DE102021204584A1

DE102021204584A1 - Integrierte Optik und LiDAR-Vorrichtung mit einer derartigen integrierten Optik

Info

Publication number: DE102021204584A1
Application number: DE102021204584.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Eugen Baumgart; Matthias Wichmann; Hadi Zahir; Daniel Aquino Maier; Alexander Huebel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Es wird eine integrierte Optik (1) bereitgestellt, insbesondere einer FMCW-LiDAR-Vorrichtung, mit einem Lichtsignalhauptleiter (2), der dazu eingerichtet ist, ein emittiertes Lichtsignal von einer Lichtsignalquelle an einen Tx-Port (3) zu leiten, der dazu eingerichtet ist, das emittierte Lichtsignal in eine Umgebung zu emittieren, und mit einem Rx-Port (14), der dazu eingerichtet ist, ein reflektiertes Lichtsignal aus der Umgebung zu empfangen, wobei das reflektierte Lichtsignal mit einem Anteil des emittierten Lichtsignal an einem Detektor (16) der integrierten Optik (1), insbesondere kohärent, überlagert wird. Dabei weist die integrierte Optik (1) eine Vielzahl von Rx-Ports (4, 5) auf, die in einem vorbestimmten Abstand von dem Tx-Port (3) räumlich beabstandet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Optik, insbesondere einer FMCW-LiDAR-Vorrichtung, mit einem Lichtsignalhauptleiter, der dazu eingerichtet ist, ein emittiertes Lichtsignal von einer Lichtsignalquelle an einen Tx-Port zu leiten, der dazu eingerichtet ist, das emittierte Lichtsignal in eine Umgebung zu emittieren, und mit einem Rx-Port, der dazu eingerichtet ist, ein reflektiertes Lichtsignal aus der Umgebung zu empfangen, wobei das reflektierte Lichtsignal mit einem Anteil des emittierten Lichtsignal an einem Detektor der integrierten Optik, insbesondere kohärent, überlagert wird.
Stand der Technik
Eine Abtast-LiDAR-Vorrichtung erzeugt eine dreidimensionale Umgebungskarte mittels punktweisen Abtastens einer Umgebung mit einem emittierten Lichtsignal und Sammelns des reflektierten Lichtsignals von Objekten, die sich in der abgetasteten Umgebung befinden. Es wird dabei an jedem Punkt die Entfernung und das Rückstrahlvermögen der einzelnen Objekte gemessen.
Herkömmliche LiDAR-Anwendungen verwenden dabei eine Laufzeit- (time of flight oder ToF) -technik mit inkohärenter Detektion, wobei die Intensität des emittierten Lichtsignals moduliert wird (üblicherweise via kurzer intensiver Pulse) und dessen Rücklaufzeit gemessen wird. Alternativ dazu kann eine kohärente Detektion verwendet werden, wie beispielsweise eine FMCW- (frequency modulated continuous wave) -technik. In dieser Letzteren wird die Frequenz des emittierten Lichtsignals moduliert und das reflektierte Lichtsignal wird in einer kohärenten Weise mit einem Referenzlichtsignal (auch als lokaler Oszillator oder local oscillator bezeichnet) an einem Detektor überlagert. Die FMCW-Technik hat nun in LiDAR-Anwendungen aufgrund der genannten Kohärenzbedingung einen Vorteil gegenüber der ToF-Technik. Denn sie ist nur empfindlich für ein Lichtsignal, das von der kohärenten Lichtsignalquelle emittiert wurde. Daher können mit der FMCW-Technik die einzelnen Objekte einer Umgebung mit hoher Empfindlichkeit sogar gegen helles Sonnenlicht detektiert werden. Dabei ist jedoch eine der Herausforderungen, dass das empfangene reflektierte Lichtsignal mit dem Referenzlichtsignal aus der Lichtsignalquelle am Detektor kohärent überlagert werden muss. Dies kann beispielsweise mittels Einkoppelns in einen Lichtwellenleiter oder eine Lichtführung einer integrierten Optik (auch photonic integrated circuit oder PIC genannt) geschehen. Dabei kann der Lichtwellenleiter typicherweise auch bereits Teil des PICs sein, falls keine Glasfaser verwendet wird.
Das (Ab-)lenken des emittierten Lichtsignals kann mechanisch erfolgen. Hier ist beispielsweise eine (Ab-)lenkung über einen Abtastspiegel oder die Rotation der gesamten LiDAR-Vorrichtung denkbar. Alternativ ist eine (Ab-)lenkung ebenso mittels Anwendens eines linearen Phasengradienten in einer Anordnung aus kohärenten Emittern realisierbar. Ein solcher Phasengradient kann realisiert werden mittels einer optischen phasengesteuerten Anordnung (optical phase array) oder mittels Verwendens von diffraktiven Elementen und Abstimmung der Wellenlänge innerhalb eines Spektralbereichs von einem Nanometer oder mehr, beziehungsweise in einem Spektralbereich von mehreren zehn Nanometern oder mehr.
Wenn die Zeit, die benötigt wird um die Lichtsignalrichtung zu ändern, deutlich kleiner ist, als die Aufnahmezeit eines Pixels, ist ein sogenannter „point and shoot“ Abtastmodus anwendbar. Hier wird das emittierte Lichtsignal auf den gewünschten Pixel gerichtet und behält seine Position während der gesamten Messung bei. Ein Beispiel wäre ein mechanischer Scanspiegel, dessen Einschwingzeit deutlich unterhalb der Pixelintegrationszeit liegt. Die Anwendung eines solchen „point and shoot“ Abtastmodus ist allerdings aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht immer möglich; beispielsweise dann, wenn mechanisch gescannt wird und eine sehr kurze Pixel-Aufnahmezeit gefordert wird, um hohe Bildraten zu erzielen.
Auf der anderen Seite ist eine mechanische Abtasteinheit, wie ein MEMS- oder Galvo-Scanner, herkömmlich zu vergleichsweise niedrigen Kosten verfügbar. Sie wird in LiDAR-Vorrichtungen des Standes der Technik verwendet. Falls die Abtastzeit ausreichend lang ist, kann der Abtastspiegel an jedem Pixel stoppen, und die Messung durchführen. Allerdings ist die Abtastzeit bei hohen Pixelabtastraten durch die Trägheit des Abtastspiegels begrenzt. Dies ist also der Fall, falls die Pixelintegrationszeit von der Größenordnung der mechanischen Einschwingzeit ist. Dann ist es nicht möglich, den Abtastspiegel bei jedem Pixel anzuhalten und die Messung muss „on the fly“ durchgeführt werden. Dies führt allerdings zu einem Winkelversatz der Abtastspiegelposition zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des emittierten Lichtsignals und der Detektion des reflektierten Lichtsignals.
Dieses Problem kann weiter wie folgt veranschaulicht werden. Hierzu stelle man sich vor, der Abtastspiegel bewege sich entlang seiner schnellen Achse zum Beispiel in einem sinusförmigen, sägezahnartigen oder dreieckigen Muster. Dies sind die intrinsischen Abtastmodi von resonanten Abtastspiegeln oder rotierenden Polygon-Abtastspiegeln. Nach Aussendung des emittierten Lichtsignals bewegt sich der Abtastspiegel weiter, während das emittierte Lichtsignal zu dem abzutastenden Objekt läuft, dort reflektiert wird und zurück in die LiDAR-Vorrichtung läuft. Der Abtastspiegel reflektiert also das vom Objekt reflektierte Lichtsignal nicht unter demselben Winkel wie das zuvor emittierte Lichtsignal. Eine Kollimatorlinse refokussiert das Lichtsignal an der Lichtleiterfacette. Aber dies geschieht leicht verschoben in Bezug auf die Kernmode. Dies ist der sogenannte Fizeau-Effekt. Er reduziert die Überlappung von Lichtsignal- und Kernmode bei Überlagerung an dem Detektor, wodurch die Signalstärke beeinträchtigt wird. Dieser Effekt nimmt zu mit steigenden Abtastspiegelgeschwindigkeiten und Entfernungen zu den abgetasteten Objekten.
In einem sogenannten monostatischen System steigen die Verluste daher immer mit steigender Entfernung zu dem abgetasteten Objekt an. In einem sogenannten bi-statischen System können sie für eine vorbestimmte Entfernung der abgetasteten Objekte mittels Einführens eines räumlichen Versatzes zwischen den Emitter- und Empfangslichtsignalpfaden minimiert werden.
In einer inkohärenten Detektionsmethode kann dieser Effekt einfach mittels Erhöhens der Größe der Fläche des Detektors kompensiert werden. Dieser Ansatz kann allerdings auf ein FMCW-System nicht übertragen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn integrierte Optiken oder Lichtwellenleitersysteme verwendet werden. Obwohl die Erhöhung des Querschnitts der Endfacetten der Lichtleiter den Kernmodendurchmesser erhöhen würde, würde dies nicht zu einer Erhöhung der Kopplungseffizienz führen, da das empfangene Lichtsignal nicht nur mit dem Lichtleiter überlappen muss, sondern ebenso die räumliche Verteilung von dessen elektrischem Feld mit der Verteilung des Modenfelds des Lichtleiters übereinstimmen muss.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße integrierte Optik weist eine Vielzahl von Rx-Ports auf, die in einem vorbestimmten Abstand von dem Tx-Port räumlich beabstandet sind.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen an dem Beispiel einer FMCW-LiDAR-Vorrichtung beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann die Erfindung überall dort zur Anwendung kommen, wo ein Lichtsignal in einen Lichtleiter eingekoppelt werden soll. Dies kann auch bei nicht kohärent detektierenden LiDAR-Vorrichtungen oder anderen Abtastlichtsensoren der Fall sein.
Die erfindungsgemäße integrierte Optik ist also geeignet für beispielsweise FMCW-LiDAR-Vorrichtungen. Sie weist einen Tx-Port (Sendepfad; Lichtsignalemissionspfad) auf, der über den Lichtsignalhauptleiter von einer Lichtsignalquelle ein emittiertes Lichtsignal in eine Umgebung emittiert. Das emittierte Lichtsignal wird an einem abgetasteten Objekt in der Umgebung reflektiert. Das derartig reflektierte Lichtsignal wird an dem Rx-Port (Empfangspfad; Lichtsignalempfangspfad) empfangen. An dem Detektor der integrierten Optik werden das emittierte Lichtsignal und das reflektierte Lichtsignal überlagert. Hier ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Vielzahl, insbesondere mindestens zwei, Rx-Ports in der integrierten Optik angeordnet sind. Diese unterschiedlichen Rx-Ports sind in einem festen vorbestimmten Abstand von dem Tx-Port beabstandet. Derartig angeordnet, kann jeder aus der Vielzahl der Rx-Ports einen vorbestimmten Bereich von Entfernungen zu einem abgetasteten Objekt abdecken. Zusammen mit einer gleichmäßig bewegten Abtasteinheit (Abtastspiegel) kann in einer Rasterabtastung (kontinuierliche Abtastung, wobei benachbarte Pixel und benachbarte Zeilen jeweils nacheinander abgetastet werden) so die Detektionseffizienz erhöht werden. Der Abstand zwischen dem jeweiligen Rx-Port aus der Vielzahl von Rx-Ports zu dem Tx-Port bestimmt zusammen mit der Abtastwinkelgeschwindigkeit den abgedeckten Abtastbereich. Auf diese Weise ist es möglich, die Abtasteinheit (Abtastspiegel) schneller zu betreiben verglichen mit einem monostatischen System. Dabei wird vorteilhafterweise kein Anteil des reflektierten Lichtsignals aufgrund „Auswanderns“ der Abtasteinheit (Abtastspiegel) verloren. Dies erlaubt Datenerfassung mit höheren Bildraten oder größere Sichtfelder, während dieselbe Anzahl an Kanälen erhalten bleibt.
Auch ist es möglich, dass die integrierte Optik mindestens einen Lichtsignalnebenleiter aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen Anteil des emittierten Lichtsignals an dem Lichtsignalhauptleiter auszukoppeln und an den Detektor zu leiten.
Es kann beispielsweise ein Strahlteiler verwendet werden, um den Anteil des emittierten Lichtsignals in den mindestens einen Lichtsignalnebenleiter auszukoppeln. Der Anteil des ausgekoppelten emittierten Lichtsignals kann beispielsweise 1 % betragen. Der Anteil des ausgekoppelten emittierten Lichtsignals wird von dem Lichtsignalhauptleiter abgezweigt und zu dem Detektor der integrierten Optik geführt. Dorthin wird ebenso das reflektierte Lichtsignal von der Vielzahl von Rx-Ports geleitet. Der Anteil des emittierten Lichtsignals aus dem Lichtsignalnebenleiter kann mit dem reflektierten Lichtsignal aus den Rx-Ports am Detektor kohärent überlagert werden. Der verbleibende Hauptanteil des emittierten Lichtsignals kann weiter durch den Lichtsignalhauptleiter zu dem Tx-Port propagieren. Dabei stellt als jeder Lichtsignalnebenleiter einen lokalen Oszillator dar. Der Detektor kann als eine oder mehrere Fotodioden ausgebildet sein.
In einer besonderen Ausführungsform ist in der integrierten Optik eine Vielzahl von Detektoren vorgesehen, wobei jeweils ein Lichtsignalnebenleiter und ein Rx-Port, mittels eines Lichtsignalempfangsleiters, mit einem Detektor verbunden sind.
Damit ist eine Vielzahl von Lichtsignalnebenleitern vorgesehen, die alle einen gewissen Anteil des emittierten Lichtsignals an dem Lichtsignalhauptleiter auskoppeln. Dies kann beispielsweise durch einen Strahlteiler geschehen. Jeder Lichtsignalnebenleiter stellt einen lokalen Oszillator dar. Der Anteil des ausgekoppelten emittierten Lichtsignals wird jeweils in einem separaten Lichtsignalnebenleiter an einen eigens mit diesem assoziierten Detektor geleitet. Zugleich wird das reflektierte Lichtsignal von einem Rx-Port, mittels des Lichtsignalempfangsleiters, an einen Detektor geleitet. Dadurch wird jeder Lichtsignalnebenleiter eindeutig mit einem bestimmten Detektor verbunden, der wiederum eindeutig mit einem bestimmten Rx-Port verbunden ist. Dadurch kann das emittierte Lichtsignal mit dem reflektierten Lichtsignal an einem je einem bestimmten Rx-Port zugeordneten Detektor kohärent detektiert werden. Der Detektor kann als eine oder mehrere Fotodioden ausgebildet sein. Der in dem Lichtsignalnebenleiter verbleibende Anteil des emittierten Lichtsignals propagiert zu dem Tx-Port. Das über den Tx-Port emittierte Lichtsignal kann mittels eines optischen Linsensystems kollimiert werden. Nach der Kollimierung wird eine Rasterabtastung mit dem emittierten Lichtsignal durchgeführt unter Verwendung von beispielsweise mehreren mechanischen Abtastspiegeln oder mittels Rotierens des gesamten Systems. Der Abstand der Rx-Ports von dem Tx-Port bestimmt dann zusammen mit der Abtastwinkelgeschwindigkeit den abgedeckten Abtastbereich der integrierten Optik. Die Detektionseffizienz wird erhöht.
Auch ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein Rx-Port an der räumlichen Position des Tx-Ports angeordnet ist, wobei der Rx-Port mittels eines assoziierten Lichtsignalempfangsleiters mit dem Detektor verbunden ist.
Damit lässt sich alternativ zu dem oben beschriebenen bi-statischen System ebenso ein monostatisches System realisieren. Hierbei ist einer der Rx-Ports an der räumlichen Position des Tx-Ports angeordnet. Zusätzlich finden sich weitere Rx-Ports, die mit einem räumlichen Abstand zu dem Tx-Port angeordnet sind. Im Übrigen weist diese Ausführungsform dieselbe Funktionalität auf. Der Rx-Port ist mittels eines Lichtsignalempfangsleiters mit dem Detektor verbunden. Dieser Detektor ist ebenso mittels eines assoziierten Lichtsignalnebenleiters mit dem Lichtsignalhauptleiter verbunden. So kann eine kohärente Detektion an dem Detektor stattfinden.
Weiter ist von Vorteil, dass der vorbestimmte Abstand zwischen dem Tx-Port und dem Rx-Port und/oder zwischen der Vielzahl von Rx-Ports untereinander kleiner oder gleich einem lateralen räumlichen Versatz zwischen dem emittierten Lichtsignal und dem reflektierten Lichtsignal ist.
Dies ist einfach an einem Beispiel erläutert. Angenommen, die integrierte Optik rotiert mit einer Geschwindigkeit, sodass, wenn ein Lichtsignal von einem 200 m entfernten Objekt reflektiert wird, sich beim Auftreffen des reflektierten Lichtsignals ein Winkelversatz von 0,008° relativ zur Position der Aussendung des emittierten Lichtsignals eingestellt hat. Weiterhin wird angenommen, dass die verwendete Kollimatorlinse eine Brennweite von 25 mm hat. Dann wird das reflektierte Lichtsignal mit einem 3,5 µm großen lateralen Versatz in Bezug auf dessen Tx-Port auftreffen. Um nun eine optimale Einkoppeleffizienz zu erzielen, müssen also zum einen Durchmesser und Form des elektrischen Felds des vom Objekt reflektierten und durch den Kollimator wieder fokussierten Lichts mit Durchmesser und Form der Mode des Wellenleiters, also der im Lichtleiter physikalisch erlaubten E-Feld-Verteilung, übereinstimmen, sowie die laterale Position des fokussierten reflektierten Lichtsignals mit der Position des Modenfelds des assoziierten Rx-Ports übereinstimmen. In unserem Beispiel wird nun der Rx-Port mit einem Versatz von 3,5 µm seitlich neben dem Tx-Port platziert. Dies erlaubt eine hohe Detektionseffizienz über den gesamten Abtastbereich, die durch vielfache begrenzte Detektionstiefen ermöglicht wird. Wird der Scanspiegel mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit betrieben, erhöht sich der Versatz zum Tx-Port entsprechend, z.B. um den Faktor 2 auf 7,0 µm. Wenn nun ein weiterer Rx-Port nun bei 3,5 µm platziert wird, ist für diesen die Einkoppeleffizienz für Objekte bei dem halben Abstand maximiert, in unserem Beispiel bei 100 m. Für jeden der Rx-Ports ergibt sich somit ein Abstandsbereich im Objektraum, in dem die Einkoppeleffizienz optimiert ist.
Schließlich ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass ein Rx-Port zu jeweils unmittelbar benachbarten Rx-Ports aus der Vielzahl von Rx-Ports jeweils einen identischen räumlichen Abstand aufweist.
Dies stellt eine besonders einfache Ausführungsform dar. Wie auch in anderen beschriebenen Ausführungsformen kann hier der Abstand zwischen dem Tx-Port und den Rx-Ports dazu beitragen, die Gefahr einer Detektorsättigung für geringe Abstände zum abgetasteten Objekt zu verringern.
Letzthin kann die erfindungsgemäße integrierte Optik in einer LiDAR-Vorrichtung verwendet werden, insbesondere in einer FMCW-LiDAR-Vorrichtung.
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 erfindungsgemäße integrierte Optik mit zwei Rx-Ports in einer bistatischen Ausführung;
2 eine erfindungsgemäße integrierte Optik mit drei Rx-Ports in einer monostatischen Ausführung;
3 eine Anordnung von einem Tx-Port und zwei Rx-Ports auf einem Wafer der erfindungsgemäßen integrierten Optik; und
4 bis 7 eine schematische Illustration der Kompensation eines Fizeau-Effekts mittels der erfindungsgemäßen integrierten Optik.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine integrierte Optik 1 dargestellt. Die integrierte Optik 1 weist einen Lichtsignalhauptleiter 2 auf, der ein emittiertes Lichtsignal von einer Lichtsignalquelle (nicht dargestellt) zu einem Tx-Port 3 leitet. An dem Tx-Port 3 wird das emittierte Lichtsignal in eine Umgebung der integrierten Optik 1 emittiert. Es trifft dort auf ein abgetastetes Objekt und wird als reflektiertes Lichtsignal zu der integrierten Optik 1 zurückgeworfen. Dort trifft das reflektierte Lichtsignal auf einen ersten Rx-Port 4 und einen zweiten Rx-Port 5. Es wird von dem ersten Rx-Port 4 mittels eines ersten Lichtsignalempfangsleiters 6 an einen ersten Detektor 7 geleitet. Das reflektierte Lichtsignal wird von dem zweiten Rx-Port 5 mittels eines zweiten Lichtsignalempfangsleiters 8 an einen zweiten Detektor 9 geleitet. Der erste Detektor 7 ist zugleich mit einem ersten Lichtsignalnebenleiter 10 verbunden. Dieser Lichtsignalnebenleiter 10 koppelt aus dem Lichtsignalhauptleiter 2 einen Anteil des emittierten Lichtsignals aus, beispielsweise 1%, und leitet es an den ersten Detektor 7. Der zweite Detektor 9 ist in gleicher Weise mit einem zweiten Lichtsignalnebenleiter 11 verbunden, der ebenso einen Anteil des emittierten Lichtsignals aus dem Lichtsignalhauptleiter 2 auskoppelt, beispielsweise 1%, und an den zweiten Detektor 9 leitet. Dabei kann vor dem ersten Detektor 7 ein erstes Multimoden-Interferometer 12 vorgesehen sein. Es kann vor dem zweiten Detektor 9 ein zweites Multimoden-Interferometer 13 vorgesehen sein. Der erste Detektor 7 und/oder der zweite Detektor 9 können als eine oder mehrere Fotodioden ausgebildet sein. Es kann eine kohärente Überlagerung des emittierten Lichtsignals mit dem reflektierten Lichtsignal an den Detektoren 7, 9 erfolgen.
Es ist in 1 klar zu erkennen, dass neben dem Tx-Port 3 zwei Rx-Ports 4, 5 vorgesehen sind, die von dem Tx-Port 3 räumlich beabstandet angeordnet sind. Dabei werden der erste Lichtsignalnebenleiter 10 und der zweite Lichtsignalnebenleiter 11 als Strahlteiler verwendet, die einen kleinen Anteil des emittierten Lichts von dem Lichtsignalhauptleiter 2 abzweigen und es an den ersten Detektor 7 beziehungsweise den zweiten Detektor 9 leiten, die mit dem entsprechenden Rx-Port 4 und Rx-Port 5 assoziiert sind. Somit kann der Abstand der Rx-Ports 4, 5 von dem Tx-Port 3 zusammen mit der Abtastwinkelgeschwindigkeit der integrierten Optik 1 den abgedeckten Abtastbereich bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich, die bistatische Ausführung der 1 mit einer schnelleren Abtasteinheit (Abtastspiegel) zu betreiben als herkömmliche monostatische Systeme, ohne dabei das reflektierte Lichtsignal durch „auswandern“ zu verlieren. Es wird eine höhere Datenerfassung bei höheren Bildraten möglich sowie größere Sichtfelder, während zugleich die Anzahl der Kanäle erhalten werden kann.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform zu erkennen. Diese weist die Merkmale der 1 auf. Sie ist jedoch um eine monostatische Konfiguration ergänzt. So ist ein zusätzlicher dritter Rx-Port 14 an der Position des Tx-Ports 3 vorgesehen. Dieser dritte Rx-Port 14 ist mittels eines dritten Lichtsignalempfangsleiters 15 mit einem dritten Detektor 16 verbunden. Der dritte Detektor 16 erhält ebenso einen Anteil des emittierten Lichtsignals aus dem Lichtsignalhauptleiter 2 über einen dritten Lichtsignalnebenleiter 17. Dem Dritten Detektor 16 ist ein drittes Multimoden-Interferometer 18 vorgeschaltet. So wird wiederum eine kohärente Detektion des reflektierten Lichtsignals an dem dritten Detektor 16 möglich. Der Tx-Port 3 wird hier zugleich als dritter Rx-Port 14 genutzt.
In 3 ist eine frontale Schnittansicht der Ausführungsformen der 1 und 2 gezeigt. Der Tx-Port 3 und die Rx-Ports 4, 5, 14 sind auf einem Wafer 19 dargestellt. Sie können als Kantenkoppler oder Gitterkoppler ausgebildet sein. Hier ist zu erkennen, dass der Tx-Port 3 von den Rx-Ports 4, 5 in einem räumlichen Abstand 20 beabstandet ist. Dieser Abstand 20 kann im gezeigten Beispiel 1,75 µm betragen. Es sind zur besseren Veranschaulichung die Gauß'schen Kernmoden 21 des Tx-Ports 3 und der Rx-Ports 4, 5, 14 mit einem beispielhaften Durchmesser von 3 µm eingezeichnet. Man nehme nun an, dass sich die integrierte Optik 1 beziehungsweise die Abtasteinheit (Abtastspiegel) mit einer derartigen Geschwindigkeit dreht, dass, wenn ein Lichtsignal von einem 200 m entfernten Objekt reflektiert wird, sich beim Auftreffen des reflektierten Lichtsignals ein Winkelversatz von 0,008° relativ zur Position der Aussendung des emittierten Lichtsignals eingestellt hat. Weiterhin wird angenommen, dass eine verwendete Kollimatorlinse eine Brennweite von 25 mm hat. Dann wird das reflektierte Lichtsignal mit einem 3,5 µm großen lateralen Versatz in Bezug auf dessen Tx-Port 3 auftreffen. Um nun eine optimale Einkoppeleffizienz zu erzielen, müssen also zum einen Durchmesser und Form des elektrischen Felds des vom Objekt reflektierten und durch den Kollimator wieder fokussierten Lichts mit Durchmesser und Form der Mode des Wellenleiters, also der im Lichtleiter physikalisch erlaubten E-Feld-Verteilung, übereinstimmen, sowie die laterale Position des fokussierten reflektierten Lichtsignals mit der Position des Modenfelds des assoziierten Rx-Ports 4, 5, 14 übereinstimmen. In unserem Beispiel wird nun der Rx-Port 4, 5, 14 mit einem Versatz von 3,5 µm seitlich neben dem Tx-Port 3 platziert. Dies erlaubt eine hohe Detektionseffizienz über den gesamten Abtastbereich, die durch vielfache begrenzte Detektionstiefen ermöglicht wird. Wird der Scanspiegel mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit betrieben, erhöht sich der Versatz zum Tx-Port 3 entsprechend, z.B. um den Faktor 2 auf 7,0 µm. Wenn nun ein weiterer Rx-Port nun bei 3,5 µm platziert wird, ist für diesen die Einkoppeleffizienz für Objekte bei dem halben Abstand maximiert, in unserem Beispiel bei 100 m. Für jeden der Rx-Ports 4, 5, 14 ergibt sich somit ein Abstandsbereich im Objektraum, in dem die Einkoppeleffizienz optimiert ist.
Diesem Beispiel folgend, kann eine Vielzahl von Rx-Ports auf allen Seiten des Tx-Ports 3 platziert werden. Dies ist beispielsweise sinnvoll für rotierende Systeme, Polygonspiegel-Abtastscanner oder Galvo-Scanner, die über eine Sägezahnspannung betrieben werden. Im allgemeinen Fall, in dem das System einer Schwenkbewegung folgt, können zusätzliche Rx-Ports auf beiden Seiten des Tx-Ports 3 platziert werden. Hierdurch wird eine Segmentierung der abgetasteten Umgebung in verschiedene Entfernungen zu den abgetasteten Objekten erreicht. Jeder Rx-Port kann nur ein reflektiertes Lichtsignal von einem abgetasteten Objekt empfangen, das sich in einer vorbestimmten Entfernung befindet. Hierdurch kann die Tiefenauflösung der integrierten Optik 1 verbessert werden. In dem oben zu 3 diskutierten Beispiel fällt beispielsweise die Kopplungseffizienz unter 50% für Entfernungen zu dem abgetasteten Objekt von mehr als 50 m für den dritten Rx-Port 14. Zugleich erhöht sich dann aber die Kopplungseffizienz für den ersten Rx-Port 4. Diese fällt sodann für steigende Entfernungen wieder ab, wobei zugleich die Kopplungseffizienz des zweiten Rx-Ports 5 für Entfernungen von über 150 m zunimmt. Dies stellt eine integrierte Optik 1 bereit, die über den gesamten Detektionsbereich eine hohe Detektionseffizienz aufweist.
Dieses Prinzip zur Kompensation des Fizeau-Effekts ist auch in 4 bis 7 schematisch veranschaulicht.
In 4 ist die Integrierte Optik 1 mit dem ersten Rx-Port 4, dem zweiten Rx-Port 5 und dem dritten Rx-Port 14 gezeigt. Diese sind mit einer Brennweite 22 von einer Kollimatorlinse 23 beabstandet. Das aus dem Tx-Port 3 emittierte Lichtsignal 24 trifft in einer ersten einer Entfernung 25 auf ein erstes Objekt 26; in einer zweiten Entfernung 27 auf ein zweites Objekt 28; und in einer dritten Entfernung 29 auf ein drittes Objekt 30.
In 5 ist gezeigt, dass ein von dem ersten Objekt 26 erstes reflektiertes Lichtsignal 31 auf die Kollimatorlinse 23 trifft und auf dem dritten Rx-Port 14 fokussiert wird.
6 zeigt, dass ein von dem zweiten Objekt 28 zweites reflektiertes Lichtsignal 32 auf die Kollimatorlinse 23 trifft und auf dem ersten Rx-Port 4 fokussiert wird. Dabei ist das zweite Objekt 28 weiter von der integrierten Optik 1 entfernt als das erste Objekt 26. Die integrierte Optik 1 hat sich also um gewissen Winkelversatz gegen der in 5 dargestellten Position weitergedreht. Diese Drehung wird ausgenutzt, um das zweite reflektierte Lichtsignal 32 auf den zu diesem Zweck entsprechend positionierten ersten Rx-Port 4 zu fokussieren.
7 zeigt, dass ein von dem dritten Objekt 30 drittes reflektiertes Lichtsignal 33 auf die Kollimatorlinse 23 trifft und auf dem zweiten Rx-Port 5 fokussiert wird. Hier hat sich die integrierte Optik 1 im Vergleich mit der 6 wiederum um einen gewissen Winkelversatz weitergedreht. Das dritte reflektierte Lichtsignal 33 stammt von dem am weitesten von der integrierten Optik 1 entfernten dritten Objekt 30. Mithin wird das dritte reflektierte Lichtsignal 33 auf den zweiten Rx-Port 5 fokussiert.
Damit ist jeder Rx-Port 4, 5, 14 auf eine bestimmte Entfernung 27, 29, 25 abgestimmt. Dies erlaubt eine hohe Detektionseffizienz über den gesamten Abtastbereich unter Ausnutzung verschiedener Detektionstiefen.
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.

Claims

Integrierte Optik (1), insbesondere einer FMCW-LiDAR-Vorrichtung, mit einem Lichtsignalhauptleiter (2), der dazu eingerichtet ist, ein emittiertes Lichtsignal (24) von einer Lichtsignalquelle an einen Tx-Port (3) zu leiten, der dazu eingerichtet ist, das emittierte Lichtsignal (24) in eine Umgebung zu emittieren, und mit einem Rx-Port (14), der dazu eingerichtet ist, ein reflektiertes Lichtsignal (31) aus der Umgebung zu empfangen, wobei das reflektierte Lichtsignal (31) mit einem Anteil des emittierten Lichtsignal (24) an einem Detektor (16) der integrierten Optik (1), insbesondere kohärent, überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Optik (1) eine Vielzahl von Rx-Ports (4, 5) aufweist, die in einem vorbestimmten Abstand (20) von dem Tx-Port (3) räumlich beabstandet sind.
Integrierte Optik (1) nach Anspruch 1, wobei die integrierte Optik (1) mindestens einen Lichtsignalnebenleiter (17) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen Anteil des emittierten Lichtsignals (24) an dem Lichtsignalhauptleiter (2) auszukoppeln und an den Detektor (16) zu leiten.
Integrierte Optik (1) nach Anspruch 2, wobei die integrierte Optik (1) eine Vielzahl von Detektoren (7, 9, 16) aufweist, wobei jeweils ein Lichtsignalnebenleiter (10, 11, 17) und ein Rx-Port (4, 5, 14), mittels eines Lichtsignalempfangsleiters (6, 8, 15), mit einem Detektor (7, 9, 16) verbunden sind.
Integrierte Optik (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Rx-Port (14) an der räumlichen Position des Tx-Ports (3) angeordnet ist, wobei der Rx-Port (14) mittels eines assoziierten Lichtsignalempfangsleiters (15) mit dem Detektor (16) verbunden ist.
Integrierte Optik (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der vorbestimmte Abstand (20) zwischen dem Tx-Port (3) und dem Rx-Port (4, 5, 14) und/oder zwischen der Vielzahl von Rx-Ports (4, 5, 14) untereinander kleiner oder gleich einem lateralen räumlichen Versatz zwischen dem emittierten Lichtsignal (24) und dem reflektierten Lichtsignal (31, 32, 33) ist.
Integrierte Optik (1) nach Anspruch 5, wobei ein Rx-Port (4, 5, 14) zu jeweils unmittelbar benachbarten Rx-Ports (4, 5, 14) aus der Vielzahl von Rx-Ports (4, 5, 14) jeweils einen identischen räumlichen Abstand (20) aufweist.
LiDAR-Vorrichtung, insbesondere FMCW-LiDAR-Vorrichtung, mit einer integrierten Optik (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.