DE102021202532A1

DE102021202532A1 - LiDAR-System

Info

Publication number: DE102021202532A1
Application number: DE102021202532.3A
Authority: DE
Inventors: Eugen Baumgart; Matthias Wichmann; Daniel Aquino Maier; Tobias Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022194524A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein LiDAR-System (100) umfassend, eine Signaleinheit (101) zum Generieren von Laserlicht und eine Auslenkeinheit (103) zum Auslenken des Laserlichts der Signaleinheit (101) in vorbestimmte Raumrichtungen, wobei die Auslenkeinheit (103) eine Mehrzahl von Lichtleitern (L1,...,LN) mit Strahlungsöffnungen (104) zum Abstrahlen des Laserlichts (LTx) umfasst, wobei die Lichtleiter (L1,...,LN) unterschiedliche Längen aufweisen und unterschiedliche optische Weglängen definieren, wobei die Strahlungsöffnungen (104) in einer Gitterstruktur (105) angeordnet und eingerichtet sind, eine Interferenz des durch die Strahlungsöffnungen (104) abgestrahlten Laserlichts (LTx) zu bewirken, und wobei durch eine intrinsische Phasendifferenz des interferierenden Laserlichts (Ltx) eine Auslenkung um einen Auslenkwinkel (α, β) des Laserlichts bewirkt ist.Die Erfindung betrifft ferner eine LiDAR-Anordnung (200) mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein LiDAR-System und eine Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen.
Stand der Technik
Autonomes Fahren benötigt Sensoren, die die Umgebung dreidimensional erfassen können. Ein solcher Sensor ist das LiDAR (Light Detection and Ranging), das im optischen Wellenlängenbereich, z.B. im Nahinfraroten, die Umgebung mit einem Lichtstrahl abrastert. Dabei wird ein Lichtstrahl mittels eines mechanischen Spiegels bewegt, z.B. durch einen schwingenden Galvo-Spiegel oder einen rotierenden Polygon-Spiegel.
Da mechanische Komponenten wie die bewegten Scanspiegel eine höhere Anfälligkeit für Verschleiß besitzen ist eine nichtmechanische Bewegung des Lichtstrahls zu bevorzugen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes LiDAR-System und eine LiDAR-Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das LiDAR-System und die LiDAR-Anordnung der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein LiDAR-System bereitgestellt, wobei das LiDAR-System umfasst: eine Signaleinheit zum Generieren von Laserlicht und eine Auslenkeinheit zum Auslenken des Laserlichts der Signaleinheit in vorbestimmte Raumrichtungen, wobei die Auslenkeinheit eine Mehrzahl von Lichtleitern mit Strahlungsöffnungen zum Abstrahlen des Laserlichts umfasst, wobei die Lichtleiter unterschiedliche Längen aufweisen und unterschiedliche optische Weglängen zwischen der Signaleinheit und den Strahlungsöffnungen definieren, wobei die Strahlungsöffnungen in einer Gitterstruktur angeordnet und eingerichtet sind, eine Interferenz des durch die Strahlungsöffnungen abgestrahlten Laserlichts zu bewirken, und wobei durch eine intrinsische Phasendifferenz des interferierenden Laserlichts eine Auslenkung um einen Auslenkwinkel des Laserlichts bewirkt ist.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes LiDAR-System bereitgestellt werden kann, das ein zweidimensionales Abscannen eines Raumbereichs ermöglicht, wobei zur Auslenkung des Laserlichts auf mechanisch bewegbare Elemente verzichtet werden kann. Hierdurch kann ein präzises und widerstandsfähiges LiDAR-System bereitgestellt werden. Hierzu umfasst das LiDAR-System eine Auslenkeinheit mit einer Mehrzahl von Lichtleitern unterschiedlicher Länge, wobei die einzelnen Lichtleiter unterschiedliche optische Weglängen eines durch eine Signaleinheit des LiDAR-Systems generierten und über die Lichtleiter übertragenen Laserlichts definieren. Die nebeneinander angeordneten Lichtleiter weisen in einer Gitterstruktur angeordnete Strahlungsöffnungen auf, über die das generierte und über die Lichtleiter übertragene Laserlicht abstrahlbar ist. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen der verschiedenen Lichtleiter weist das durch die verschiedenen Lichtleiter übertragene Laserlicht intrinsische Gangunterschiede auf. Über eine Interferenz des durch die Strahlungsöffnungen der Gitterstruktur abgestrahlten Laserlichts wird eine Auslenkung des abgestrahlten Laserlichts in eine vorbestimmte Raumrichtung erreicht.
Nach einer Ausführungsform ist die Signaleinheit eingerichtet, Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge zu generieren, und wobei über eine Variation der Wellenlänge des Laserlichts eine Auslenkung des Laserlichts um variable Auslenkwinkel bewirkt ist.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass beliebige Auslenkungen des abgestrahlten Laserlichts ermöglicht sind. Durch Änderung der Wellenlänge des durch die Signaleinheit generierten Laserlichts wird eine Änderung des Auslenkwinkels erreicht, um den das abgestrahlte Laserlicht ausgelenkt wird. Durch Variation der Wellenlänge des generierten Laserlichts kann somit eine beliebige Auslenkung in beliebige Raumrichtungen erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Signaleinheit eine Lasereinheit mit einer Laserquelle zum Generieren und Aussenden des Laserlichts und eine Empfangseinheit zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht, und wobei die Auslenkeinheit eingerichtet ist, aus der Raumrichtung reflektiertes Laserlicht in die Empfangseinheit der Signaleinheit zu leiten.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die zum Auslenken des generierten Laserlichts dienende Auslenkeinheit auch zum Empfangen des reflektierten Laserlichts und zum Weiterleiten des reflektierten Laserlichts in eine Empfangseinheit der Signaleinheit verwendbar ist. Zum Betreiben des LiDAR-Systems wird somit zum Aussenden von Laserlicht und zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht ausschließlich eine Auslenkeinheit benötigt, wodurch ein möglichst kompaktes LiDAR-System bereitgestellt werden kann.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Signaleinheit eine Lasereinheit mit einer Laserquelle zum Generieren und Aussenden des Laserlichts und eine Empfangseinheit zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht, wobei das LiDAR-System ferner eine zweite Auslenkeinheit zum Empfangen eines aus der Raumrichtung reflektierten Laserlichts umfasst, wobei die zweite Auslenkeinheit eine Mehrzahl von Lichtleitern mit Strahlungsöffnungen zum Empfangen des reflektierten Laserlichts und zum Leiten des reflektierten Laserlichts in die Signaleinheit umfasst, und wobei die Auslenkungseinheit mit der Lasereinheit und die zweite Auslenkeinheit mit der Empfangseinheit der Signaleinheit verbunden sind.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch die zweite Auslenkeinheit eine möglichst präzise Separation des durch die Signaleinheit generierten Laserlichts und des empfangenen reflektierten Laserlichts ermöglicht ist. Indem das reflektierte Laserlicht von der zweiten Auslenkeinheit direkt in die Empfangseinheit der Signaleinheit übertragen wird, kann auf zusätzliche Strahlteiler zur Separation des generierten Laserlichts und des reflektierten Laserlichts verzichtet werden, wodurch eine Signalintensität der reflektierten Lasersignale erhöhte werden kann.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Auslenkeinheit eine Demultiplexer-Einheit, wobei die Demultiplexer-Einheit mit der Signaleinheit und der Mehrzahl von Lichtleitern verbunden und eingerichtet ist, Laserlicht der Signaleinheit in die Lichtleiter der Auslenkeinheit mit identischer Intensität einzuleiten.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise Auslenkung des ausgesandten Laserlichts basierend auf der Interferenz der die intrinsischen Gangunterschiede aufweisenden Komponenten des Laserlichts der einzelnen Lichtleiter ermöglicht ist. Durch die identische Intensität des durch die einzelnen Lichtleiter übertragenen Laserlichts wird eine präzise Interferenz ermöglicht, bei der das Laserlicht der einzelnen Lichtleiter in identischer Weise zur Interferenz beiträgt. Hierdurch kann eine präzise Auslenkung erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform ist die Demultiplexer-Einheit als ein Arrayed Waveguide Grating AWG, insbesondere als ein Star-Coupler eines Arrayed Waveguide Gratings AWG ausgebildet.
Hierdurch kann der technische Vorteil einer präzisen und technisch einfach zu fertigenden Demultiplexer-Einheit erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform ist die Signaleinheit über einen Lichtleiter mit der Auslenkeinheit verbunden, wobei über den Lichtleiter Laserlicht von der Lasereinheit der Signaleinheit in die Auslenkeinheit und/oder reflektiertes Laserlicht von der Auslenkeinheit in die Empfangseinheit der Signaleinheit übertragbar ist.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass zur Übertragung des durch die Signaleinheit generierten Laserlichts von der Signaleinheit zur Auslenkeinheit und des durch die Auslenkeinheit empfangenen reflektierten Laserlichts von der Auslenkeinheit zur Signaleinheit lediglich ein Lichtleiter benötigt wird. Hierdurch kann eine möglichst einfache Struktur des LiDAR-Systems bereitgestellt werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst das LiDAR-System ferner ein Zirkulatorelement, und wobei das Zirkulatorelement mit dem Lichtleiter verbunden und eingerichtet ist, Laserlicht aus der Signaleinheit über den Lichtleiter in die Auslenkeinheit zu übertragen und reflektiertes Laserlicht aus der Auslenkeinheit über den Lichtleiter in die Signaleinheit zu übertragen.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch das Zirkulatorelement eine eindeutige Trennung zwischen dem generierten Laserlicht und dem reflektierten Laserlicht ermöglicht ist. Auf einen zusätzlichen Strahlteiler zur Separation des generierten Laserlichts und des reflektierten Laserlichts kann verzichtet werden. Hierdurch kann bis zu 100 % des durch die Auslenkeinheit empfangen reflektierten Laserlichts in die Empfangseinheit der Signaleinheit übertragen werden und steht somit als LiDAR-Signal zur Entfernungsbestimmung bereit.
Nach einer Ausführungsform ist das LiDAR-System als ein Frequency Modulated Continuous Wave FMCW-LiDAR ausgebildet und umfasst eine Kopplereinheit, und wobei in der Kopplereinheit eine Interferenz zwischen Laserlicht der Signaleinheit und reflektiertem Laserlicht erzielbar ist.
Hierdurch kann ein verbessertes LiDAR-System mit den Vorteilen eines Frequency Modulated Continuous Wave FMCW-LiDARs bereitgestellt werden. In der Kopplereinheit kann eine Interferenz eines lokalen Oszillators als Referenzsignal mit dem reflektierten Laserlicht erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform sind die Lichtleiter der Auslenkeinheit als integrierte Optik auf Silicon on Insulator SOI mittels eines Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)-Prozesses gefertigt.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise und technisch einfache Fertigung der Lichtleiter der Auslenkeinheit ermöglichst ist.
Nach einer Ausführungsform sind die Signaleinheit und/oder die Auslenkeinheit und/oder die zweite Auslenkeinheit in einen photonisch integrierten Schaltkreis PIC integriert.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein kompaktes LiDAR-System bereitgestellt werden kann.
Nach einer Ausführungsform umfasst das LiDAR-System eine Mehrzahl von Signaleinheiten, wobei die Signaleinheiten mit der Auslenkeinheit und/oder der zweiten Auslenkeinheit verbunden sind und eingerichtet sind, Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen bereitzustellen.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die Effizienz des LiDAR-Systems gesteigert werden kann. Durch die Mehrzahl von Signaleinheiten, die jeweils Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge generieren, kann somit zeitgleich ein gesamter Raumbereich durch das Lasersystem abgetastet werden. Hierdurch kann die benötigte Zeit zum Abtasten des genannten Raumbereichs reduziert werden, indem durch die unterschiedlichen Wellenlängen des Laserlichts der unterschiedlichen Signaleinheiten simultan Laserlicht in verschiedene Raumrichtungen ausgelenkt wird und das LiDAR-System somit in der Lage ist, zeitgleich LiDAR-Signale aus verschiedenen Raumrichtungen zu empfangen und damit einen zusammenhängenden Raumbereich zu untersuchen. Ein zeitlich nacheinander ausgeführtes Ändern der Wellenlänge des Laserlichts zum zeitlich nacheinander ausgeführten Auslenken des Laserlichts in verschiedenen Raumrichtungen kann somit vermieden werden.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine LiDAR-Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen nach einer der voranstehenden Ausführungsformen bereitgestellt, wobei wenigstens zwei LiDAR-Systeme in wenigstens teilweise unterschiedliche Raumbereiche ausgerichtet sind.
Hierdurch kann der technische Vorteil einer verbesserten LiDAR-Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen mit den oben genannten technischen Vorteilen bereitgestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer Ausführungsform;
2 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform mit ausgesendetem Laserlicht;
3 eine graphische Darstellung zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Wellenlänge und Auslenkwinkel;
4 ein Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Wellenlänge und Auslenkwinkel;
5 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
7 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
9 eine schematische Darstellung einer LiDAR-Anordnung gemäß einer Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System 100 eine Signaleinheit 101 und eine Auslenkeinheit 103. Die Signaleinheit 101 umfasst eine Lasereinheit 107 zum Generieren von Laserlicht und eine Empfangseinheit 109 zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht. Die Signaleinheit 101 ist über einen internen Lichtleiter L0 mit der Auslenkeinheit 103 verbunden.
Die Auslenkeinheit 103 umfasst eine Mehrzahl von Lichtleitern L1, ..., LN. Die Lichtleiter L1, ..., LN weisen Strahlungsöffnungen 104 auf, die in einer Gitterstruktur 105 an den Lichtleitern L1, ..., LN angeordnet sind.
Die Lichtleiter L1, ..., LN sind in der gezeigten Ausführungsform nebeneinander angeordnet und weisen jeweils einen U-förmigen Verlauf auf. Durch den U-förmigen Verlauf weisen die Lichtleiter L1, ..., LN unterschiedliche Längen auf, wobei in der gezeigten Ausführungsform der Lichtleiter L1 die kürzeste Länge und der Lichtleiter LN die längste Länge aufweisen. Durch die unterschiedlichen Längen definieren die verschiedenen Lichterleiter L1, ..., LN unterschiedliche optische Weglängen eines durch die Lichtleiter L1, ..., LN übertragenen Laserlichts. Die Lichtleiter L1, ..., LN weisen jeweils ein erstes Ende 106 und ein zweites Ende 110 auf. Die Längen bzw. optischen Weglängen der einzelnen Lichtleiter L1, ..., LN sind im Sinne der Anmeldung durch die Längen bzw. optischen Weglängen zwischen den ersten Enden 106 und den zweiten Enden 110 der einzelnen Lichtleiter L1, ..., LN definiert.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Auslenkeinheit 103 ferner eine Demultiplexer-Einheit 113 auf, die an den ersten Enden 106 der Lichtleiter L1, ..., LN angeordnet ist. Die Demultiplexer-Einheit 113 ist ausgebildet, das durch die Lasereinheit 107 der Signaleinheit 101 generierte und über den internen Lichtleiter L0 übertragene Laserlicht mit identischer Intensität auf die Mehrzahl von Lichtleitern L1, ..., LN der Auslenkeinheit 103 aufzuteilen. Die Demultiplexer-Einheit 113 kann beispielsweise als ein Arrayed-Waveguide Grating AWG, insbesondere als ein Starcoupler eines Arrayed-Waveguide Gratings AWG ausgebildet sein. Alternativ kann die Demultiplexer-Einheit 113 als eine Kaskade von 50/50 Strahlteilern ausgebildet sein.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Signaleinheit 101 als ein Frequency Modulated Continuous Wave FMCW-LiDAR ausgebildet und umfasst eine Kopplereinheit 111. Die Signaleinheit 101 umfasst ferner einen ersten Strahlteiler S1, der eingerichtet ist, von einer Laserquelle 108 der Lasereinheit 107 generiertes Laserlicht teilweise in die Kopplereinheit 111 der Empfangseinheit 109 zu übertragen. Das in die Kopplereinheit 111 übertragene Laserlicht der Lasereinheit 107 dient innerhalb der Kopplereinheit 111 als Referenzsignal (lokaler Oszillator) für eine Signalverarbeitung von reflektierten Laserlicht. Die Funktionsweise der Signalverarbeiten des reflektierten Laserlichts entspricht der aus dem Stand der Technik bekannten Funktionsweise eines FMCW-LiDARs, in dem über Bestimmung von Schwebungsfrequenzen, die durch eine Interferenz des Referenzsignals und des reflektierten Laserlichts innerhalb Kopplereinheit 111 hervorgerufen werden, Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten durchführbar ist.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Auslenkeinheit 103 ausgerichtet, Laserlicht der Lasereinheit 107 der Signaleinheit 101 über die Lichtleiter L1, ..., LN entlang einer Senderichtung Tx zu übertragen und über die Strahlungsöffnungen 104 als ausgesendetes Laserlicht LTx auszusenden. Darüber hinaus ist die Auslenkeinheit 103 eingerichtet, von einem Objekt reflektiertes Laserlicht LRx über die Strahlungsöffnungen 104 der Gitterstruktur 105 in die Lichtleiter L1, ..., LN einzuspeisen und gemäß einer Empfangsrichtung Rx an die Signaleinheit 101, insbesondere an die Empfangseinheit 109 zu übertragen. Hierzu umfasst die Signaleinheit 101 einen zweiten Strahlteiler S2, der eingerichtet ist, das von der Auslenkeinheit 103 empfangene und entlang der Empfangsrichtung Rx über die Lichtleiter L1, ..., LN bzw. den internen Lichtleiter L0 übertragene reflektierte Laserlicht LRx in die Kopplereinheit 111 einzuleiten. Innerhalb der Kopplereinheit 111 kann durch Interferenz zwischen dem als Referenzsignal eingeleiteten Laserlichts der Lasereinheit 107 und dem reflektierten Laserlicht LRx entsprechende Schwebungsfrequenzen detektiert werden, mittels denen eine Entfernungsbestimmung der mittels Reflexion des Laserlichts detektierten Objekte ermöglicht ist.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Lichtleiter L1, ..., LN der Auslenkeinheit 103 in einer U-Form angeordnet. Alternativ hierzu kann eine beliebige Anordnung der Lichtleiter L1, ..., LN vorgesehen werden. Maßgeblich für die Anordnung der Lichtleiter L1, ..., LN ist, dass diese zu einer unterschiedlichen Länge der einzelnen Lichtleiter L1, ..., LN führt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Lichtleiter L1, ..., LN der Auslenkeinheit 103 als eine integrierte Optik auf Silicon On Insulator SOI mittels eines Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)-Prozesses gefertigt sein. Insbesondere können die Signaleinheit 101 und/oder die Auslenkeinheit 103 in einen photonisch integrierten Schaltkreis PIC integriert sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Lasereinheit 107, insbesondere die Laserquelle 108 der Signaleinheit 101 eingerichtet, Laserlicht unterschiedlicher Wellenläge λ zu generieren. Die Lasereinheit 107 kann hierzu eine Laserquelle 108 aufweisen, die eingerichtet ist, Laserlicht verschiedener Wellenlänge zu erzeugen. Alternativ kann die Lasereinheit 107 eine Mehrzahl von Laserquellen 108 umfassen, die jeweils eingerichtet sind, Laserlicht einer unveränderbaren Wellenlänge zu erzeugen, wobei die Wellenlängen der verschiedenen Laserquellen 108 unterschiedlich sind.
Zum Aussenden des Laserlichts wird das von der Laserquelle 108 der Lasereinheit 107 generierte Laserlicht über den internen Lichtleiter L0 an die Auslenkeinheit 103 übertragen. Durch die Demultiplexer-Einheit 113 wird das über den internen Lichtleiter L0 übertragene Laserlicht mit identischer Intensität auf die Mehrzahl von Lichterleitern L1, ..., LN der Auslenkeinheit 103 verteilt. Über die Lichtleiter L1, ..., LN wird das Laserlicht zur Gitterstruktur 105 übertragen und über die Strahlungsöffnungen 104 der Gitterstruktur 105 aus der Auslenkeinheit 103 ausgekoppelt. Durch die unterschiedlichen optischen Weglängen der einzelnen Lichtleiter L1, ..., LN weist das Laserlicht der einzelnen Lichtleiter L1, ..., LN entsprechende Gangunterschiede zu dem Laserlicht der jeweils anderen Lichtleiter L1, ..., LN auf. Hierdurch weist das durch die Strahlungsöffnungen 104 ausgekoppelte Laserlicht einen intrinsischen Gangunterschied auf, so dass bei einer Interferenz der durch die einzelnen Strahlungsöffnungen 104 der Gitterstruktur 105 der Mehrzahl von Lichtleitern L1, ..., LN ausgekoppelten Lichtstrahlen eine Auslenkung des ausgesendeten Laserlichts LTx um einen Auslenkwinkel erreicht wird. Der Auslenkwinkel weist hierbei einen direkten Zusammenhang zu der Wellenlänge des durch die Lasereinheit 107 generierten Laserlichts auf. Durch Variation der Wellenlänge des generierten Laserlichts kann somit eine Variation der Auslenkung um verschiedene Auslenkwinkel des ausgesendeten Laserlichts LTx erreicht werden. Hierdurch kann ein beliebiges Abscannen der Umgebung des LiDAR-Systems 100 innerhalb eines gewünschten Raumbereichs erfolgen.
Die optische Weglänge ergibt sich gemäß der folgenden Relation, L_opt=L_geom*n(λ), wobei Lopt die optische Weglänge des Laserlichts innerhalb des Lichtleiters, L_geom die geometrische Länge des Lichtleiters und n(λ) den Brechungsindex des Lichtleiters für ein Laserlicht mit Wellenlänge λ beschreiben. Nebeneinander angeordnete Lichtleiter L1, ..., LN weisen eine Längendifferenz ΔL auf. Dies führt zu einer optischen Weglängendifferenz δ= ΔL* n(λ).
2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit ausgesendetem Laserlicht LTx;
2 zeigt die Auslenkeinheit 103 des LiDAR-Systems 100 aus 1. Die Auslenkeinheit 103 umfasst die Mehrzahl von Lichtleitern L1, ..., LN, die Demultiplexer-Einheit 113 und die Gitterstruktur 105 der Strahlungsöffnungen 104 der Lichtleiter L1, ..., LN.
In 2 ist ferner eine schematische Darstellung eines ausgesendeten Laserlichts LTx dargestellt. Das ausgesendete Laserlicht LTx ist als eine ebene Welle dargestellt mit einem Wellenvektor BT. Der Wellenvektor BT ist um einen Auslenkwinkel α zu einer senkrecht zur Gitterstruktur 105 ausgerichteten Raumrichtung z innerhalb einer zx-Ebene und um einen Auslenkwinkel β innerhalb einer zy-Ebene ausgelenkt.
Die Auslenkung des gezeigten Laserstrahlts LTx um den Auslenkwinkel α innerhalb der xz-Ebene des gezeigten Koordinatensystems wird durch eine Interferenz der durch die einzelnen Lichtleiter L1, ..., LN ausgesendeten Teilstrahlen bewirkt und folgt der folgenden Relation: $sin (α) = q* λ/Λ x + (Δ L*n (λ)) / Λ x = q* λ/Λ x + δ/Λ x,$
wobei Λx der Abstand der Strahlungsöffnungen 104 der jeweiligen Lichtleiter L1, ..., LN in x-Richtung, ΔL die Längendifferent der jeweiligen Lichtleiter und δ die optische Weglängendifferenz der jeweiligen Lichtleiter L1, ..., LN beschreiben. Die Größe q beschreibt hingegen die Ordnung der Demultiplexer-Einheit 113 und definiert eine Scangeschwindigkeit in α gemäß der Relation dα/dλ= q/Λx+ (dn(λ))/dλ*ΔL/Λx.
Die Auslenkung des Laserlichts LTx um den Auslenkwinkel β innerhalb der zy-Ebene wird durch eine Gitterkonstante Agr der Gitterstruktur 105 des Abstrahlöffnungen 104 und durch die Wellenlänge λ des Laserlichts gemäß der folgenden Relation bestimmt: sin(β)= (Λgr*n(λ)-λ))/ Λgr. Die Gitterkonstante Agr der Gitterstruktur 105 ergibt sich durch Abstände der einzelnen Abstrahlöffnungen 104 der Mehrzahl von Lichtleitern L1, ..., LN.
Durch Variation der Wellenlänge des durch die Lasereinheit 107 generierten Laserlichts kann somit den gezeigten Relationen folgend eine Auslenkung des ausgesendeten Laserlichts LTx um einen Auslenkwinkel α innerhalb der gezeigten zx-Ebene und einen Auslenkwinkel β innerhalb der gezeigten xy-Ebene erreicht werden. Hierdurch kann eine beliebige Ausrichtung des ausgesendeten Laserlichts LTx durch Variation der Wellenlänge λ des generierten Laserlichts erreicht werden. Die Struktur der Auslenkeinrichtung 103 bleibt unterdessen unverändert. Die Variation der Wellenlänge λ des generierten Laserlichts kann beispielsweise über dreiecksförmige Signalrampe erreicht werden.
3 zeigt eine graphische Darstellung zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Wellenlänge λ und Auslenkwinkel α, β.
3 zeigt eine graphische Illustration des Auslenkwinkels α innerhalb der zx-Ebene und des Auslenkwinkels β innerhalb der zy-Ebene. Die Größe BT' ist hierbei eine Projektion des Wellenvektors BT in die zx-Ebene und die Größe BT" ist eine Projektion des Wellenvektors BT aus 2 in die zy-Ebene.
4 zeigt ein Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Wellenlänge λ und Auslenkwinkel α, β.
stellt eine Auslenkung des ausgesendeten Laserlichts LTx, den Auslenkwinkel α innerhalb der zx-Ebene und den Auslenkwinkel β innerhalb der zy-Ebene bei unterschiedlichen Wellenlängen zwischen 1.500 nm und 1.600 nm und für eine Ordnung der Demultiplexer-Einheit 113 Q = - 150 dar. Bei einer kontinuierlichen Durchstimmung des generierten Laserlichts über den genannten Wellenlängenbereich zwischen 1.500 nm und 1.600 nm wird eine Bewegung des ausgesendeten Laserlichts LTx innerhalb eines zweidimensionalen Raumbereichs bewirkt, analog zu einem mittels eines 2D-Scanspiegels abgetasteten Laserstrahls.
In der gezeigten Ausführungsform ermöglicht die Variation der Wellenlänge λ einen Raumwinkel innerhalb der zx-Ebene zwischen 20° und -20°. Innerhalb dieses Raumwinkels kann somit ein zweidimensionaler Raumbereich durch Variation der Wellenlänge λ abgerastert werden. Das in 4 dargestellte Sägezahnmuster, insbesondere der verschiedenen α-Werte, entsteht dadurch, dass bei kontinuierlicher Erhöhung der Wellenlänge λ bei Erreichen des Auslenkwinkels α = 20° eine nächste Beugungsordnung des Beugungsbildes der Gitterstruktur 105 der Auslenkeinrichtung 103 erscheint.
Nach dem oben aufgeführten Schema kann ein zweidimensionales Bild eines Raumbereichs erstellt werden, dessen Pixel zusätzlich eine Tiefeninformation umfassen. Zur Änderung der Wellenlänge λ des generierten Laserlichts zum Abrastern des zweidimensionalen Raumbereichs ist die Lasereinheit 107 der Signaleinheit 101 eingerichtet, die Wellenlänge des generierten Laserlichts kontinuierlich zu variieren.
Die oben angeführten Zahlenwerte sind lediglich beispielhaft und dienen nicht zur Einschränkung der vorliegenden Erfindung. Das LiDAR-System 100 kann abweichend zu den Zahlenwerten in 4 in einem geänderten Wellenlängenbereich betrieben werden.
5 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System 100 eine Mehrzahl von Signaleinheiten 101, die jeweils mit der Auslenkeinheit 103 verbunden sind. Die Signaleinheiten 101 können hierbei identisch zur Signaleinheit 101 in 1 ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform sind die verschiedenen Signaleinheiten 101 eingerichtet, jeweils Laserlicht mit unterschiedlicher Wellenlänge zu erzeugen. Durch die Mehrzahl von Signaleinheiten 101 wird somit in der gezeigten Ausführungsform Laserlicht mit verschiedenen Wellenlängen λ1, ..., λN erzeugt und über eine Mehrzahl von internen Lichtleitern L0 an die Auslenkeinheit 103 übertragen. Die Auslenkeinheit 103 umfasst hierzu eine Demultiplexer-Einheit 113. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Demultiplexer-Einheit 113 einen Wellenlängenkoppler 115 und ein Multiplexelement 117. Der Wellenlängenkoppler 115 ist eingerichtet, das Laserlicht mit unterschiedlicher Wellenlänge λ1, ..., λN der Mehrzahl von Signaleinheiten 101 zu überlagern und an das Multiplexelement 117 zu übertragen. Das Multiplexelement 117 ist ferner eingerichtet, das von dem Wellenlängenkoppler 115 übertragene Laserlicht, das aus einer Überlagerung der verschiedenen Wellenlängen λ1, ..., λN besteht, mit identischer Intensität an die Mehrzahl von Lichtleitern L1, ..., LN der Auslenkeinheit 103 zu übertragen. Jeder Lichtleiter L1, ..., LN leitet damit ein Laserlicht bestehend aus einer Überlagerung einer Mehrzahl von Wellenlängen λ1, ..., λN an die Gitterstruktur 105 weiter, über die ein entsprechendes Laserlicht LTx ausgesendet wird. Durch die Überlagerung der Mehrzahl von Wellenlängen λ1, ..., λN kann gemäß den oben zu 2 bis 4 beschriebenen Mechanismen der zweidimensionale Raumbereich zeitgleich abgetastet werden, indem zeitgleich Laserlicht in verschiedene Raumrichtungen und um verschiedene Auslenkwinkel ausgelenkt wird. Ein zeitlich nacheinander erfolgendes Ändern der Wellenlänge λ des generierten Laserlichts durch die Signaleinheit 101, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen erfolgt, kann somit vermieden werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist Auslenkeinheit 103 ferner eingerichtet, reflektiertes Laserlicht LRx zu empfangen und gemäß der Empfangsrichtung Rx an die Mehrzahl von Signaleinheiten 101 zu übertragen. Eine Signalverarbeitung durch die Signaleinheiten 101, insbesondere eine Bestimmung der Schwebungsfrequenzen innerhalb der Kopplereinheiten, erfolgt gemäß dem zu 1 beschriebenen Mechanismus.
Durch die Mehrzahl parallel arbeitender Signaleinheiten 101 kann eine Bildrate 1/Tf bei gleichbleibender Zeit Tp gegenüber der Ausführungsform in 1 mit lediglich einer Signaleinheit 101 entsprechend vervielfacht werden. Die Zeit Tp beschreibt hierbei eine Pixelintegrationszeit, während die Größe Tf eine zur Aufnahme eines Bildes benötigte Zeit definiert, die durch die Anzahl der Pixel und die Pixelintegrationszeit Tp definiert ist.
6 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Sensorsystem 100 eine zweite Auslenkeinheit 119. Die zweite Auslenkeinheit 119 ist über einen weiteren inneren Lichtleiter L0R mit der Empfangseinheit 109 der Signaleinheit 101 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Auslenkeinheit 103 über den internen Lichtleiter L0 direkt mit der Lasereinheit 107 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform dient die Auslenkeinheit 103 ausschließlich zum Aussenden des durch die Lasereinheit 107 generierten und über die Senderichtung Tx übertragenen Laserlichts. Die zweite Auslenkeinheit 119 dient hingegen ausschließlich zum Empfangen des reflektierten Laserlichts LRx und zum Übertragen des reflektierten Laserlichts LRx über den zweiten internen Lichtleiter L0R entlang der Empfangsrichtung Rx an die Empfangseinheit 109 der Signaleinheit 101.
In der gezeigten Ausführungsform kann die Signaleinheit 101 analog zur Signaleinheit 101 aus 1 ausgebildet sein. Analog können die Auslenkeinheit 103 und die zweite Auslenkeinheit 119 identisch zur Auslenkeinheit 103 in der Ausführungsform in 1 ausgebildet sein.
Abweichend zu der Ausführungsform in 1 weist die Signaleinheit 101 in der gezeigten Ausführungsform keinen zweiten Strahlteiler S2 auf.
7 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System 100 eine Mehrzahl von Signaleinheiten 101. Darüber hinaus umfasst das LiDAR-System 100 eine Auslenkeinheit 103 und eine zweite Auslenkeinheit 119. Jede der Signaleinheiten 101 ist sowohl mit der Auslenkeinheit 103 als auch der zweiten Auslenkeinheit 119 verbunden. Die Funktionsweise der einzelnen Signaleinheiten 101 wie auch die Ausgestaltung der Signaleinheiten 101 und der Auslenkeinheit 103 entspricht der Ausführungsform in 5. Analog zu der Ausführungsform in 6 dient die Auslenkeinheit 103 ausschließlich zum Aussenden des durch die Signaleinheiten 101 generierten Laserlichts und ist analog zur Ausführungsform in 6 direkt mit den Lasereinheiten 107 der einzelnen Signaleinheiten 101 verbunden. Analog zur Ausführungsform in 6 ist die zweite Auslenkeinheit 119 direkt mit den Empfangseinheiten 109 der einzelnen Signaleinheiten 101 verbunden und dient ausschließlich zum Empfangen des reflektierten Laserlichts LRx.
8 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die gezeigte Ausführungsform basiert auf der Ausführungsform in 1 und umfasst alle dort beschriebenen Merkmale. Abweichend zur Ausführungsform in 1 umfasst das LiDAR-System 100 in der gezeigten Ausführungsform ein Zirkulatorelement 123. Über das Zirkulatorelement 123 kann das durch die Lasereinheit 107 generierte Laserlicht entlang der Senderichtung Tx zwischen den Anschlüssen 1 und 2 übertragen werden. Gleichzeitig kann das durch die Auslenkeinheit 103 empfangene reflektierte Laserlicht entlang der Empfangsrichtung Rx über die Anschlüsse 2 und 3 des Zirkulatorelements 123 an die Empfangseinheit 109 der Signaleinheit 101 übertragen werden. Durch das Zirkulatorelement 123 kann der zweite Strahlteiler S2 der Ausführungsform in 1 ersetzt werden. Hierdurch kann die Intensität des an die Empfangseinheit 109 übertragenen reflektierten Laserlichts erhöht werden, indem die Strahlteilung des reflektierten Laserlichts durch den zweiten Strahlteiler S2, bei der bis zu 50 % des reflektierten Laserlichts verloren geht, vermieden werden kann.
In der gezeigten Ausführungsform sind sowohl die Signaleinheit 101 als auch die Auslenkeinheit 103 in einen photonisch integrierten Schaltkreis 121 integriert. In der gezeigten Ausführungsform ist das Zirkulatorelement 123 hingegen nicht in den photonisch integrierten Schaltkreis 121 integriert.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer LiDAR-Anordnung 200 gemäß einer Ausführungsform.
9 zeigt eine LiDAR-Anordnung 200 mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen 100. Die LiDAR-Systeme 100 können gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die LiDAR-Anordnung 200 ein Basiselement 201, an dem die LiDAR-Systeme 100 angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform ist das Basiselement 201 trapezförmig ausgebildet und die LiDAR-Systeme 100 sind jeweils an die Ausflächen des trapezförmigen Basiselements 201 angeordnet. Durch die trapezförmige Ausbildung des Basiselements 201, sind die verschiedenen LiDAR-Systeme 100 in unterschiedliche Raumrichtungen ausgerichtet. Jedes einzelnen LiDAR-System 100 ist gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen eingerichtet, einen Winkelbereich von 40° einzusehen. Durch die verschiedenen Ausrichtungen der Mehrzahl von LiDAR-Systemen 100 kann somit über die gezeigte LiDAR-Anordnung 200 ein zusammenhängender Raumbereich eingesehen werden. In der gezeigten Ausführungsform sind drei LiDAR-Systeme 100 in der LiDAR-Anordnung 200 angeordnet. Alternativ hierzu kann eine beliebige Anzahl von LiDAR-Systemen 100 von der LiDAR-Anordnung 200 umfasst sein. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann darüber hinaus das Basiselement 201 eine von der gezeigten Trapezform abweichende Ausgestaltung aufweisen. Die LiDAR-Anordnung 200 kann ferner mit einer entsprechenden Datenverarbeitungseinheit (in 9 nicht dargestellt) verbunden sein, mittels der einen Datenverarbeitung der Daten der einzelnen LiDAR-Systeme 100 durchgeführt werden kann.

Claims

LiDAR-System (100) umfassend, eine Signaleinheit (101) zum Generieren von Laserlicht und eine Auslenkeinheit (103) zum Auslenken des Laserlichts der Signaleinheit (101) in vorbestimmte Raumrichtungen, wobei die Auslenkeinheit (103) eine Mehrzahl von Lichtleitern (L1,...,LN) mit Strahlungsöffnungen (104) zum Abstrahlen des Laserlichts (LTx) umfasst, wobei die Lichtleiter (L1,...,LN) unterschiedliche Längen aufweisen und unterschiedliche optische Weglängen definieren, wobei die Strahlungsöffnungen (104) in einer Gitterstruktur (105) angeordnet und eingerichtet sind, eine Interferenz des durch die Strahlungsöffnungen (104) abgestrahlten Laserlichts (LTx) zu bewirken, und wobei durch eine intrinsische Phasendifferenz des interferierenden Laserlichts (LTx) eine Auslenkung um einen Auslenkwinkel (α, β) des Laserlichts bewirkt ist.
LiDAR-System (100) nach Anspruch 1, wobei die Signaleinheit (101) eingerichtet ist, Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, ..., λN) zu generieren, und wobei über eine Variation der Wellenlänge des Laserlichts eine Auslenkung des Laserlichts um variable Auslenkwinkel (α, β) bewirkt ist.
LiDAR-System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signaleinheit (101) eine Lasereinheit (107) mit einer Laserquelle (108) zum Generieren und Aussenden des Laserlichts und eine Empfangseinheit (109) zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht (LRx) umfasst, und wobei die Auslenkeinheit (103) eingerichtet ist, aus der Raumrichtung reflektiertes Laserlicht (LRx) in die Empfangseinheit (109) der Signaleinheit (101) zu leiten.
LiDAR-System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signaleinheit (101) eine Lasereinheit (107) mit einer Laserquelle (108) zum Generieren und Aussenden des Laserlichts und eine Empfangseinheit (109) zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht (LRx) umfasst, wobei das LiDAR-System (100) ferner eine zweite Auslenkeinheit (119) zum Empfangen eines aus der Raumrichtung reflektierten Laserlichts (LRx) umfasst, wobei die zweite Auslenkeinheit (119) eine Mehrzahl von Lichtleitern mit Strahlungsöffnungen zum Empfangen des reflektierten Laserlichts (LRx) und zum Leiten des reflektierten Laserlichts (LRx) in die Signaleinheit (101) umfasst, und wobei die Auslenkungseinheit (103) mit der Lasereinheit (107) und die zweite Auslenkeinheit (119) mit der Empfangseinheit (109) der Signaleinheit (101) verbunden sind.
LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Auslenkeinheit (103) eine Demultiplexer-Einheit (113) umfasst, wobei die Demultiplexer-Einheit (113) mit der Signaleinheit (101) und der Mehrzahl von Lichtleitern (L1,...,LN) verbunden und eingerichtet ist, Laserlicht der Signaleinheit (101) in die Lichtleiter (L1,...,LN) der Auslenkeinheit (103) mit identischer Intensität einzuleiten.
LiDAR-System (100) nach Anspruch 5, wobei die Demultiplexer-Einheit (113) als ein Arrayed Waveguide Grating AWG, insbesondere als ein StarCoupler eines Arrayed Waveguide Gratings AWG ausgebildet ist.
LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Signaleinheit (101) über einen Lichtleiter (L0) mit der Auslenkeinheit (103) verbunden ist, und wobei über den Lichtleiter (L0) Laserlicht von der Lasereinheit (107) der Signaleinheit (101) in die Auslenkeinheit (103) und/oder reflektiertes Laserlicht von der Auslenkeinheit (103) in die Empfangseinheit (109) der Signaleinheit (101) übertragbar ist.
LiDAR-System (100) nach Anspruch 7, wobei das LiDAR-System (100) ferner ein Zirkulatorelement (123) umfasst, und wobei das Zirkulatorelement (123) mit dem Lichtleiter (L0) verbunden und eingerichtet ist, Laserlicht aus der Signaleinheit (101) über den Lichtleiter (L0) in die Auslenkeinheit (103) zu übertragen und reflektiertes Laserlicht aus der Auslenkeinheit (103) über den Lichtleiter (L0) in die Signaleinheit (101) zu übertragen.
LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das LiDAR-System (100) als ein Frequency Modulated Continuous Wave FMCW-LiDAR ausgebildet ist und eine Kopplereinheit (111) umfasst, und wobei in der Kopplereinheit (111) eine Interferenz zwischen Laserlicht (LTx) der Signaleinheit (101) und reflektiertem Laserlicht (LRx) erzielbar ist.
LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Lichtleiter (L1,...,LN) der Auslenkeinheit (103) als integrierte Optik auf Silicon on Insulator SOI mittels eines Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)-Prozesses gefertigt sind.
LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Signaleinheit (101) und/oder die Auslenkeinheit (103) und/oder die zweite Auslenkeinheit (119) in einen photonisch integrierten Schaltkreis PIC (121) integriert sind.
LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das LiDAR-System (100) eine Mehrzahl von Signaleinheiten (101) umfasst, und wobei die Signaleinheiten (101) mit der Auslenkeinheit (103) und/oder der zweiten Auslenkeinheit (119) verbunden sind und eingerichtet sind, Laserlicht (LTx) mit unterschiedlichen Wellenlängen (λ1,...,λN) bereitzustellen.
LiDAR-Anordnung (200) mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei wenigstens zwei LiDAR-Systeme (100) in wenigstens teilweise unterschiedliche Raumbereiche ausgerichtet sind.