DE102021200960A1

DE102021200960A1 - Optisches System sowie LiDAR-System

Info

Publication number: DE102021200960A1
Application number: DE102021200960.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Oliver Kern; Daniel Aquino Maier
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

Abstract

Offenbart ist ein optisches System (1), das eine integrierte Strahlablenkeinheit (3), eine Sendeeinheit (4) zum Aussenden einer Anzahl von Abtaststrahlen und eine Empfangseinheit (5) zum Empfangen von den in einer Umwelt reflektierten Abtaststrahlen aufweist, wobei das optische System (1) dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander zu unterscheiden. Die Empfangseinheit (5) weist eine Anzahl an Empfangselementen (6) auf, die geringer ist als die Anzahl an unterscheidbaren Abtaststrahlen.Weiter ist ein LiDAR-System (2) offenbart, das ein solches optisches System (1) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, das eine integrierte Strahlablenkeinheit, eine Sendeeinheit zum Aussenden einer Anzahl von Abtaststrahlen und eine Empfangseinheit zum Empfangen von den in einer Umwelt reflektierten Abtaststrahlen aufweist, wobei das optische System dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander zu unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein LiDAR-System, das ein solches optisches System aufweist.
Stand der Technik
Im Bereich der Mikrosystemtechnik sind aktuell miniaturisierte optische Systeme Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Im Speziellen stellt die sogenannte integrierte Optik eine Möglichkeit dar, Licht in sehr kompakten planaren Wellenleitern zu führen und zu verarbeiten. Die physikalische Grundlage für die Führung von Licht ist hierbei analog zu der von heutigen Glasfaserkabeln. Eine der möglicherweise wirtschaftlich interessanten Anwendungen ist die Möglichkeit Strahlablenkeinheiten mittels eines „optical phased arrays“ (OPA, optisches Phasenarray) zu bauen, die ohne bewegliche Teile auskommen. Eine solche Einheit könnte als Ersatz für mechanische Spiegel dienen. Sie wäre deutlich resistenter gegenüber mechanischen Stößen und wäre potentiell kostengünstiger herzustellen. Zudem könnte sie deutlich kompakter realisiert werden. Mögliche Anwendungen wären in einem LIDAR-System, welches mittels Licht Objektform und Entfernung misst und für das automatisierte Fahren einsetzbar ist.
Erste Ansätze für eine solche Strahlablenkeinheit in der integrierten Optik wurden vom Massachusetts Institute of Technology publiziert. Hierbei ist 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 stark ein Strahl abgelenkt 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 den wissenschaftlichen Veröffentlichungen von 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), dokumentiert.
Eine mögliche Realisierung eines LiDAR-Systems mit einem OPA wird in der US 9476981 B2 diskutiert. 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. Dieses Verfahren ist auch als „FMCW-LiDAR“ bekannt. Prinzipiell ist das Überlagern des ausgesendeten mit dem empfangenen Signal eine Eigenschaft von kohärenten LiDAR-Systemen, die nicht zwingend die FMCW-Modulation verwenden müssen. Die konkrete Funktionsweise eines kohärenten (FMCW) LiDAR-Systems wird beispielsweise in der Veröffentlichung US 2019154832 im Detail erläutert.
Es ist zu beachten, dass üblicherweise die Ablenkung des optischen Strahls in einer Richtung mittels der Phaseneinstellung geschieht. Dies ist auch in der o. g. Veröffentlichung von J.C. Hulme dargestellt. Diese Phasenschieber werden so angesteuert, dass der Strahl in einem bestimmten Winkel ausgesendet wird und dann dort gehalten wird bis die Messung beendet ist. Das Messsignal, aus dem die Entfernung zum Ziel bestimmt wird, ergibt sich durch die Überlagerung von Sende- und Empfangssignal als Interferenz-Signal zwischen diesen beiden, wodurch ein „Beating“ entsteht, das mit der Differenzfrequenz zwischen Sende- und Empfangssignal schwingt. Dies ist das gängige Grundprinzip von kohärenter Detektion.
Typischerweise müssen zur Erfassung des gesamten Sensorumfelds eine Vielzahl von solchen OPAs eingesetzt werden, die jeweils einen kleineren Winkelbereich adressieren. Zusätzlich werden in einem OPA häufig mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen genutzt, um unterschiedliche Winkelbereiche zu adressieren, siehe z.B. US 20180963032 .
Durch die hohe Anzahl an Empfangskanälen steigt allerdings auch die Anzahl der ADCs (Analog-to-Digital-Converter, dt. Analog-zu-Digital-Wandler) und die der mit diesen verbunden Transimpedanzverstärker. Die hohen Anforderungen an die Entfernungsgenauigkeit gekoppelt mit den hohen Dopplerverschiebungen im Automotive-Umfeld führen dazu, dass Abtastraten in der Größenordnung von bis zu 1GS eingesetzt werden müssen. Diese hohen Abtastraten stellen außerdem hohe Ansprüche an die Transimpedanzverstärker.
Problematisch ist, dass in optischen Systemen aus oben genannten Gründen ein hoher Parallelisierungsgrad notwendig ist, gerade was die Wellenlängen angeht, aber die zusätzliche Hardware zu stark steigenden Kosten führen würde und den Aufwand bei der Signalverarbeitung deutlich erhöht.
Zum Stand der Technik zählt ein OPA mit FMCW- bzw. kohärentem LiDAR-System. Das Sendesignal wird dort in einem Splitter aufgeteilt und ein Teil wird über das OPA ausgesendet (TX-/Sendepfad). Ein zweites OPA wird verwendet um das Licht wieder zu empfangen (RX-/Empfangspfad). In einem optischen Mischer wird das empfangene Licht mit einem vorher abgetrennten Teil des Sendesignals gemischt und detektiert. Nach dem Detektor verstärkt dann ein Transimpedanzverstärker das Signal und dieses wird dann mit dem ADC digitalisiert und dann zum Beispiel mit einer Fourier-Transformation analysiert.
Zum Stand der Technik zählt ebenfalls ein OPA mit FMCW, wobei zwei Laser genutzt werden, um mit dem gleichen OPA in unterschiedliche Winkelbereiche zu schauen, siehe auch US
20180963032 . In einem solchen System werden optische Strukturen genutzt um die unterschiedlichen Wellenlängen zu kombinieren, nämlich WA, Wellenlängenaddierer, und WD, Wellenlängendivider.
Die WO 2018 125 403 A1 offenbart ein LiDAR-System. Gemäß dieser Schrift können LiDAR-Systeme OPAs nutzen, um Drehspiegel zur Strahlsteuerung zu ersetzen. Ein Wellenleitermultiplexer kann empfangsseitig vorgesehen sein und auch als Splitter/Kombiniereinrichtung bezeichnet werden. Ein Modulator kann vorgesehen sein, um ein Bitmuster in Quellenlicht zu modulieren. Das Bitmuster kann dafür genutzt werden, um es mit einem Bitmuster eines Codegenerators zu vergleichen, um zu bestimmen, wie lange das ausgesendete Signal benötigt hat, um zurückzukehren.
Die DE 11 2018 002 172 T5 offenbart ein gemultiplextes Wellenlängenteilungs-LiDAR. Ein optisches Splitternetzwerk verbindet eine Multiwellenlängenlichtquelle optisch mit einem aktiven OPA. Ein gemeinsames (selbes) Phasenarray kann als eine Empfangsöffnung verwendet werden. Es ist vorgesehen, mittels mehrerer TX/RX-Einheiten jeweils eine einzelne Wellenlänge der Multiwellenlängenlichtquelle zu erzeugen und mit diesen jeweils dieselbe einzelne Wellenlänge zu erkennen.
Aus der WO 2019 197 894 A1 ist ein LiDAR-System bekannt. Diese Schrift lehrt allgemein, dass in LiDAR-Systemen Lichtablenkmittel als OPAs ausgeführt sein können, um bewegliche Komponenten zu vermeiden. Im Empfangspfad können Detektoren vorhanden sein, die mit Multiplexern verbunden sein können.
Die WO 2018 172 767 A1 lehrt einen Time-of-Flight-Sensor und erwähnt auch LiDAR-Systeme. Hierbei kann ein OPA eingesetzt werden, um den Strahl einer Laserquelle zu lenken. Der Strahl kann später durch mehrere Detektoren empfangen werden, deren elektrische Signale durch einen Multiplexer zu einem Ausgangsanschluss geleitet werden.
Die WO 2018 160 729 A2 zeigt und beschreibt einen photonischen Halbleiterschaltkreis, beispielsweise für Automotive LiDAR, der dafür eingerichtet ist, einen frequenzgechirpten Lichtstrahl zu emittieren. Weiter ist ein Demultiplexer vorgesehen, um den frequenzgechirpten Lichtstrahl wieder zu empfangen und an verschiedene Kupplungselemente bereitzustellen. Der Halbleiterschaltkreis kann Signale mit angepassten Amplituden, Phasen und Spektralcharakteristiken erzeugen. Empfangsseitig kann eine Sensoranordnung bereitgestellt sein, die direkte Intensitätsdetektionstechnik oder Kohärenzdetektionstechnik nutzt.
Schließlich lehrt die WO 2016 033 036 A2 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines 3D-Bildes einer Szene. Ein Field-Of-View-Multiplexer kann verwendet werden, um einfallende Lichtstrahlen auf mehrere Detektorarrays abzulenken.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein optisches System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei dem die Empfangseinheit eine Anzahl an Empfangselementen aufweist, die geringer ist als die Anzahl an unterscheidbaren Abtaststrahlen.
Vorteile der Erfindung
Das optische System hat den Vorteil, dass ein hoher Parallelisierungsgrad bei gleichzeitiger Reduktion der signalverarbeitenden Empfangselemente erreichbar ist. Die Anzahl der signalverarbeitenden Komponenten (insbesondere ADC, TIA) skaliert nicht mit der Anzahl Abtaststrahlen und kann gegenüber diesen deutlich reduziert werden, was Kosten und Bauraum verringert.
Die integrierte Strahlablenkeinheit schließt vorzugsweise ein oder mehrere optische Phasenarrays ein. OPAs können mechanische Spiegel ersetzen und somit den Aufbau des optischen Systems vereinfachen. Das OPA kann als lateral emittierendes Array von Gitterkopplern ausgeführt sein. Die Sendeeinheit kann ein oder mehrere OPAs umfassen. Die Empfangseinheit kann ein oder mehrere OPAs umfassen. Vorzugsweise umfasst die Empfangseinheit genau ein OPA, um die Umwelt mit den Abtaststrahlen abzutasten, und die Sendeeinheit umfasst genau ein OPA, um die aus der Umwelt wieder einfallenden Abtaststrahlen auf genau ein Empfangselement zu leiten. In Ausführungsformen kann dasselbe OPA sowohl der Sendeeinheit als auch der Empfangseinheit zugeordnet sein, also sowohl in einem Sendepfad als auch in einem Empfangspfad des optischen Systems angeordnet sein. Dann kann ein Zirkulator oder ein 50:50-Kopplerelement im Strahlengang bereitgestellt sein, um ein Sendesignal von einem Empfangssignal des optischen Systems zu trennen. Es kann aber auch jeweils ein separates OPA sowohl in der Sendeeinheit als auch in der Empfangseinheit vorgesehen sein. Statt des oder der OPAs können jedoch in Ausführungsformen auch mechanische Spiegel in bekannter Weise als integrierte Strahlablenkeinheiten vorgesehen sein.
Bevorzugt ist, dass die Empfangselemente ein oder mehrere Analog-zu-Digital-Wandler einschließen. So kann das optische Signal auf einfache Weise in ein digitales Signal umgewandelt werden, das einfach auswertbar ist. Die Empfangselemente können einen oder mehrere Detektoren einschließen. Ein besonders bevorzugtes Empfangselement ist ein Lichtdetektor. Vorzugsweise ist jedem Detektor ein Analog-zu-Digital-Wandler nachgeschaltet, um auf den Detektor einfallende Abtaststrahlen in zugeordnete Digitalwerte zu digitalisieren. Vorzugsweise ist das optische System dafür eingerichtet, auf Basis der Digitalwerte eine Signalverarbeitung durchzuführen. Zu diesem Zweck kann das optische System einen Mikroprozessor einschließen, der entsprechend programmiert ist, beispielsweise einen digitalen Signalprozessor (DSP). Dem Detektor kann ein optischer Mischer vorgelagert sein. Dieser kann dafür angeordnet sein, einfallende Abtaststrahlen mit einem abgetrennten Teil eines Sendesignals zu mischen. Der abgetrennte Teil des Sendesignals kann vorzugsweise durch einen Sendesignalsplitter erzeugt werden, der einer Lichtquelle des optischen Systems, die zur Erzeugung der Abtaststrahlen eingerichtet ist, nachgelagert sein kann. Sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, kann ein einziger Sendesignalsplitter für alle Lichtquellen vorgesehen sein. Zwischen dem Sendesignalsplitter und den Lichtquellen kann ein optischer Wellenlängenaddierer zwischengeschaltet sein, um alle Sendesignale auf denselben Sendesignalsplitter zu bündeln. Der Sendesignalsplitter kann als optischer Strahlteiler ausgeführt sein. Der Wellenlängenaddierer kann als optisches Bauteil ausgeführt sein.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Empfangselemente Mehrkanal-Empfangselemente. So kann ein einziges Empfangselement mehrere Abtaststrahlen empfangen, was Bauteile spart. Besonders bevorzugte Mehrkanal-Empfangselemente sind Multikanal-ADCs.
Manche Ausführungsformen sehen vor, dass entweder die Sendeeinheit oder die Empfangseinheit dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren. So kann das Empfangselement besonders einfach die einfallenden Abtaststrahlen voneinander unterscheiden.
Ist die Sendeeinheit dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren, ist bevorzugt, dass das optische System dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen mittels der Lichtquellen unterscheidbar zu erzeugen. In Ausführungsformen ist dann vorgesehen, dass die Lichtquellen dafür eingerichtet sind, die erzeugten Abtaststrahlen phasencodiert zu erzeugen. Dann sind die Abtaststrahlen anhand ihrer Phasenunterschiede voneinander empfangsseitig gut unterscheidbar. Andere Ausführungsformen sehen hingegen vor, dass das optische System dafür eingerichtet ist, die Lichtquellen unterschiedlich an- oder auszuschalten, sodass die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar sind. Vorzugsweise kann eine Schaltfrequenz zwischen den Lichtquellen variierbar sein, um die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu machen. Die Phasencodierung wird vorzugsweise verwendet, wenn nur genau zwei Lichtquellen vorgesehen sind, während das unterschiedliche Ein- und Ausschalten zum Einsatz kommt, wenn zwei oder auch mehr Lichtquellen vorgesehen sind.
Ist allerdings vorgesehen, dass die Empfangseinheit dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren, dann ist bevorzugt, dass die Empfangseinheit dafür eingerichtet ist, die Wellenlängen der empfangenen Abtaststrahlen zu trennen, die voneinander getrennten Abtaststrahlen zu codieren und danach wieder zusammen zu führen, bevor sie auf ein Empfangselement treffen. So können für die Sendeeinheit einfach nur Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, die in der Sendeeinheit nicht unterschiedlich geschaltet werden müssen und die Unterscheidbarkeit für das Empfangselement wird durch empfangsseitige Codierung sichergestellt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Empfangseinheit einen, vorzugsweise nicht-äquidistant umschaltenden, Multiplexer, der dafür angeordnet ist, mehrere Abtaststrahlen auf dasselbe Empfangselement zu führen. Dies erlaubt, mehrere unterscheidbare Abtaststrahlen zu empfangen und auf nur ein einziges Empfangselement zu leiten. Besonders bevorzugt ist, dass der Multiplexer verschiedene Kanäle auf denselben ADC führt. Vorzugsweise entspricht ein Kanal einem der unterscheidbaren Abtaststrahlen. Höchst bevorzugt ist, dass der Multiplexer alle Kanäle auf denselben ADC führt. So kann, völlig unabhängig von der Anzahl an unterschiedlichen Abtaststrahlen, nur ein einziger ADC vorgesehen sein, was eine große Anzahl an Bauteilen sparen kann. Das Empfangselement kann dem ADC und dem Multiplexer zwischengeordnet sein. Der ADC kann einen Transimpedanzverstärker aufweisen. Bevorzugt ist, dass der Multiplexer ein optischer Mischer ist.
Die Empfangseinheit ist vorzugsweise dafür eingerichtet ist, die Anzahl von Abtaststrahlen in einer digitalen Domäne durch Signalverarbeitung zu trennen. Digitale Datenverarbeitung kann mittels geeigneten Prozessoren besonders schnell und zuverlässig ausführbar sein. Eine Trennung der Signale erfolgt dementsprechend sowohl bei Verwendung von Mehrkanal-ADCs als auch bei Verwendung des Multiplexers vorzugsweise durch Signalverarbeitung in der digitalen Domäne, also vorzugsweise nach Umwandlung des empfangenen Abtaststrahls in ein entsprechendes digitales Signal, insbesondere durch Compressed Sensing Algorithmen. Diese sind anwendbar, weil in jeder Messung nur eine geringe Anzahl von Zielen (in der Regel maximal eines) zu detektieren sind und diese damit die „sparsity“-Anforderungen der Compressed Sensing Algorithmen erfüllt.
Die Empfangseinheit ist in manchen Ausführungsformen dafür eingerichtet, anhand der empfangenen Abtaststrahlen zu erkennen, welcher Winkelbereich der Umwelt durch den jeweiligen Abtaststrahl abgetastet worden ist. So kann der Winkelbereich anhand der empfangenen unterscheidbaren Abtaststrahlen bestimmt werden, was die Abtaststrahlen mit einer zusätzlichen Information versieht. Ausführungsformen sehen vor, verschiedene OPAs, die in unterschiedliche Winkelbereiche schauen, aber vom gleichen Laser gespeist werden, zu kombinieren, um Detektoren und analoge Frontend-Komponenten zu sparen. Da dann vorzugsweise nur eine einzige Lichtquelle verwendet wird, kann die Codierung nur im Empfangspfad erfolgen. Die Codierung kann bei Vorhandensein von nur einer einzigen Lichtquelle aber sowohl durch An- und Abschalten der Kanäle als auch durch Phasencodierung erfolgen.
Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Trennung der Signale in der digitalen Signalverarbeitung erläutert. Bevorzugt ist, dass das optische System dafür eingerichtet ist, zunächst eine Sequenz von mehreren Rampen/Messungen nacheinander anzuwenden. Wird die Methode mit An-/Abschalten gewählt, so kann in den Spektren der verschiedenen Messsequenzen vorzugsweise beobachtet werden, in welchen Sequenzen welche „Beat“-Frequenzen vorhanden sind. Das beim Codieren gewählte Muster von An- und Abschalten muss sich auch hier wieder zeigen, sodass eindeutig zugeordnet werden kann, welches Ziel aus welchem Winkelbereich kam.
Wird hingegen die Phasencodiermethode verwendet, so gibt es zunächst zwei verschiedene Möglichkeiten diese anzuwenden. Bei der ersten Methode wird vorzugsweise ein „schneller“ Code auf jeden Abtaststrahl auf moduliert, sodass durch Anwenden von Autokorrelation des Empfangssignals mit diesen Codesequenzen innerhalb von einer Rampe direkt festgestellt werden kann, aus welchem Winkelbereich das jeweilige Signal kommt. Besonders vorzugsweise werden orthogonale Codes verwendet, sodass bei Korrelation mit dem Code nur das Signal „übrig bleibt“, bei dem genau dieser Code verwendet wurde, sodass sich im Spektrum nur eine „Beat“-Frequenz ergibt. Die Alternative zu dieser Variante ist die Verwendung von „langsamen“ Codes. Das bedeutet, der Phasenschieber wird vorzugsweise so angesteuert, dass er für eine Rampe nur einen konstanten Phasenshift erzeugt. Dieser wird allerdings von Messsequenz zu Messsequenz besonders vorzugsweise so geändert, dass sich ein linearer Phasenverlauf mit unterschiedlicher Steigung pro Kanal ergibt. Man codiert also bei dieser Alternative über die verschiedenen Messsequenzen hinweg eine Frequenz in die Kanäle. Führt man jetzt die Fast Fourier Transformation, FFT, durch, um die Spektren aller Messsequenzen zu erhalten, ist durch eine weitere FFT mit geringer Punktanzahl über die Rampen hinweg feststellbar, welche Frequenz (bzw. welche Steigung des linearen Phasenverlaufs) auf den Signalen aufmoduliert war.
Vorzugsweise schließt die Sendeeinheit zwei oder mehr Lichtquellen ein. So können viele verschiedene unterscheidbare Abtaststrahlen erzeugt werden, indem beispielsweise jede Lichtquelle dafür eingerichtet ist, einen Abtaststrahl zu erzeugen, der von den Abtaststrahlen der anderen Lichtquellen eindeutig unterscheidbar ist, vorzugsweise durch einen eindeutig unterscheidbaren Phasenunterschied oder ein eindeutig unterscheidbares An-/Abschaltmuster. Bevorzugt ist, dass die Empfangseinheit genau ein Empfangselement einschließt. So kann die Elektronik in der Empfangseinheit stark reduziert werden, beispielsweise eine Vielzahl an Analog-zu-Digital-Wandlern und diesen nachgeordneten Transimpedanzverstärkern eingespart werden. Die Empfangseinheit ist vorzugsweise dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen voneinander zu unterscheiden. Manche Ausführungsformen sehen zwei oder mehr Empfangselemente vor, jedoch jedenfalls weniger Empfangselemente als zu unterscheidende Abtaststrahlen. Hierbei ist zu unterscheiden, dass es bereits bekannt ist, ist nur ein OPA für mehrere Abtaststrahlen zu verwenden, die Strahlen werden dann aber auf dem optischen Chip aufgeteilt und separat von einem optischen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Vorliegend wird hingegen vorzugsweise die Anzahl der Umwandlung reduziert, im besten Fall auf eine Umwandlung für alle Abtaststrahlen und dadurch Analog-zu-Digital-Wandler und Transimpedanzverstärker eingespart.
Besonders bevorzugt ist, dass die Sendeeinheit eine oder mehrere Lichtquellen, den Wellenlängenaddierer, den optischen Strahlteiler und ein erstes optisches Phasenarray, das einen Bestandteil der integrierten Strahlablenkeinheit darstellt, umfasst. Weiter ist bevorzugt, dass die Empfangseinheit ein zweites optisches Phasenarray, das einen weiteren Bestandteil der integrierten Strahlablenkeinheit darstellt, den optischen Mischer und ein oder mehrere Empfangselemente umfasst. Bevorzugt ist, dass der optische Strahlteiler dafür eingerichtet ist, aus dem Abtaststrahl einen ersten Teilstrahl und besonders vorzugsweise auch einen zweiten Teilstrahl zu erzeugen. Bevorzugt ist, dass der optische Strahlteiler dafür eingerichtet ist, den ersten Teilstrahl zum ersten optischen Phasenarray zu lenken und das erste optische Phasenarray dafür angeordnet ist, mit dem ersten Teilstrahl die Umwelt abzutasten. Vorzugsweise ist der optische Strahlteiler dafür eingerichtet, den zweiten Teilstrahl als den lokalen Oszillator zu erzeugen. Der optische Mischer ist vorzugsweise dafür angeordnet, den lokalen Oszillator mit dem ersten Teilstrahl zu mischen, nachdem der erste Teilstrahl aus der Umwelt wieder empfangen wurde, und auf dasselbe Empfangselement der Empfangseinheit zu richten.
Erfindungsgemäß wird weiter ein LiDAR-System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei dem das optische System eine Empfangseinheit aufweist, die eine Anzahl an Empfangselementen aufweist, die geringer ist als die Anzahl an unterscheidbaren Abtaststrahlen.
Das LiDAR-System hat den Vorteil, dass ein hoher Parallelisierungsgrad bei gleichzeitiger Reduktion der Empfangselemente erreichbar ist. Die Anzahl der aufzubauenden Empfangskanäle kann im Vergleich zur Anzahl der zu empfangenden unterscheidbaren Abtaststrahlen reduziert sein, was Kosten und Bauraum verringern kann.
Das LiDAR-System kann vorzugsweise ein Automotive-LiDAR sein, insbesondere ein kohärentes LiDAR-System, besonders vorzugsweise ein FMCW-LiDAR-System. Bei solchen Systemen kann das optische System zu einer besonderen Verbesserung der Fähigkeiten führen.
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 schematisch ein optisches System in einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung, das zum Phasencodieren der Abtaststrahlen eingerichtet ist,
2 schematisch ein optisches System in einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung, das zum Codieren der Abtaststrahlen durch unterschiedliches Ein- und Ausschalten von Lichtquellen eingerichtet ist, und
3 schematisch einen Detailausschnitt eines optischen Systems nach der ersten oder der zweiten Ausführungsform nach der Erfindung, das dafür eingerichtet ist, mehrere empfangene Abtaststrahlen auf einem Empfangspfad zu kombinieren.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist schematisch ein optisches System 1 in einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung gezeigt. Das optische System 1 ist Teil eines LiDAR-Systems 2, das hier nicht weiter veranschaulicht ist. Das optische System 1 weist eine integrierte Strahlablenkeinheit 3, eine Sendeeinheit 4 zum Aussenden einer Anzahl von Abtaststrahlen und eine Empfangseinheit 5 zum Empfangen von den in einer Umwelt reflektierten Abtaststrahlen auf. Das optische System 1 ist dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen voneinander zu unterscheiden. Dabei weist die Empfangseinheit 5 eine Anzahl an Empfangselementen 6 auf, die geringer ist als die Anzahl an unterscheidbaren Abtaststrahlen. Mit anderen Worten, die Anzahl an Empfangselementen 6 ist geringer als die Anzahl an voneinander unterscheidbaren Abtaststrahlen, die durch das optische System 1 erzeugt werden, wie im Folgenden erläutert wird.
In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform schließt die integrierte Strahlablenkeinheit 3 zwei optische Phasenarrays 7a, 7b ein. Die beiden optischen Phasenarrays 7a, 7b bilden die integrierte Strahlablenkeinheit 3. Ein erstes optisches Phasenarray 7a ist der Sendeeinheit 4 zugeordnet und ein zweites optisches Phasenarray 7b ist der Empfangseinheit 5 zugeordnet. Die Sendeeinheit 4 umfasst zwei Lichtquellen 8a, 8b, hier Laserstrahler, nämlich eine erste Lichtquelle 8a und eine zweite Lichtquelle 8b. Die Lichtquellen 8a, 8b weisen jeweils eine festgelegte Wellenlänge auf, die sich von den Wellenlängen der übrigen Lichtquellen 8a, 8b unterscheidet. Die Lichtquellen 8a, 8b sind dafür eingerichtet, jeweils einen Abtaststrahl zu erzeugen. Die Sendeeinheit 4 ist dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren. Zu diesem Zweck sind die Lichtquellen 8a, 8b genauer gesagt dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen zu phasencodieren. Die erste Lichtquelle 8a ist dafür eingerichtet, den von ihr erzeugten Abtaststrahl mit einer ersten Phase ΔΦ₁ zu codieren. Die zweite Lichtquelle 8b ist dafür eingerichtet, den von ihr erzeugten Abtaststrahl mit einer zweiten Phase ΔΦ₂ zu codieren, die sich von der ersten Phase ΔΦ₁ unterscheidet. So kann die Sendeeinheit 5 die Abtaststrahlen phasencodiert über das erste optische Phasenarray 7a in die Umwelt senden. Den beiden Lichtquellen 8a, 8b ist im optischen Pfad ein Wellenlängenaddierer 9 nachgeschaltet. Dem Wellenlängenaddierer 9 ist im optischen Pfad ein optischer Strahlteiler 10 nachgeschaltet. Der optische Strahlteiler 10 ist dafür eingerichtet, die von den Lichtquellen kommenden, gemeinsam einfallenden Abtaststrahlen in einen ersten Teilstrahl T1 und einen zweiten Teilstrahl T2 aufzuteilen. Der optische Strahlteiler 10 ist dafür eingerichtet, den ersten Teilstrahl T1 von dem optischen Strahlteiler 10 an das erste optische Phasenarray 7a zu leiten. Der optische Strahlteiler 10 ist weiter dafür eingerichtet, den zweiten Teilstrahl T2 von dem optischen Strahlteiler 10 als lokalen Oszillator an die Empfangseinheit 5 zu leiten. Das erste optische Phasenarray 7a ist dafür angeordnet, den ersten Teilstrahl T1, der aus den phasencodierten Abtaststrahlen zusammengesetzt ist, in die Umwelt zu lenken. Dort wird der erste Teilstrahl T1 an einem Objekt reflektiert und tritt dann über das zweite optische Phasenarray 7b in die Empfangseinheit 5 ein. Die Empfangseinheit 5 weist einen Multiplexer, hier einen optischen Mischer, 11 auf, der dafür angeordnet ist, die vom zweiten optischen Phasenarray 7b aus der Umwelt empfangenen reflektierten ersten Teilstrahlen T1 zu empfangen und mit dem vom optischen Strahlteiler 10 der Sendeeinheit 4 bereitgestellten zweiten Teilstrahl T2 zu mischen. Der optische Mischer 11 ist dafür eingerichtet, das so erzeugte Mischsignal an das Empfangselement 6 der Empfangseinheit 5 weiterzuleiten. Der optische Mischer 11 ist ein bevorzugtes Beispiel für einen nicht-äquidistant umschaltenden Multiplexer, der dafür angeordnet ist, mehrere Abtaststrahlen auf dasselbe Empfangselement 6 zu führen. Das Empfangselement 6 ist hier beispielhaft ein Detektor.
Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Sendeeinheit 4 also die beiden Lichtquellen 8a, 8b, den Wellenlängenaddierer 9, den optischen Strahlteiler 10 und das erste optische Phasenarray 7a, das einen Bestandteil der integrierten Strahlablenkeinheit 3 darstellt. Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Empfangseinheit 5 das zweite optische Phasenarray 7b, das einen weiteren Bestandteil der integrierten Strahlablenkeinheit 3 darstellt, den optischen Mischer 11 und das Empfangselement 6. Der lokale Oszillator in Form des zweiten Teilstrahls T2 verbindet die Sendeeinheit 4 direkt optisch mit der Empfangseinheit 5.
1 veranschaulicht somit ein optisches System 1, bei dem die Sendeeinheit 4 genau zwei Lichtquellen 8a, 8b einschließt und die Empfangseinheit 5 genau ein Empfangselement 6 einschließt. Durch die Phasencodierung der Abtaststrahlen können durch die Sendeeinheit 4 mehrere unterscheidbare Abtaststrahlen erzeugt und parallel zum Abtasten der Umwelt verwendet werden. Die Empfangseinheit 5 ist dafür eingerichtet, anschließend die mehreren Abtaststrahlen anhand der Phasencodierung der Abtaststrahlen, die in der Sendeeinheit 4 vorgenommen worden ist, zu unterscheiden, die unterscheidbaren Abtaststrahlen voneinander zu trennen und dann zu verarbeiten, um Informationen über die Umwelt zu gewinnen.
2 veranschaulicht schematisch ein ähnliches optisches System 1 wie das in 1, das eine zweite Ausführungsform nach der Erfindung darstellt. Statt genau zwei Lichtquellen 8a, 8b umfasst die Sendeeinheit 4 jedoch noch weitere Lichtquellen, beispielhaft gezeigt eine dritte Lichtquelle 8c. Die Lichtquellen 8a-c weisen wieder jeweils eine festgelegte Wellenlänge auf, die sich von den Wellenlängen der übrigen Lichtquellen 8a-c unterscheidet. Wieder ist die Sendeeinheit 4 dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren. Zu diesem Zweck ist die Sendeeinheit 4 dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen durch unterschiedliches Ein- und Ausschalten der Lichtquellen 8a-c zu codieren. Im Prinzip ist in dieser Ausführungsform jede Anzahl an Lichtquellen 8a-c möglich, die größer ist als zwei. Im Grunde genommen können in dieser Ausführungsform so beliebig viele Lichtquellen 8a-c kombiniert werden, was nur den Anschalt-/Ausschaltcode verlängern würde. Wie gezeigt, unterscheidet sich der Aufbau der zweiten Ausführungsform stromabwärts des Wellenlängenaddierers 9 nicht von der ersten Ausführungsform aus 1.
3 veranschaulicht schematisch Details der ersten oder auch der zweiten Ausführungsform in der Empfangseinheit 5. Das Empfangselement 6 schließt einen Analog-zu-Digital-Wandler 12 ein und ist ein Mehrkanal-Empfangselement. Der Analog-zu-Digital-Wandler 12 schließt einen Transimpedanzverstärker ein. Das Empfangselement 6 ist dafür eingerichtet, das vom optischen Mischer 11 ausgegebene Mischsignal zu digitalisieren. Ein digitaler Signalprozessor 13 des optischen Systems 1 ist dafür eingerichtet, das digitalisierte Signal zu verarbeiten. Genauer gesagt, ist die Empfangseinheit 5 durch den digitalen Signalprozessor 13 dafür eingerichtet, die Anzahl von Abtaststrahlen in einer digitalen Domäne durch Signalverarbeitung zu trennen. Der digitale Signalprozessor 13 ist dafür eingerichtet, die Signalverarbeitung mittels Compressed Sensing Algorithmen durchzuführen. Die Codierung bzw. das An-/Abschalten der Abtaststrahlen erfolgt stromaufwärts des zweiten aktiven Phasenarrays 7b. Die Pfade stromaufwärts des zweiten aktiven Phasenarrays 7b können in nicht gezeigten Ausführungsformen zu verschiedenen Empfangs-OPAs führen, die insbesondere in unterschiedliche Winkelbereiche gerichtet sind, oder zu einem Empfangs-OPA mit Parallelisierung durch Wellenlängen, bei dem im Vorfeld die Wellenlängen-Kanäle getrennt wurden.
Wie gezeigt, erlaubt es die Erfindung, mit nur einem Empfangselement 6 eine Vielzahl von unterscheidbar codierten Abtaststrahlen zu empfangen und zu verarbeiten. Die Phasencodierung erfolgt in nicht gezeigten Ausführungsformen alternativ in der Empfangseinheit 5, wo man optisch die Wellenlängen signaltrennen kann und dann phasencodieren und wieder zusammenführen kann, insbesondere mit dem optische Mischer 11. Dann wäre die Empfangseinheit 5 dafür eingerichtet, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren. In nicht gezeigten Ausführungsformen ist die Empfangseinheit 5 weiter dafür eingerichtet, anhand der empfangenen Abtaststrahlen zu erkennen, welcher Winkelbereich der Umwelt durch den jeweiligen Abtaststrahl abgetastet worden ist. Dann ist das optische System 1 dafür eingerichtet, unterschiedliche optische Phasenarrays 7a, 7b, die in unterschiedliche Winkelbereiche schauen, aber von der gleichen Lichtquelle 8a, 8b, 8c gespeist werden, zu kombinieren, um Empfangselemente 6 wie Detektoren und analoge Frontend-Komponenten zu sparen. In derartigen Ausführungsformen wird vorzugsweise nur eine einzige Lichtquelle 8a, besonders vorzugsweise eine Laserquelle, verwendet, sodass die Codierung nur in der Empfangseinheit 5 erfolgen kann. Die Codierung kann aber wieder wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen entweder durch An- und Abschalten der Kanäle oder durch Phasencodierung erfolgen. Die Rampen der Lichtquellen 8a-c folgen also in den Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise entweder einem bestimmten An-/Abschaltmuster oder weisen eine deterministische Phasencodierung auf.
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 [0005]
US 2019154832 [0005]
US 20180963032 [0007, 0011]
WO 2018125403 A1 [0012]
DE 112018002172 T5 [0013]
WO 2019197894 A1 [0014]
WO 2018172767 A1 [0015]
WO 2018160729 A2 [0016]
WO 2016033036 A2 [0017]

Claims

Optisches System (1), das eine integrierte Strahlablenkeinheit (3), eine Sendeeinheit (4) zum Aussenden einer Anzahl von Abtaststrahlen und eine Empfangseinheit (5) zum Empfangen von den in einer Umwelt reflektierten Abtaststrahlen aufweist, wobei das optische System (1) dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander zu unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (5) eine Anzahl an Empfangselementen (6) aufweist, die geringer ist als die Anzahl an unterscheidbaren Abtaststrahlen.
Optisches System (1) nach Anspruch 1, wobei die integrierte Strahlablenkeinheit (3) ein oder mehrere optische Phasenarrays (7a, 7b) einschließt.
Optisches System (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangselemente (6) einen oder mehrere Analog-zu-Digital-Wandler (12) einschließen.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangselemente (6) Mehrkanal-Empfangselemente sind.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei entweder die Sendeeinheit (4) oder die Empfangseinheit (5) dafür eingerichtet ist, die Abtaststrahlen voneinander unterscheidbar zu codieren.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (5) einen Multiplexer (11) umfasst, der dafür angeordnet ist, mehrere Abtaststrahlen auf dasselbe Empfangselement (6) zu führen.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (5) dafür eingerichtet ist, die Anzahl von Abtaststrahlen in einer digitalen Domäne durch Signalverarbeitung zu trennen.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (5) dafür eingerichtet ist, anhand der empfangenen Abtaststrahlen zu erkennen, welcher Winkelbereich der Umwelt durch den jeweiligen Abtaststrahl abgetastet worden ist.
Optisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinheit (4) zwei oder mehr Lichtquellen (8a-c) einschließt und die Empfangseinheit (5) genau ein Empfangselement (6) einschließt.
LiDAR-System (2), das ein optisches System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.