alternatively, a larger number of radiation sources and detectors can be used in order to span a larger scanning angle.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die LIDAR-Vorrichtung einen diffraktiven Gitterkoppler auf, welcher über ein Wellenleiternetzwerk mit mindestens einem Detektor und/oder mit mindestens einer Strahlenquelle verbindbar ist. Hierdurch kann ein einziger diffraktiver Gitterkoppler verwendet werden, um die Komplexität der LIDAR-Vorrichtung zu verringern. Es können mehrere Strahlenquellen und mehrere Detektoren über das Wellenleiternetzwerk mit einem diffraktiven Gitterkoppler strahlenleitend verbunden sein. Das Wellenleiternetzwerk sorgt dafür, dass die Strahlen von allen Strahlenquellen vereint oder einzeln zum diffraktiven Gitterkoppler geführt werden. Weiterhin sorgt es beim Empfang wieder für ein De-Multiplexing der empfangenen Strahlen. In diesem Fall weisen die jeweiligen Strahlenquellen vorzugsweise unterschiedliche Emissions-Wellenlängen auf, um eine Parallelisierung bzw. einen veränderlichen Austrittswinkel der ausgekoppelten Strahlen zu gewährleisten.According to a further exemplary embodiment, the LIDAR device has a diffractive grating coupler which can be connected to at least one detector and / or to at least one radiation source via a waveguide network. This allows a single diffractive grating coupler to be used to reduce the complexity of the LIDAR device. Several radiation sources and several detectors can be connected in a radiation-conducting manner via the waveguide network with a diffractive grating coupler. The waveguide network ensures that the beams from all radiation sources are combined or individually guided to the diffractive grating coupler. It also ensures that the received beams are de-multiplexed when receiving. In this case, the respective radiation sources preferably have different emission wavelengths in order to ensure parallelization or a variable exit angle of the coupled-out beams.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Spiegelelement entlang eines horizontalen Ablenkwinkels und/oder eines vertikalen Abtlenkwinkels verschwenkbar oder drehbar. Hierdurch kann das mechanisch bewegliche Spiegelelement den durch den Wellenlängenscan resultierenden Ablenkwinkel in derselben Dimension vergrößern oder eine zusätzliche Ablenkung in einer zweiten Dimension realisieren.According to a further embodiment, the mirror element can be pivoted or rotated along a horizontal deflection angle and / or a vertical deflection angle. As a result, the mechanically movable mirror element can enlarge the deflection angle resulting from the wavelength scan in the same dimension or realize an additional deflection in a second dimension.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die mindestens eine Strahlenquelle und der mindestens eine Detektor durch mindestens eine gemeinsame oder separate Strahlenleitstruktur strahlenleitend mit mindestens einem diffraktiven Gitterkoppler verbunden. Insbesondere kann ein Detektor über eine eigene Strahlenleitstruktur mit einem diffraktiven Gitterkoppler strahlenleitend verbunden sein. Analog hierzu kann eine Strahlenquelle über eine eigene Strahlenleitstruktur mit einem weiteren diffraktiven Gitterkoppler oder gemeinsam mit dem diffraktiven Gitterkoppler des Detektors strahlenleitend verbunden sein. Des Weiteren kann eine gemeinsame Strahlenleitstruktur eine oder mehrere Strahlenquellen sowie einen oder mehrere Detektoren mit mindestens einem diffraktiven Gitterkoppler strahlenleitend verbinden.According to a further exemplary embodiment, the at least one radiation source and the at least one detector are connected in a radiation-conducting manner to at least one diffractive grating coupler by at least one common or separate radiation guiding structure. In particular, a detector can be connected in a radiation-guiding manner to a diffractive grating coupler via its own radiation guiding structure. Analogously to this, a radiation source can be connected to a further diffractive grating coupler or together with the diffractive grating coupler of the detector in a radiation-guiding manner via its own radiation guiding structure. Furthermore, a common radiation guide structure can connect one or more radiation sources and one or more detectors with at least one diffractive grating coupler in a radiation-guiding manner.

Die mindestens eine Strahlenleitstruktur kann gemeinsam mit der Strahlenquelle, dem Detektor und dem diffraktiven Gitterkoppler Wafer-basiert hergestellt sein.The at least one radiation guide structure can be produced on a wafer basis together with the radiation source, the detector and the diffractive grating coupler.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist im Strahlengang der ausgekoppelten Strahlen zwischen dem mindestens einen diffraktiven Gitterkoppler und dem Spiegelelement ein optisches System angeordnet. Das optische System kann ein oder mehrere optische Elemente, wie beispielsweise Linsen, Filter, Kollimatoren und dergleichen aufweisen. Hierdurch können die aus den diffraktiven Gitterkopplern ausgekoppelten Strahlen optimal auf das Spiegelelement ausgerichtet werden. Beispielsweise können die ausgekoppelten Strahlen durch das optische System parallelisiert werden. Des Weiteren kann das optische System dazu eingesetzt werden, einen optimalen bzw. vordefinierten Strahlendurchmesser einzustellen.According to a further embodiment, an optical system is arranged in the beam path of the coupled-out beams between the at least one diffractive grating coupler and the mirror element. The optical system can have one or more optical elements, such as, for example, lenses, filters, collimators and the like. As a result, the beams decoupled from the diffractive grating couplers can be optimally aligned on the mirror element. For example, the coupled-out beams can be parallelized by the optical system. Furthermore, the optical system can be used to set an optimal or predefined beam diameter.

Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere diffraktive Gitterkoppler zusammengefasst werden, um die Divergenz des Strahls aus einem einzelnen Gitterkoppler zu reduzieren bzw. den Strahl zu formen. Im Folgenden kann ein derartiges GitterkopplerArray wieder als einzelnes Gitterkoppler-Element betrachtet werden das einen bestimmten Winkelbereich im Abtastbereich adressiert. Die Substruktur des Gitterkoppler-Arrays kann dabei aus mehreren Gitterkopplern bestehen.As an alternative or in addition, several diffractive grating couplers can also be combined in order to reduce the divergence of the beam from a single grating coupler or to shape the beam. In the following, such a grating coupler array can again be viewed as a single grating coupler element that addresses a specific angular range in the scanning area. The substructure of the grating coupler array can consist of several grating couplers.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
2 eine Veranschaulichung eines Wellenlängen-Scans entlang einer Vertikalrichtung und einer Strahlenablenkung durch ein Spiegelelement entlang einer Horizontalrichtung,
3 eine Draufsicht auf eine photonisch integrierte Schaltung der LIDAR-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
4 eine Draufsicht auf eine photonisch integrierte Schaltung der LIDAR-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform und
5 eine Draufsicht auf eine photonisch integrierte Schaltung der LIDAR-Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.

In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail on the basis of greatly simplified schematic representations. Show here

1 a schematic representation of a LIDAR device according to an embodiment,
2 an illustration of a wavelength scan along a vertical direction and a beam deflection by a mirror element along a horizontal direction,
3 a plan view of a photonic integrated circuit of the LIDAR device according to a first embodiment,
4th a plan view of a photonic integrated circuit of the LIDAR device according to a second embodiment and
5 a plan view of a photonic integrated circuit of the LIDAR device according to a third embodiment.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1. Die LIDAR-Vorrichtung 1 dient zum Abtasten von Abtastbereichen A mit emittierten Strahlen 2. Die emittierten Strahlen 2 können entlang eines horizontalen Ablenkwinkels Wh und entlang eines vertikalen Ablenkwinkels Wv abgelenkt werden.the 1 Figure 3 shows a schematic representation of a LIDAR device 1 . The LIDAR contraption 1 is used to scan scan areas A with emitted beams 2 . The emitted rays 2 can be deflected along a horizontal deflection angle Wh and along a vertical deflection angle Wv.

Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist beispielhaft vier Strahlenquellen 4 zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen 5 und vier Detektoren 6 zum empfangen von aus dem Abtastbereich A rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen 7 auf. Der Einfachheit halber sind die Strahlenquellen 4 und die Detektoren 6 als kombinierte Sende- und Empfangseinheiten dargestellt.The LIDAR device 1 has four radiation sources as an example 4th for generating electromagnetic radiation 5 and four detectors 6th for receiving backscattered and / or reflected beams from the scanning area A. 7th on. For the sake of simplicity, the radiation sources are 4th and the detectors 6th shown as combined transmitting and receiving units.

Die Strahlenquellen 4 und die Detektoren 6 sind jeweils über separate Strahlenleitstrukturen 8 mit jeweils einem diffraktiven Gitterkoppler 10 verbunden. Dabei bilden die Strahlenquellen 4, die Detektoren 6, die Strahlenleitstrukturen 8 und die diffraktiven Gitterkoppler 10 eine photonisch integrierte Schaltung 12 aus, welche Wafer-basiert herstellbar ist.The sources of radiation 4th and the detectors 6th are each via separate radiation guide structures 8th each with a diffractive grating coupler 10 connected. The radiation sources form 4th who have favourited detectors 6th , the radiation guide structures 8th and the diffractive grating couplers 10 a photonic integrated circuit 12th from which wafer-based can be produced.

Die Strahlenquellen 4 können als Laser oder LEDs ausgestaltet sein.The sources of radiation 4th can be designed as lasers or LEDs.

Die erzeugten Strahlen 5 einer Strahlenquelle 4 können über jeweils eine Strahlenleitstruktur 8 zu einem endseitig angeordneten diffraktiven Gitterkoppler 10 gesendet werden. Der diffraktive Gitterkoppler 10 ist dazu eingerichtet, die erzeugten Strahlen 5 auszukoppeln. Die aus dem diffraktiven Gitterkoppler 10 ausgekoppelten Strahlen 11 werden auf ein bewegliches Spiegelelement 14 emittiert.The generated rays 5 a radiation source 4th can each have a radiation guide structure 8th to a diffractive grating coupler arranged at the end 10 be sent. The diffractive grating coupler 10 is set up to use the generated rays 5 decoupling. The one from the diffractive grating coupler 10 outcoupled rays 11 are on a movable mirror element 14th emitted.

Der diffraktive Gitterkoppler 10 kann hierbei sowohl zum Auskoppeln von Strahlen als auch zum Einkoppeln von Strahlen in die Strahlenleitstruktur 8 eingesetzt werden.The diffractive grating coupler 10 can be used both for decoupling beams and for coupling beams into the beam guide structure 8th can be used.

Das Spiegelelement 14 ist beispielsweise als ein Makrospiegel oder ein MEMS Spiegel ausgestaltet und kann um eine Horizontalrichtung H und/oder um eine Vertikalrichtung V geschwenkt werden, um die ausgekoppelten Strahlen 11 entlang des horizontalen Ablenkwinkels Wh und/oder entlang des vertikalen Ablenkwinkels Wv abzulenken. Die durch das Spiegelelement 14 abgelenkten Strahlen 2 werden in den Abtastbereich A emittiert.The mirror element 14th is designed, for example, as a macro mirror or a MEMS mirror and can be pivoted about a horizontal direction H and / or about a vertical direction V, around the coupled-out beams 11 deflect along the horizontal deflection angle Wh and / or along the vertical deflection angle Wv. The one through the mirror element 14th deflected rays 2 are emitted into the scanning area A.

Zwischen den diffraktiven Gitterkopplern 10 und dem Spiegelelement 14 ist ein optisches System 20 angeordnet. Das optische System 20 weist beispielhaft eine Linse auf, welche zum Kollimieren der ausgekoppelten Strahlen dient.Between the diffractive grating couplers 10 and the mirror element 14th is an optical system 20th arranged. The optical system 20th has, for example, a lens which is used to collimate the coupled-out beams.

Das optische System 20 kann darüber hinaus mehrere Linsen, Filter und/oder diffraktive Elemente umfassen.The optical system 20th can also include multiple lenses, filters and / or diffractive elements.

Die vier Strahlenquellen 4 erzeugen Strahlen 5, welche in der Wellenleiterstruktur bzw. der Strahlenleitstruktur 8 des photonisch integrierten Schaltkreises 12 propagieren und zu den diffraktiven Gitterkoppler-Strukturen 10 gelangen. An den diffraktiven Gitterkoppler 10 können die Strahlen ausgekoppelt werden. Die Strahlen treffen anschließend auf das Spiegelelement 14, von welcher die Strahlen 2 die Umgebung bzw. den Abtastbereich A abgelenkt werden. Der Empfang der rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen 7 funktioniert in umgekehrter Weise. Die rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen 7 treffen auf das Spiegelelement 14, welches die rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen 7 wieder zurück auf die diffraktiven Gitterkoppler 10 lenkt. Dort werden die Strahlen 7 in den Silizium-Chip bzw. die Strahlenleitstruktur 8 eingekoppelt und können somit zu den Detektoren 6 gelangen.The four sources of radiation 4th generate rays 5 , which in the waveguide structure or the radiation guide structure 8th of the photonic integrated circuit 12th propagate and to the diffractive grating coupler structures 10 reach. To the diffractive grating coupler 10 the beams can be coupled out. The rays then hit the mirror element 14th from which the rays 2 the surroundings or the scanning area A are deflected. The reception of the backscattered and / or reflected rays 7th works in reverse. The backscattered and / or reflected rays 7th meet the mirror element 14th , which is the backscattered and / or reflected rays 7th back to the diffractive grating coupler 10 directs. There will be the rays 7th into the silicon chip or the radiation guide structure 8th coupled and can thus to the detectors 6th reach.

Die 2 zeigt eine Veranschaulichung eines Wellenlängen-Scans Δλ entlang der Vertikalrichtung V und einer Strahlenablenkung durch das Spiegelelement 14 entlang der Horizontalrichtung H. Es werden hierbei die in 1 gezeigten Strahlenquellen 4 mit unterschiedlichen Emissions-Wellenlängen verwendet.the 2 shows an illustration of a wavelength scan Δλ along the vertical direction V and a beam deflection by the mirror element 14th along the horizontal direction H. The in 1 radiation sources shown 4th used with different emission wavelengths.

Da der Austrittswinkel Wa der ausgekoppelten Strahlen 11 aufgrund der diffraktiven Eigenschaften der diffraktiven Gitterkoppler 10 stark wellenlängenabhängig ist, kann eine Dimension des Abtastbereichs A durch die Variation der Wellenlänge der erzeugten Strahlen 5 abgedeckt werden. Hierdurch verschieben sich die Spots 16 im Fernfeld beispielsweise in Vertikalrichtung V.Since the exit angle Wa of the outcoupled rays 11 due to the diffractive properties of the diffractive grating couplers 10 is strongly dependent on the wavelength, one dimension of the scanning area A can be determined by varying the wavelength of the generated beams 5 to be covered. This shifts the spots 16 in the far field, for example in the vertical direction V.

Besitzen die vier Strahlenquellen 4 der 1 eine jeweils eine andere Emissions-Wellenlänge bzw. Zentralwellenlänge, wie beispielsweise 1520 nm, 1540 nm, 1560 nm und 1580 nm, kann zusätzlich ein Multiplexing realisiert werden, da jede Wellenlänge einen eigenen leicht in Vertikalrichtung V verschobenen Spot 16 im Fernfeld erzeugt. Hierdurch entsteht eine Parallelisierung um einen Faktor vier. Wird die Wellenlänge jeder Strahlenquelle 4 ebenfalls verändert, verschiebt sich die so erzeugte aus mehreren Spots 16 ausgebildete vertikale Linie scannend in Vertikalrichtung V.Have the four radiation sources 4th the 1 a different emission wavelength or central wavelength, such as 1520 nm, 1540 nm, 1560 nm and 1580 nm, multiplexing can also be implemented, since each wavelength has its own spot slightly shifted in the vertical direction V. 16 generated in the far field. This creates a parallelization by a factor of four. Will be the wavelength of any radiation source 4th also changed, the one created in this way from several spots shifts 16 formed vertical line scanning in vertical direction V.

Das Spiegelelement 14 muss somit nur noch in einer Dimension bewegt werden, um die Strahlen 2 bzw. die Spots 16 in Horizontalrichtung H abzulenken. Der horizontale Ablenkwinkel Wh wird somit durch eine Bewegung des Spiegelelements 14 abgedeckt. Der vertikale Ablenkwinkel Wv wird durch eine Veränderung der Wellenlänge Δλ und die Parallelisierung mit den vier Strahlenquellen 4 realisiert.The mirror element 14th thus only has to be moved in one dimension in order to avoid the rays 2 or the spots 16 to deflect in the horizontal direction H. The horizontal deflection angle Wh is thus determined by a movement of the mirror element 14th covered. The vertical deflection angle Wv is determined by a change in the wavelength Δλ and the parallelization with the four radiation sources 4th realized.

In der 3 ist eine Detailansicht der photonisch integrierten Schaltung 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Dabei sind die jeweiligen Strahlenquellen 4, Detektoren 6, Strahlenleitstrukturen 8 und die diffraktiven Gitterkoppler 10 der photonisch integrierten Schaltung 12 gezeigt. Jede Strahlenquelle 4 ist mit einem diffraktiven Gitterkoppler 10 über eine Strahlenleitstruktur 8 verbunden. An jeder Strahlenleitstruktur 8 ist auch jeweils ein Detektor 6 angeordnet.In the 3 Figure 3 is a detailed view of the photonic integrated circuit 12th the LIDAR device 1 shown according to a first embodiment. Here are the respective radiation sources 4th , Detectors 6th , Radiation guide structures 8th and the diffractive grating couplers 10 the photonic integrated circuit 12th shown. Any radiation source 4th is with a diffractive grating coupler 10 via a radiation guide structure 8th connected. At every ray guide structure 8th is also a detector each 6th arranged.

Die 4 zeigt eine Draufsicht auf eine photonisch integrierte Schaltung 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen, weist die photonisch integrierte Schaltung 12 eine einzige Strahlenquelle 4 auf, welche mehrere Strahlenleitstrukturen 8 gleichzeitig mit erzeugten Strahlen 5 beaufschlagen kann. Die jeweiligen diffraktiven Gitterkoppler 10 weisen hierbei gleiche oder unterschiedliche Kopplungsparameter auf, durch welche die Austrittswinkel Wa der ausgekoppelten Strahlen 11 beeinflusst werden. Die Strahlenquelle 4 weist hierbei eine einstellbare Emissions-Wellenlänge auf.the 4th shows a plan view of a photonic integrated circuit 12th the LIDAR device 1 according to a second embodiment. In contrast to the exemplary embodiments already described, the photonic integrated circuit 12th a single radiation source 4th on which several radiation guide structures 8th simultaneously with generated rays 5 can apply. The respective diffractive grating couplers 10 have the same or different coupling parameters through which the exit angle Wa of the coupled-out beams 11 to be influenced. The radiation source 4th has an adjustable emission wavelength.

In der 5 ist eine Draufsicht auf eine photonisch integrierte Schaltung 12 der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt. Es wird ein einziger diffraktiver Gitterkoppler 10 eingesetzt, um die Komplexität der LIDAR-Vorrichtung 1 und insbesondere der photonisch integrierten Schaltung 12 zu verringern. Der diffraktive Gitterkoppler 10 ist über ein Wellenleiternetzwerk 18 mit den Strahlenleitstrukturen 8 der jeweiligen Strahlenquellen 4 und Detektoren 6 verbunden.In the 5 Fig. 3 is a plan view of a photonic integrated circuit 12th the LIDAR device 1 shown according to a third embodiment. It becomes a single diffractive grating coupler 10 used to address the complexity of the lidar device 1 and in particular the photonic integrated circuit 12th to reduce. The diffractive grating coupler 10 is via a waveguide network 18th with the radiation guide structures 8th the respective radiation sources 4th and detectors 6th connected.

Claims

LIDAR device (1) for scanning scanning areas (A), having at least one radiation source (4) for generating electromagnetic beams (5) and at least one detector (6) for receiving backscattered and / or reflected from the scanning area (A) Beams (7), the at least one radiation source (4) and the at least one detector (6) being connected in a radiation-conducting manner to at least one diffractive grating coupler (10), characterized in that an exit angle (Wa) of through the diffractive grating coupler (10) outcoupled beams (11) can be set based on a variable wavelength of the generated beams (5) and / or based on various coupling parameters of the at least one diffractive grating coupler (10), the beams decoupled by the at least one diffractive grating coupler (10) through a mirror element (14) are deflectable along at least one scanning direction (H, V) into the scanning area (A).

LIDAR device according to Claim 1 wherein the variable wavelength of the generated beams (5) can be generated by at least two radiation sources (4) with different emission wavelengths or by at least one radiation source (4) with variably adjustable emission wavelengths.

LIDAR device according to Claim 1 or 2 , wherein the LIDAR device (1) has at least two diffractive grating couplers (10) with different or the same coupling parameters, which are set up to couple simultaneously or staggered beams (5) with constant or variable wavelengths and towards the mirror element (14) to steer.

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 3 , the coupling parameter of a diffractive grating coupler (10) depending on a shape of the diffractive grating coupler (10), an angle of the diffractive grating coupler with respect to a substrate of a photonic integrated circuit (12), a grating constant of the diffractive grating coupler (10) and / or dimensions of the diffractive grating coupler (10) is designed.

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 4th , whereby through different coupling parameters of the at least two diffractive grating couplers (10) varying exit angles (Wa) of the generated beams (5) with the same wavelength from the diffractive grating couplers (10) can be set.

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 5 wherein the at least one radiation source (4), the at least one detector (6) and the at least one diffractive grating coupler (10) are designed as a photonic integrated circuit (12).

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 6th , wherein the at least one diffractive grating coupler (10) is set up to receive backscattered and / or reflected rays (7) or rays deflected by the mirror element (14) directly from the scanning area (A) and to the at least one detector (6) to direct.

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 7th wherein the mirror element (14) is set up to enlarge the exit angle (Wa) of the beams (11) coupled out by the at least one diffractive grating coupler (10) along the at least one scanning direction (H, V).

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 8th , the LIDAR device (1) having a diffractive grating coupler (10) which can be connected to at least one detector (6) and / or to at least one radiation source (4) via a waveguide network (18).

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 9 wherein the mirror element (14) can be pivoted or rotated along a horizontal deflection angle (Wh) and / or a vertical deflection angle (Wv).

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 10 wherein the at least one radiation source (4) and the at least one detector (6) are connected in a radiation-conducting manner to at least one diffractive grating coupler (10) by at least one common or separate radiation guide structure (8).

LIDAR device according to one of the Claims 1 until 11 wherein an optical system (20) is arranged in the beam path of the coupled-out beams between the at least one diffractive grating coupler (10) and the mirror element (14).

Method for scanning a scanning area (A) along a first scanning angle (Wv) and along a second scanning angle (Wh), which form the scanning area (A), by a LIDAR device (1), whereby by at least one with at least one diffractive grating coupler (10) coupled radiation source (4) generated beams (5) along the first scanning angle (Wv) or a section of the first scanning angle (Wv) are decoupled and directed to a mirror element (14), the outcoupled by the diffractive grating coupler (10) Beams (11) are deflected by the mirror element (14) along the first scanning angle (Wv) and / or the second scanning angle (Wh) and emitted into the scanning area (A).