DE102021200957A1

DE102021200957A1 - Optisches System

Info

Publication number: DE102021200957A1
Application number: DE102021200957.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Marc Schmid; Simon Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-08-04
Also published as: WO2022167274A1

Abstract

Offenbart ist ein optisches System (1), das dazu eingerichtet ist, mittels einer oder mehrerer Lichtquellen (2) durch Abstrahlen von Lichtstrahlen (3a, 3b, 3c) eine Oberfläche (4) in einer Umwelt mit dem jeweiligen Lichtstrahl (3a, 3b, 3c) abzutasten, um daraus Informationen über die Umwelt zu gewinnen, wobei das optische System (1) einen oder mehrere Laser als die Lichtquellen (2) umfasst.Das optische System (1) umfasst mehrere Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c), die dafür eingerichtet sind, das von einer jeweils zugeordneten der Lichtquellen (2) abgestrahlte Licht zu empfangen und bei einer festgelegten Wellenlänge unter unterschiedlichen Winkeln in die Umwelt zum Abtasten abzustrahlen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, das dazu eingerichtet ist, mittels einer oder mehrerer Lichtquellen durch Abstrahlen von Lichtstrahlen eine Oberfläche in einer Umwelt mit dem jeweiligen Lichtstrahl abzutasten, um daraus Informationen über die Umwelt zu gewinnen, wobei das optische System einen oder mehrere Laser als die Lichtquellen umfasst.
Stand der Technik
Integrierte optische Komponenten versprechen, ansonsten typischerweise große optische Systeme auf ein Chip-Format zu verkleinern und dort die verschiedensten Funktionalitäten zu implementieren. Darüber hinaus erlaubt der Einsatz von Halbleiterprozessschritten die Fertigung von hohen Stückzahlen.
Zwar existiert das Forschungs- und Entwicklungsgebiet der integrierten Optik schon einige Jahrzehnte, aber Hochvolumen-Fertigungsmöglichkeiten speziell für die Silizium-basierte Photonik wurden erst im Laufe des letzten Jahrzehnts entwickelt. Die Silizium-Photonik (engl. Silicon Photonics) greift dabei auf den größten Komponenten-Baukasten zurück und bedient sich wohlbekannter CMOS-Fertigungsprozesse.
Erste Ansätze für eine Strahlablenkeinheit in der integrierten Optik wurden vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) publiziert. Hierbei wurde eine größere Anzahl von vertikalen Emittern in einem Array angeordnet. Die Emitter waren in diesem Fall Gitterkoppler, die über Wellenleiter mit Licht versorgt wurden. Der Abstand zwischen den Emittern bestimmt, wie groß der überstrichene Winkelbereich der zentralen Emissionskeule ohne Doppeldeutigkeiten werden kann. Durch Kontrolle der Phase des Lichts an jedem Emitter und Interferenz des Lichts im Fernfeld kann ein beliebiges Muster erzeugt werden, bzw. ein enger Fokus in einem großen Winkelbereich erzeugt und bewegt werden. Für diesen Ansatz ist der Stand der Technik in folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen dokumentiert: J. Sun et al., „Large-scale nanophotonics phased array“, Nature 493, 195 (2013) und J. C. Hulme et al., „Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner“, Optics Express 23, 5861 (2015).
Neben der Strahlablenkung über die relativen Phaseneinstellungen in den Antennen lässt sich eine Strahlablenkung für eine Gitterantenne über Wellenlängenänderungen erreichen. Häufig werden diese beiden Ablenkmechanismen zur 2D-Ablenkung mit einem 1D-Antennen-Array eingesetzt.
Zielparameter für ein optisches Phasenarray (OPA) ist unter anderem die Größe des adressierbaren Sichtfeldes. Die maximalen Ablenkwinkel für die beiden Achsenrichtungen bewegen sich für OPAs aus dem Stand der Technik im Bereich von etwa 80° x 15°.
Auf CMOS-Technologie beruhende OPA-Systeme zum Ablenken von Strahlen in zwei Achsenrichtungen können auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Eine Möglichkeit beruht auf der Herstellung eines 2D-Antennen-Arrays. Durch Steuerung der Phase lässt sich die Ablenkung in beide Achsenrichtungen kontrollieren. Ein Beispiel für ein solches 2D-OPA ist in F. Ashtiani et al. „N x N optical phased array with 2N phase Shifters“, Optics Express 27 (19), pp 27183, 2019 dargestellt. Die genannte Veröffentlichung behandelt ein Chip-basiertes 2D optisches Phasenarray mit Ablenkung durch Phasenverschiebung in zwei Achsenrichtungen. Ein weiteres Realisierungsbeispiel wird in einem US-Patent von Michael Watts diskutiert, nämlich in der US 9476981 B2 . Hierbei wird das OPA mit einem Laser kombiniert, dessen Frequenz linear moduliert wird. Dieses Licht wird ausgesendet und wieder eingefangen und auf dem Chip mit Licht aus dem Laser überlagert. Nachteilig sind bei dieser Architektur die hohe Komplexität und der große Flächenverbrauch.
Im weiteren Verlauf wurden Konzepte entwickelt mit einem 1D-Antennen-Array eine Ablenkung in zwei Achsen zu erzielen. Folgendes Literaturbeispiel veranschaulicht die Steuerung einer Ablenkachse über die Wellenlänge des verwendeten Lasers. Gitterantennen besitzen die Eigenschaft, die in ihnen propagierende Mode in einen Raumwinkel zu emittieren, der u.a. durch die Wellenlänge bestimmt ist. In C.-S. Im et al. „Silicon nitride optical phased array based on a grating antenna enabling wavelength-tuned beam steering“, Optics Express 28 (3), pp. 3270, 2020, ist die Umsetzung einer 1D-Ablenkeinheit durch Variation der Laser-Wellenlänge skizziert. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Chip-basiertes optisches Phasen-Array mit Steuerungsmöglichkeit durch Wellenlängenänderung in einer Achsenrichtung. Hierbei werden keine Phasenschieber verwendet. Typischerweise ist der maximale Ablenkwinkel durch Wellenlängenänderung klein im Vergleich mit den maximalen Ablenkwinkeln durch die relative Einstellung der Phasen in den einzelnen Antennen über Phasenschieber.
Um mit einem 1D-Antennen-Array eine 2D-Ablenkeinheit zu realisieren, können die beiden o.g. Ablenkmechanismen kombiniert werden. Dabei wird die Ablenkung auf der ersten Achse durch die Einstellung der Phasenlage in den Antennen und die auf der zweiten Achse durch Wellenlängenänderung erreicht. In C. V. Poulten „Long-Range LiDAR and Free-Space Data Communication With High-Performance Optical Phased Arrays“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 25(5), 2019, ist ein Beispiel für ein derart konzipiertes OPA dargestellt. Diese Publikation umfasst unter anderem eine Veranschaulichung eines 1D-Antennen-Arrays mit einer 2D-Steuerungsmöglichkeit durch Phasen- bzw. Wellenlängenänderung. Für die Ablenkung in die zweite Richtung wird ein durchstimmbarer Laser eingesetzt, der einen sehr breiten Wellenlängenbereich von 1450 nm bis 1640 nm abdeckt. Gemäß der Publikation ließ sich damit auf der entsprechenden Achse ein Ablenkwinkel von 15° erreichen.
Weiter ist eine schematische Darstellung eines 1D-Antennen-Arrays mit 2D-Ablenkungsmöglichkeit aus der US 2018 306925 AA bekannt. Dieses Konzept erscheint recht praktikabel hinsichtlich des integrierten optischen Chips. Allerdings werden in den meisten Fällen externe Laser verwendet, die einen sehr breiten durchstimmbaren Wellenlängenbereich aufweisen mit dem Ziel einen hohen maximalen Ablenkungswinkel zu erreichen. Ein durchstimmbarer Laser mit dem o.g. großen durchstimmbaren Wellenlängenbereich benötigt recht großen Bauraum. Der Versuch einer Miniaturisierung in Form von einer Laser-Integration auf dem Chip zeigt, dass als Konsequenz Konzepte mit mehreren Lasern umgesetzt werden. Der große, hoch performante externe Laser lässt sich also durch mehrere Laser ersetzen. Die Integration der Laser selbst, der weiteren notwendigen Komponenten und der Laserbetrieb bringen sowohl einen hohen Integrationsaufwand als auch eine hohe Komplexität mit sich.
Probleme, die sich aus dem Stand der Technik also ergeben können, sind eine hohe Systemkomplexität oder auch eine niedrige Scangeschwindigkeit. Die zweite Ablenkungsrichtung wird außerdem meist durch Veränderung der Lichtquellen-Wellenlänge erreicht, wie z.B. mittels eines durchstimmbaren Lasers. Der Wellenlängenbereich, über den der Laser durchgestimmt werden kann, Δλ, und der gleichzeitig alle notwendigen Anforderungen erfüllt (z.B. hinsichtlich Intensität, Geschwindigkeit) ist begrenzt. Üblicherweise werden deshalb mehrere durchstimmbare Laser mit unterschiedlichen Zentralwellenlängen in den OPA-Chip eingespeist. Erst dadurch lässt sich der notwendige Ablenkwinkel des Strahls im Stand der Technik in der zweiten Achsenrichtung (und gleichzeitig eine höhere Emissionsintensität) erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein optisches System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, wobei das optische System mehrere Antennen-Arrays umfasst, die dafür eingerichtet sind, das von einer jeweils zugeordneten der Lichtquellen abgestrahlte Licht zu empfangen und bei einer festgelegten Wellenlänge unter unterschiedlichen Winkeln in die Umwelt zum Abtasten abzustrahlen.
Vorteile der Erfindung
Das optische System hat den Vorteil, dass sich bei gleicher Anzahl von, insbesondere durchstimmbaren, Lasern ein größerer Winkelbereich in der zweiten Achsenrichtung adressieren lässt, was einer Vergrößerung des Sichtfeldes entspricht. Im Stand der Technik werden häufig mehrere Laser verwendet, um eine ausreichend große Strahlablenkung durch die Wellenlängenänderung zu erzielen. Bei konstantem Sichtfeld ergibt sich andererseits eine reduzierte Anzahl an Lichtquellen. Die Systemkomplexität wird somit reduziert.
In Ausführungsformen basiert das optische System auf einem chip-basierten OPA, dessen Ausgangsstrahl in die Umwelt in eine oder mehr, vorzugsweise zwei, Achsenrichtungen steuerbar eingerichtet ist. Eine Strahlablenkung in eine erste Achsenrichtung θ kann insbesondere mit Hilfe von Phasenschiebern, die in dem optischen System vorgesehen sein können, über eine relative Einstellung der Phasen in den einzelnen Antennen der Phasenarrays bereitgestellt werden. Eine Ablenkung in eine zweite Achsenrichtung Ψ kann vorzugsweise über Durchstimmen der Laserwellenlänge erfolgen: Innerhalb einer Gitterantenne des Antennen-Arrays kommt es zu einer Streuung des in einem Wellenleiter zur Gitterantenne propagierten Lichts, das von der Lichtquelle kommt. Durch Definition einer Gitterperiode bzw. einer Gitterkonstante Λ_n ist eine Festlegung des Emissionswinkels für eine gegebene Wellenlänge möglich. Ein maximaler Abstrahlwinkel in die zweite Achsenrichtung Ψ ist beispielsweise begrenzt durch eine Breite Δλ des durchstimmbaren Wellenlängenbereiches der einen oder der mehreren Lichtquellen. Die folgenden Erläuterungen beschäftigen sich vornehmlich mit der Ablenkung um die zweite Achsenrichtung Ψ.
Bevorzugt ist, dass jedes Antennen-Array Licht mit einer festgelegten Wellenlänge abstrahlt, die sich von der Wellenlänge von Licht unterscheidet, das von den übrigen Antennen-Arrays abgestrahlt wird. Die festgelegte Wellenlänge, mit der der Lichtstrahl von jedem Antennen-Array abgestrahlt wird, ist also vorzugsweise für jedes Antennen-Array in Bezug auf die übrigen Antennen-Arrays eineindeutig festgelegt.
In dieser Erfindung kann in Ausführungsformen ein einziger durchstimmbarer Laser als die Lichtquelle bereitgestellt sein, um das gesamte Sichtfeld (engl. field of view, kurz: FOV) in der zweiten Achsenrichtung Ψ in gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Weise aufzuspannen. Die zweite Achsenrichtung Ψ ist vorzugsweise diejenige Strahlablenkungsachse, für die der in die Umwelt abgestrahlte Lichtstrahl mit einer Variation der Laserwellenlänge kontrolliert wird. Statt nur eines Lasers können in manchen Ausführungsformen zwei oder mehr Laser verwendet werden. In einem ersten Fall ist vorgesehen, dass das optische System ein konstantes FoV bereitstellt. Dann ist vorzugsweise nur ein einziger durchstimmbarer Laser (bzw. weniger dann vorteilhafterweise baugleiche mit geringerem Anspruch an den durchstimmbaren Wellenlängenbereich statt mehrere unterschiedliche durchstimmbare Laser) in dem optischen System bereitgestellt. In einem zweiten Fall weist das optische System insbesondere eine Anzahl von durchstimmbaren baugleichen Lasern auf. So kann das FOV noch weiter vergrößert werden. Jeder Lichtquelle sind dann vorzugsweise zwei oder mehr Antennen-Arrays zugeordnet, um das Licht der Lichtquelle in unterschiedliche Winkel in die Umwelt abzulenken. Vorzugsweise sind alle Lichtquellen durchstimmbare Laser. So kann die Wellenlänge des abzustrahlenden Lichtstrahls mittels jeder Lichtquelle festgelegt werden. In manchen Ausführungsformen sind alle Lichtquellen auf Wellenlängen durchgestimmt, die sich von den Wellenlängen der übrigen Lichtquellen unterscheiden, insbesondere im oben genannten zweiten Fall. Insbesondere im oben genannten ersten Fall mit mehreren durchstimmbaren Lasern sollten die durchstimmbaren Wellenlängenbereiche Δλ jedoch identisch sein. Durch die Definition der verschiedenen Gitterkonstanten in den Antennen werden identische Wellenlängen in unterschiedliche Raumwinkel abgelenkt. Nun lassen sich die Laser synchron bezüglich der Wellenlänge betreiben oder auch nicht. Hierdurch können sich sogar Vorteile für den synchronen Betrieb ergeben.
Vorzugsweise ist das optische System gleichsam dafür eingerichtet, den in der Umwelt reflektierten jeweiligen Lichtstrahl zu empfangen. So kann das optische System eine Doppelfunktion übernehmen, nämlich die Lichtstrahlen in die Umwelt auszusenden und auch wieder aus der Umwelt zurückkehrend zu empfangen.
Bevorzugt ist, dass das optische System eine integrierte optische Schaltung umfasst, die zwei oder mehr der jeweiligen Lichtquelle zugeordnete Antennen-Arrays enthält, wobei die jeweils zugeordneten Antennen-Arrays dafür angeordnet sind, den Lichtstrahl der jeweiligen Lichtquelle jeweils in einem Winkel in die Umwelt abzustrahlen, der sich von den Winkeln der übrigen dieser Lichtquelle zugeordneten Antennen-Arrays unterscheidet. So kann ein breites Sichtfeld mit verhältnismäßig wenigen Lichtquellen abgetastet werden. Eine bevorzugte integrierte optische Schaltung weist einen Strahlteiler, auch als Splitter bezeichnet, auf. So kann eine einzige Lichtquelle über den Strahlteiler mehrere Antennen-Arrays mit Licht versorgen. Weiter weist eine bevorzugte integrierte optische Schaltung zwei oder mehr Phasenschieberblöcke auf, die Phasenschieber enthalten. Die Phasenschieberblöcke sind vorzugsweise den Antennen-Arrays und dem Strahlteiler zwischengeschaltet. Zusätzlich kann die integrierte optische Schaltung die Antennen-Arrays derart enthalten, dass jedem Antennen-Array eine Gitterkonstante Λ_n zugeordnet ist, die sich von den Gitterkonstanten der übrigen Antennen-Arrays unterscheidet. So kann der Abstrahlwinkel in Abhängigkeit vom jeweiligen Antennen-Array unterschiedlich festgelegt sein. Integrierte optische Komponenten der integrierten optischen Schaltung können in Silizium, Si3N4, SiO2, anderen optisch transparenten Materialien und deren Kombinationen ausgeführt sein. So wird eine gute Lichttransportfähigkeit durch das optische System hindurch erreicht. Eine bevorzugte integrierte optische Schaltung ist als OPA-Chip ausgeführt. Dies erlaubt eine hohe Integration der Komponenten.
Manche Ausführungsformen sehen vor, dass die integrierte optische Schaltung zwei oder mehr Phasenschieber umfasst, die jeweils mit einem der der Lichtquelle zugeordneten Antennen-Arrays verbunden sind, um die unterschiedlichen Winkel zu erzeugen. Der Strahlteiler kann über einen jeweiligen Wellenleiter mit einem zugeordneten Phasenschieberblock optisch verbunden sein. Jeder Phasenschieberblock kann über einen weiteren jeweiligen Wellenteiler mit dem zugeordneten Antennen-Array optisch verbunden sein. Bevorzugt ist, dass nach dem Einkoppeln in einen vorgelagerten Wellenleiter das von der Lichtquelle kommende Laserlicht in dem Strahlteiler auf dem OPA-Chip auf mehrere der Blöcke mit N Phasenschiebern verteilt wird. Bevorzugt sind beispielsweise 1024 einzelne Antennen und Phasenschieber. So können vorteilhaft 1024 digitale Ansteuerkanäle verwendet werden. Nachgelagert zu den Phasenschieberblöcken befinden sich vorzugsweise n Antennen-Arrays, deren Gitterkonstanten Λ₁,... , Λ_n derart ausgelegt sind, dass sich die Abstrahlwinkel Ψ₁,... , W_n, insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen Gitterkontante, signifikant unterscheiden. Beispielsweise lässt sich damit in Ausführungsformen unter Verwendung von nur einem einzigen Laser als Lichtquelle die maximal zu beleuchtende Fläche auf einer Zieloberfläche in der Umwelt deutlich erhöhen. Die jeweiligen FOVs der einzelnen Antennen-Arrays können direkt aneinandergrenzen, sodass sich keine Lücke zwischen den FOVs ergibt. Die Projektionsflächen der einzelnen Antennen-Arrays können sich jedoch in Ausführungsformen überlappen. So kann in den überlappten Bereichen eine höhere Auflösung oder Lichtintensität erzielt werden.
Vorzugsweise ist die integrierte optische Schaltung dafür angeordnet, das einfallende Licht über eine jeweils eindeutig definierte Gitterperiode jedes der Antennen-Arrays zu modifizieren, um mittels jeder der Gitterperioden einen der Winkel zum Abstrahlen zu definieren. Dies erlaubt, jedem Antennen-Array eine Wellenlänge zuzuweisen und damit in einem festgelegten Winkel abzustrahlen, sodass empfängerseitig das Signal über die Wellenlänge genau einem der abstrahlenden Antennen-Arrays zuordenbar ist.
In einigen Ausführungsformen ist die jeweils zugeordnete Lichtquelle extern zu der integrierten optischen Schaltung auf einem separaten Träger angeordnet. So können die Lichtquellen separat hergestellt und beispielsweise bei Defekt einfach ausgetauscht werden. Der Laser kann sich aber in Ausführungsformen auf demselben Chip wie die integrierte Optik befinden. Dies erlaubt einen hochintegrierten Aufbau mit einer reduzierten Anzahl an Trägern. Der Träger für die Lichtquelle ist vorzugsweise ein Chip.
Die Antennen-Arrays, die jeder Lichtquelle zugeordnet sind, sind vorzugsweise gruppiert angeordnet, sodass nur Antennen desselben Antennen-Arrays einander benachbart angeordnet sind. So kann eine Reduktion von Phasenschiebern mit Hilfe einer gruppierten Architektur erreicht werden, die insbesondere eine Reduktion der Anzahl von Phasenschiebern erlaubt. Vorzugsweise sind zwei Antennen-Arrays mit jeweils einheitlichen Gitterkonstanten Λ₁ und Λ₂ in aufeinanderfolgenden Blöcken realisiert. Die Gitterkonstanten sind vorzugsweise unterschiedlich. Bevorzugt ist, dass nur ein Phasenschieber für die Regelung der Phase der N-ten Antenne in jedem der Arrays benötigt wird. Vorzugsweise halbiert sich die benötigte Anzahl für zwei Antennen-Arrays auf N/2. Bevorzugt ist, dass das von der Lichtquelle kommende Licht mittels eines Strahlteilers auf die zwei Arrays verteilt wird. Alternativ ist es auch möglich, die Antennen mit unterschiedlichen Gitterkonstanten hintereinander zu platzieren. Dabei muss dann sichergestellt werden, dass die vordere Antenne nicht die gesamte Leistung, sondern z.B. nur 50% des Lichts emittiert. Innerhalb der Antennen-Arrays können die Antennen in manchen Ausführungsformen ungleichmäßig verteilt sein, insbesondere in Form von unterschiedlichen, vorzugsweise nicht periodischen, Abständen untereinander. Hiermit lässt sich eine Entkopplung des Zielkonflikts zwischen der Auflösung (Strahldivergenz) und Größe des Sichtfeldes erreichen.
Vorzugsweise sind die Antennen-Arrays dadurch gruppiert, dass in der integrierten optischen Schaltung das Licht der Lichtquelle auf zwei oder mehr Wellenleiter aufgeteilt wird, die für jedes der Antennen-Arrays eine festgelegte, aber unterschiedliche Länge aufweisen. So sind vorzugsweise die Antennen, die jedem Antennen-Array zugeordnet sind, gleich weit von der Lichtquelle entfernt, aber jedes Antennen-Array ist in Bezug auf die übrigen Antennen-Arrays unterschiedlich weit von der Lichtquelle entfernt. So stören sich die Antennen-Arrays im Betrieb nicht gegenseitig. Bevorzugt ist, dass zu diesem Zweck jedem Phasenschieber ein Strahlteiler nachgeschaltet ist, der das von der zugeordneten Lichtquelle einfallende Licht über die Wellenleiter auf die zugeordneten Antennen-Arrays verteilt.
Manche Ausführungsformen sehen vor, dass das optische System dafür eingerichtet ist, zum Abstrahlen des Lichts in die Umwelt und zum Empfangen des reflektierten Lichts aus der Umwelt jeweils dieselben Antennen-Arrays zu verwenden, um einen monoaxialen Detektionspfad bereitzustellen. Bei dieser Konfiguration nutzen ein Sende- und ein Empfangspfad des optischen Systems weitestgehend identische Strukturen der integrierten optischen Schaltung. Insbesondere wird das identische Antennen-Array einschließlich der Phasenschieber zum Abstrahlen und zum Empfangen des in der Umwelt reflektierten Lichtes verwendet. Empfänger-Antennen-Arrays sind in solchen Ausführungsformen also gleichzeitig Sende-Antennen-Arrays. Die komplexen Lichtamplituden des im Empfangspfad zurücklaufenden reflektierten Lichtes werden in Ausführungsformen in einem lokalen Oszillator (LO) mit dem Licht der Lichtquelle gemischt. Der Abgriff für den lokalen Oszillator erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach der Lichtquelle, sodass Licht vor dem Abstrahlen in die Umwelt mit aus der Umwelt wieder empfangenem Licht gemischt wird. Durch die monoaxiale Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass jedes Antennen-Array beim Abstrahlen und Empfangen in den gleichen Raumwinkel „blickt“. Die „Blickrichtung“ jedes Antennen-Arrays kann in Ausführungsformen durch die Einstellung der Phasen innerhalb der Phasenschieber eingestellt bzw. definiert werden.
Alternative Ausführungsformen sehen hingegen vor, dass das optische System dafür eingerichtet ist, zum Abstrahlen des Lichts in die Umwelt und zum Empfangen des reflektierten Lichts aus der Umwelt jeweils separate Antennen-Arrays zu verwenden, um einen biaxialen Detektionspfad bereitzustellen. Eine separate optische Schaltung wird in solchen Ausführungsformen für den Empfangspfad vorgehalten. Die Empfänger-Antennen-Arrays sind also unabhängig von den Sende-Antennen-Arrays und führen das Licht vorzugsweise wieder zu einem lokalen Oszillator (LO), wo die komplexen Lichtamplituden miteinander gemischt werden. Insbesondere das Antennen-Array und die Phasenschieber sind zwischen Sendepfad und Empfangspfad unterschiedlich, sodass für jedes Sende-Antennen-Array ein Empfänger-Antennen-Array jeweils einschließlich der Phasenschieber bereitgestellt ist. Mit anderen Worten, der Empfangspfad kann den Sendepfad vom Aufbau her zumindest im Wesentlichen duplizieren. Die „Blickrichtung“ der Sende- und Empfangsantennen können bei einem biaxialen Detektionspfad mit Vorteil unterschiedlich sein.
Bevorzugt ist, dass das optische System ein LiDAR-System ist. Gerade bei LiDAR-Systemen ist es gewünscht, die Anzahl der Lichtquellen zu verringern und trotzdem ein großes Sichtfeld zu haben, insbesondere bei LiDAR-Sensoren für das autonome Fahren. Ein bevorzugtes LiDAR-System ist ein Frequenzmoduliertes Dauerstrich-LiDAR-System (engl. Frequency-Modulated Continuous-Wave, kurz: FMCW). Die Lichtquellen sind dann vorzugsweise Dauerstrichlaser. Die Lichtquellen sind besonders vorzugsweise durchstimmbare Dauerstrichlaser. So kann jedem Antennen-Array Licht mit einer festgelegten Wellenlänge zugeordnet sein, die sich von der Wellenlänge des Lichts der anderen Antennen-Arrays unterscheidet. Darüber hinaus sind optische Systeme beispielsweise im Robotik-Bereich, in der Consumer 3D-Umfelderkennung, zur Ermittlung von Füllständen, im Smart-Home Bereich und in jedem Bereich der Sensorik oder Bildgebung, der sich mit dem Abrastern von Oberflächen beschäftigt, in Ausführungsformen vorgesehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Detail einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, und
4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein optisches System 1 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das optische System 1 ist hier beispielhaft eine Strahl-Ablenkungseinrichtung (engl. Optical Phased Array). Das optische System 1 kann ein Bestandteil in LiDAR-Systemen, vorzugsweise in FMCW-Lidar-Systemen, sein. Zur Vereinfachung sind herkömmliche Strukturen der Strahl-Ablenkungseinrichtung weggelassen, um die Übersichtlichkeit der Beschreibung zu erhöhen.
Das optische System 1 aus 1 ist dazu eingerichtet, mittels einer oder mehreren Lichtquellen 2 durch Abstrahlen von Lichtstrahlen 3a, 3b, 3c eine Oberfläche 4 in einer Umwelt mit dem jeweiligen Lichtstrahl 3a, 3b, 3c abzutasten, um daraus Informationen über die Umwelt zu gewinnen. Die Oberfläche 4 ist also nicht Bestandteil des optischen Systems 1, sondern Bestandteil der Umwelt. Weiter ist das optische System 1 dafür eingerichtet, den in der Umwelt reflektierten jeweiligen Lichtstrahl 3a, 3b, 3c zu empfangen, wobei in 1 nur der Sendepfad des optischen Systems 1 veranschaulicht ist, um zunächst dessen besonderen Merkmale deutlich beschreiben zu können.
Das optische System 1 umfasst mehrere Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c, die dafür eingerichtet sind, das von einer jeweils zugeordneten der Lichtquellen 2 abgestrahlte Licht zu empfangen und bei einer festgelegten Wellenlänge unter unterschiedlichen Winkeln, in den Figuren mit Ψ_n gekennzeichnet, in die Umwelt zum Abtasten abzustrahlen. Als Lichtquelle 2 ist hier nur ein einziger Laser veranschaulicht. Der Laser ist ein durchstimmbarer Laser. Nicht gezeigte Ausführungsformen können aber zwei oder mehr Lichtquellen umfassen, sodass die in 1 gezeigte Anordnung beispielsweise im Prinzip für jeden bereitgestellten Laser beliebig oft dupliziert sein kann.
Das optische System 1 umfasst eine integrierte optische Schaltung 6. Die integrierte optische Schaltung 6 ist hier beispielhaft als OPA-Chip realisiert. Die integrierte optische Schaltung 6 enthält zwei oder mehr der jeweiligen Lichtquelle 2 zugeordnete Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c. Die jeweils zugeordneten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c sind dafür angeordnet, den Lichtstrahl der jeweiligen Lichtquelle 2 jeweils in einem Winkel in die Umwelt abzustrahlen, der sich von den Winkeln der übrigen dieser Lichtquelle 2 zugeordneten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c unterscheidet. Die integrierte optische Schaltung 6 umfasst dafür zwei oder mehr Phasenschieber 7a, 7b, 7c, hier drei, die jeweils mit einem der der Lichtquelle 2 zugeordneten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c verbunden sind, um die unterschiedlichen Winkel zu erzeugen. Zwischen der jeweiligen Lichtquelle 2 und den Phasenschiebern 5a, 5b, 5c ist ein Strahlteiler 8 zwischengeschaltet, um das von der Lichtquelle 2 kommende Licht auf die Phasenschieber 7a, 7b, 7c aufzuteilen. Die Lichtquelle 2 und der Strahlteiler 8, der Strahlteiler 8 und die Phasenschieber 7a, 7b, 7c sowie die Phasenschieber 7a, 7b, 7c und die zugeordneten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c sind mittels optischer Fasern miteinander verbunden, um eine Lichtübertragung zwischen diesen zu ermöglichen. Der OPA-Chip der integrierten optischen Schaltung 6 umfasst in der gezeigten Ausführungsform den Strahlteiler 8, die Phasenschieber 7a, 7b, 7c und die Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c sowie einen Einkoppeleingang 9 für das von der Lichtquelle 2 kommende Licht. Die zugeordnete Lichtquelle 2 ist nämlich extern zu der integrierten optischen Schaltung 6 auf einem separaten Träger 10 angeordnet. Es ist aber klar, dass in nicht gezeigten Ausführungsformen die Lichtquelle 2 auf demselben Träger wie die integrierte optische Schaltung 6 angeordnet sein kann.
Die integrierte optische Schaltung 6 ist dafür angeordnet, das von der Lichtquelle 2 einfallende Licht, also das von der Lichtquelle 2 kommende, in die integrierte optische Schaltung 6 eingekoppelte Licht, das in die Umwelt abgestrahlt werden soll, über eine jeweils eindeutig definierte Gitterperiode, in den Figuren mit An gekennzeichnet, jedes Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c zu modifizieren, um mittels jeder der Gitterperioden einen Winkel zum Abstrahlen zu definieren. Die am rechten Rand der 1 dargestellte Oberfläche 4 veranschaulicht, wie in der Umwelt die drei durchgestimmten Lichtstrahlen 3a, 3b, 3c, die durch die zugeordneten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c abgestrahlt werden, unter unterschiedlichen Winkeln die Oberfläche 4 abtasten. Jedem Lichtstrahl 3a, 3b, 3c ist ein eineindeutiger Winkel zugeordnet, der auf die jeweilige Gitterperiode Λ₁, Λ₂, Λ₃ des jeweils abstrahlenden Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c zurückführbar ist. Jeder Lichtstrahl 3a, 3b, 3c tastet einen festgelegten Abtastbereich 11a, 11b, 11c der Oberfläche 4 ab. Jeder Abtastbereich 11a, 11b, 11c grenzt hier an einen benachbarten Abtastbereich 11a, 11b, 11c an. In nicht gezeigten Ausführungsformen können sich die Abtastbereiche 11a, 11b, 11c jedoch überlappen. 1 ist also mit anderen Worten eine beispielhafte Veranschaulichung des OPAs mit drei verschieden ausgelegten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c, realisiert in einer integrierten optischen Schaltung 6. Der Bereich aller möglichen Projektionspunkte eines bestimmten Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c auf der Zieloberfläche 4 ist in den Figuren mit der jeweiligen Gitterkonstante Λ₁, Λ₂, Λ₃ kodiert.
In der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform des optischen Systems 1, die nur in einem Detail der integrierten optischen Schaltung 6 veranschaulicht ist, ist vorgesehen, dass die Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c, die jeder Lichtquelle 2 zugeordnet sind, gruppiert angeordnet sind. So sind beispielhaft nur Antennen 12 desselben Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c einander benachbart angeordnet. Hier ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine einzige Antenne 12 mit dem Bezugszeichen 12 versehen. Die Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c sind dadurch gruppiert, dass in der integrierten optischen Schaltung 6 das Licht der Lichtquelle 2 auf zwei oder mehr Wellenleiter 13 aufgeteilt wird, die für jedes der Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c eine festgelegte, aber unterschiedliche Länge aufweisen. Hier ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein einziger Wellenleiter 13 mit dem Bezugszeichen 13 markiert. Zur Aufteilung des Lichts auf die Wellenleiter 13 ist eine Vielzahl von Strahlteilern 8 bereitgestellt. An jedem Strahlteiler 8 sind zwei Antennen 12 von zwei unterschiedlichen Antennen-Arrays 5a, 5b optisch angeschlossen, und zwar über unterschiedlich lange Wellenleiter 13. Die Wellenleiter 13, die von dem zugeordneten Strahlteiler 8 zu Antennen 12 führen, die demselben Antennen-Array 5a, 5b zugeordnet sind, sind gleich lang. So sind die Antennen 12, die jedem Antennen-Array 5a, 5b zugeordnet sind, gleich weit von der Lichtquelle 2 entfernt. Jedes Antennen-Array 5a, 5b ist jedoch in Bezug auf die übrigen Antennen-Arrays 5a, 5b unterschiedlich weit von der Lichtquelle 2 entfernt.
Hier sind in 2 beispielhaft nur zwei Antennen-Arrays 5a, 5b veranschaulicht, es können aber auch drei oder mehr Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c gruppiert angeordnet sein, beispielsweise indem an jedem Strahlteiler 8 drei oder mehr Wellenleiter 13 angeordnet sind, die untereinander unterschiedlich lang sind, aber für jedes Antennen-Array 5a, 5b gleich lang sind. Hat die optische Vorrichtung dann zwei oder mehr solche Strahlteiler 8 mit jeweils drei Wellenleitern 13, die zu Antennen 12 führen, können beispielsweise drei Gruppen von Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c gebildet sein, sodass nur Antennen 12 desselben Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c einander benachbart angeordnet sind. Eine andere Lösung, die nicht gezeigt ist, ist, zwar nur Strahlteiler 8 mit jeweils zwei Wellenleitern 13 zu verwenden, aber auf manchen der Strahlteiler 8 eine erste Länge und eine zweite Länge von Wellenleitern 13 zu verwenden und auf anderen der Strahlteilern die erste Länge und eine dritte Länge von Wellenleitern 13 zu verwenden, um zu den Antennen 12 zu verbinden. So können beispielhaft ebenfalls drei Gruppen von Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c in unterschiedlichem Abstand zur Lichtquelle 2 angeordnet werden, sodass nur Antennen 12 desselben Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c zueinander benachbart angeordnet sind.
In dem in 3 veranschaulichten dritten Ausführungsbeispiel ist das optische System 1 dafür eingerichtet, zum Abstrahlen des Lichts in die Umwelt und zum Empfangen des reflektierten Lichts aus der Umwelt jeweils dieselben Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c zu verwenden, um einen monoaxialen Detektionspfad bereitzustellen, der hier mit Tx/Rx gekennzeichnet ist. Die komplexen Lichtamplituden des im Empfangspfad zurücklaufenden Lichtes werden in einem jeweiligen lokalen Oszillator 14a, 14b, 14c mit dem Licht der Lichtquelle 2 gemischt. Zur Beschreibung der übrigen Elemente in 3 wird auf die Beschreibung von 1 verwiesen.
In der vierten Ausführungsform gemäß 4 wird eine weitere optische Schaltung 15 für den Empfangspfad, mit Rx gekennzeichnet, vorgehalten. Das optische System 1 in der vierten Ausführungsform ist dafür eingerichtet, zum Abstrahlen des Lichts in die Umwelt und zum Empfangen des reflektierten Lichts aus der Umwelt jeweils separate Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c, 16a, 16b, 16c zu verwenden, um einen biaxialen Detektionspfad bereitzustellen. Insbesondere das Antennen-Array und die jeweils zugeordneten Phasenschieber sind zwischen Sendepfad Tx und Empfangspfad Rx unterschiedlich, sodass für jedes Antennen-Array 5a, 5b, 5c, mit Tx-Λn gekennzeichnet, die Sende-Antennen-Arrays sind, ein Detektions-Antennen-Array 16a, 16b, 16c, mit Rx-Λn gekennzeichnet, jeweils einschließlich jeweiligen Detektions-Phasenschiebern 17a, 17b, 17c hinzukommt. Im Gegensatz zu 3 werden also in der Ausführungsform aus 4 dieselben Phasenschieber und Antennen-Arrays nicht sowohl zum Abstrahlen in die Umwelt als auch zum Empfangen aus der Umwelt verwendet. Die „Blickrichtung“ der Sende- und Empfangsantennen der Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c im Sendepfad bzw. der Detektions-Antennen-Arrays 16a, 16b, 16c im Empfangspfad können in der vierten Ausführungsform daher unterschiedlich sein. In der dritten Ausführungsform aus 3 „blickt“ das Antennen-Array 5a, 5b, 5c beim Abstrahlen und Empfangen hingegen in den gleichen Raumwinkel. Die weitere optische Schaltung 15 kann in demselben OPA-Chip realisiert sein wie die optische Schaltung 6. So ergibt sich, wie in 4 gezeigt, eine hochintegrierte Packaging-Lösung.
Wie gezeigt, lässt sich durch die Erfindung in einem optischen System 1 bei gleicher Anzahl von durchstimmbaren Lasern 2 ein größerer Winkelbereich in der zweiten Achsenrichtung Ψ adressieren, was einer Vergrößerung des Sichtfeldes entspricht. Bei konstantem Sichtfeld ergibt sich eine reduzierte Anzahl an LaserLichtquellen 2. Weiter wird die Systemkomplexität reduziert, durch Auslegung des elektrischen und insbesondere des optischen Systems, d.h. insbesondere der photonischen Komponenten wie Phasenschiebern 7a, 7b, 7c und Strahlteilern 8 für nur einen schmalen Wellenlängenbereich Δλ, eine entfallende Synchronisation bzw. erleichterte Ansteuerung bei nur einer Lichtquelle 2 bzw. wenigen Lichtquellen 2 und einen geringeren Aufwand bei Integration von nur einer Lichtquelle 2 bzw. wenigen Lichtquellen 2. Die elektrische und optische Auslegung des Systems für nur einen Wellenlängenbereich bzw. wenige Wellenlängenbereiche reduziert ebenfalls die Systemkomplexität. Weiter wird der Packaging-Aufwand reduziert, da weniger unterschiedliche durchstimmbare Laser integriert werden müssen. Die Scangeschwindigkeit wird erhöht. Schließlich ergibt sich noch eine geringere Komplexität beim Ansteuern oder Optimieren mehrerer Laser. Mit anderen Worten, die Erfindung stellt ein optisches Phasenarray 6 mit vergrößertem Sichtfeld bereit. Eine integrierte Optik weist dabei in einem Sendepfad zwei oder mehr Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c als Ablenkeinheiten für Lichtstrahlen 3a, 3b, 3c auf. Die Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c sind dafür eingerichtet, die durchgestimmten Lichtstrahlen 3a, 3b, 3c jeweils in unterschiedliche Richtungen abzustrahlen. Jedes der Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c weist eine festgelegte Gitterkonstante bzw. Gitterperiode Λ_n auf, die sich von den Gitterkonstanten der übrigen Phasenarrays 5a, 5b, 5c unterscheidet, sodass sich Abstrahlwinkel Ψ₁, ..., Ψ_n der Antennen-Arrays 5a, 5b, 5c für die jeweils von Ihnen ausgesendeten Lichtstrahlen 3a, 3b, 3c voneinander unterscheiden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9476981 B2 [0006]
US 2018306925 AA [0009]

Claims

Optisches System (1), das dazu eingerichtet ist, mittels einer oder mehrerer Lichtquellen (2) durch Abstrahlen von Lichtstrahlen (3a, 3b, 3c) eine Oberfläche (4) in einer Umwelt mit dem jeweiligen Lichtstrahl (3a, 3b, 3c) abzutasten, um daraus Informationen über die Umwelt zu gewinnen, wobei das optische System (1) einen oder mehrere Laser als die Lichtquellen (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (1) mehrere Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) umfasst, die dafür eingerichtet sind, das von einer jeweils zugeordneten der Lichtquellen (2) abgestrahlte Licht zu empfangen und bei einer festgelegten Wellenlänge unter unterschiedlichen Winkeln in die Umwelt zum Abtasten abzustrahlen.
Optisches System (1) nach Anspruch 1, wobei das optische System (1) eine integrierte optische Schaltung (6) umfasst, die zwei oder mehr der jeweiligen Lichtquelle (2) zugeordnete Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) enthält, wobei die jeweils zugeordneten Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) dafür angeordnet sind, den Lichtstrahl der jeweiligen Lichtquelle (2) jeweils in einem Winkel in die Umwelt abzustrahlen, der sich von den Winkeln der übrigen dieser Lichtquelle (2) zugeordneten Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) unterscheidet.
Optisches System (1) nach Anspruch 2, wobei die integrierte optische Schaltung (6) zwei oder mehr Phasenschieber (7a, 7b, 7c) umfasst, die jeweils mit einem der der Lichtquelle (2) zugeordneten Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) verbunden sind, um die unterschiedlichen Winkel zu erzeugen.
Optisches System (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die integrierte optische Schaltung (6) dafür angeordnet ist, das einfallende Licht über eine jeweils eindeutig definierte Gitterperiode jedes der Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) zu modifizieren, um mittels jeder der Gitterperioden einen der Winkel zum Abstrahlen zu definieren.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die jeweils zugeordnete Lichtquelle (2) extern zu der integrierten optischen Schaltung (6) auf einem separaten Träger (10) angeordnet ist.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c), die jeder Lichtquelle (2) zugeordnet sind, gruppiert angeordnet sind, sodass nur Antennen (12) desselben Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) einander benachbart angeordnet sind.
Optisches System (1) nach Anspruch 6, wobei die Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) dadurch gruppiert sind, dass in der integrierten optischen Schaltung (6) das Licht der Lichtquelle (2) auf zwei oder mehr Wellenleiter (13) aufgeteilt wird, die für jedes der Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) eine festgelegte, aber unterschiedliche Länge aufweisen, sodass die Antennen (12), die jedem Antennen-Array (5a, 5b, 5c) zugeordnet sind, gleich weit von der Lichtquelle (2) entfernt sind, aber jedes Antennen-Array (5a, 5b, 5c) in Bezug auf die übrigen Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) unterschiedlich weit von der Lichtquelle (2) entfernt ist.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische System (1) dafür eingerichtet ist, zum Abstrahlen des Lichts in die Umwelt und zum Empfangen des reflektierten Lichts aus der Umwelt jeweils dieselben Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c) zu verwenden, um einen monoaxialen Detektionspfad bereitzustellen.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische System (1) dafür eingerichtet ist, zum Abstrahlen des Lichts in die Umwelt und zum Empfangen des reflektierten Lichts aus der Umwelt jeweils separate Antennen-Arrays (5a, 5b, 5c, 16a, 16b, 16c) zu verwenden, um einen biaxialen Detektionspfad bereitzustellen.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das optische System (1) ein LiDAR-System ist.