-
Die Erfindung betrifft eine Emissionseinheit, mit der elektromagnetische Strahlung gerichtet abgegeben werden kann. Die Erfindung betrifft ferner eine LiDAR-Vorrichtung mit einer solchen Emissionseinheit.
-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind LiDAR-Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Laserstrahl mittels Spiegeln in einem Ablenkbereich bewegt wird. Ferner sind LiDAR-Vorrichtungen bekannt, bei denen eine Richtung von emittierter elektromagnetischer Strahlung mittels phasengesteuertem Feld erfolgen kann. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im Infrarotbereich liegen. Dabei wird elektromagnetische Strahlung in mehreren, nebeneinander liegenden Wellenleitern geführt, wobei mittels Phasenschiebern ein Phasenversatz der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Wellenleiter einstellbar ist. Die elektromagnetische Strahlung wird mittels Auskoppeleinheiten aus den Wellenleitern ausgekoppelt, wobei sich eine Richtung, in der sich im Fernfeld aufgrund konstruktiver Interferenz ein Strahlungsmaximum einstellt, mittels der Einstellung eines Phasenversatzes in den einzelnen Wellenleitern steuern lässt. Dies ist analog zu sehen zur phasengesteuerten Gruppenantenne für Radarsysteme, jedoch abgestimmt auf elektromagnetische Wellenlängen im optischen, also im sichtbaren, bzw. infraroten Wellenlängenbereich. Eine solche Emissionseinheit kann als optische phasengesteuerte Gruppenlichtquelle oder in englischer Sprache als Optical Phased Array (OPA) bezeichnet werden. Eine solche Ausgestaltung der Emissionseinheit ermöglicht es, auf bewegliche Teile innerhalb der LiDAR-Vorrichtung weitgehend zu verzichten und dadurch eine LiDAR-Vorrichtung zu ermöglichen, die deutlich resistenter gegenüber mechanischen Stößen ist und die ferner kompakter und kostengünstiger herstellbar sein kann.
-
Eine solche Emissionseinheit kann als integrierte Optik auf einem Wafer bereitgestellt werden, wobei dies einer weiteren Miniaturisierung der Emissionseinheit dienen kann. Es kann vorgesehen sein, dass innerhalb einer LiDAR-Vorrichtung ein zusätzlicher Detektor angeordnet ist, wobei eine Entfernungsmessung mittels des aus dem Stand der Technik bekannten Laufzeitmessverfahrens erfolgt. Alternativ können auf dem Wafer bereits optische Detektoren integriert sein, wobei das ausgesendete Licht in seiner Frequenz moduliert wird und im Detektor eine Überlagerung des ausgesendeten und des rückgestreuten Lichts erfolgt. Durch die Veränderung der Frequenz unterscheidet sich das vom Laser aktuell emittierte Licht etwas vom rückgestreuten Licht hinsichtlich der Frequenz. Dieser Frequenzunterschied ist umso größer, je größer die Entfernung zum Objekt, das für die Rückstreuung verantwortlich ist, ist. Die Bestimmung der Entfernung kann dabei mittels Auswertung einer Schwebung zwischen dem emittierten und dem rückgestreuten Licht erfolgen.
-
Für diese Emissionseinheit ist es notwendig, eine Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung in verschiedenen Wellenleitern sehr exakt zu steuern, um die konstruktive Interferenz zu ermöglichen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Emissionseinheit zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung zur Verfügung zu stellen, bei der analog zur optischen phasengesteuerten Gruppenlichtquelle auf mechanisch bewegliche Spiegeleinheiten verzichtet werden kann, und die ohne eine aufwändige Kontrolle der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung innerhalb einzelner Wellenleiter auskommt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine LiDAR-Vorrichtung mit einer solchen Emissionseinheit bereitzustellen.
-
Diese Aufgaben werden mit der Emissionseinheit und der LiDAR-Vorrichtung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Eine Emissionseinheit zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung weist eine Strahlungsquelle auf. Die Strahlungsquelle ist eingerichtet, kohärente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die kohärente elektromagnetische Strahlung kann dabei im optischen, also sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm oder im infraroten Wellenlängenbereich über 700 nm ausgestaltet sein. Die Emissionseinheit weist ferner einen Wellenleiter zur Bereitstellung der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf. Die elektromagnetische Strahlung kann also von der Strahlungsquelle in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Die Emissionseinheit weist ferner eine Mehrzahl von Emissionswellenleitern auf, wobei sich die Emissionswellenleiter jeweils parallel in eine erste Richtung erstrecken und in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Die Emissionseinheit weist ferner eine Auskoppelvorrichtung auf, die eingerichtet ist, die in den Emissionswellenleitern geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppein. Das bedeutet insbesondere, dass mittels der Auskoppelvorrichtung die in den Emissionswellenleitern geführte elektromagnetische Strahlung aus den Emissionswellenleiter ausgekoppelt werden kann.
-
Die Emissionseinheit weist ferner eine Mehrzahl von optischen Schaltern auf, wobei die optischen Schalter zwischen den Wellenleitern und den Emissionswellenleitern angeordnet sind. Mittels der optischen Schalter kann im Wellenleiter geführte elektromagnetische Strahlung in die Emissionswellenleiter eingekoppelt werden. Die optischen Schalter können dabei insbesondere derart ausgestaltet sein, dass mittels der optischen Schalter ein Strahlengang zwischen dem Wellenleiter und dem Emissionswellenleiter geschlossen oder geöffnet werden kann. Im Betrieb der Emissionseinheit kann vorgesehen sein, dass die optischen Schalter derart gesteuert werden, dass jeweils nur einer der optischen Schalter geöffnet und alle anderen optischen Schalter geschlossen sind. Die durch den Wellenleiter bereitgestellte elektromagnetische Strahlung wird dann in genau einen Emissionswellenleiter gekoppelt. Die Emissionseinheit umfasst ferner eine Zylinderlinse, wobei die Zylinderlinse derart angeordnet ist, dass diese in der ersten Richtung keine Brechkraft und in der zweiten Richtung eine Brechkraft aufweist. In einer dritten Richtung senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung ist die Zylinderlinse in einem Abstand von den Emissionswellenleitern angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass mittels der Auskoppelvorrichtung die in den Emissionswellenleitern geführte elektromagnetische Strahlung in Richtung der Zylinderlinse ausgekoppelt wird.
-
Dadurch, dass die Zylinderlinse in der ersten Richtung keine Brechkraft aufweist, also insbesondere entlang der Emissionswellenleiter keine Brechkraft aufweist, beeinflusst die Zylinderlinse die ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung in der ersten Richtung nicht. Dadurch, dass die Zylinderlinse in der zweiten Richtung eine Brechkraft aufweist, beeinflusst die Zylinderlinse jedoch die aus den Emissionswellenleiter ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung in der zweiten Richtung. Die Zylinderlinse kann insbesondere in der Richtung oberhalb der Emissionswellenleiter derart angeordnet sein, dass sich für jeden der Emissionswellenleiter ein eigener Strahlengang mit einer eigenen Abstrahlrichtung einstellt. Durch die Auswahl des Emissionswellenleiters, in dem die elektromagnetische Strahlung geführt wird, kann so eine Ablenkung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung in der zweiten Richtung erfolgen. Dadurch wird eine Abrasterung eines Abstrahlbereichs der Emissionseinheit ermöglicht.
-
Die Emissionseinheit kann insbesondere eine Vielzahl von Emissionswellenleitern aufweisen. Die Anzahl der Emissionswellenleiter kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass ein Gesamtabstrahlwinkel, in dem elektromagnetische Strahlung abgestrahlt werden soll, definiert wird. Dieser Abstrahlwinkel kann beispielsweise 120° betragen. Ferner kann eine Genauigkeit definiert werden, also in welchen Abständen die abgegebene elektromagnetische Strahlung zueinander in Winkelbeziehung stehen soll. Die Genauigkeit kann beispielsweise 0,1° sein. Teilt man den Abstrahlwinkel durch die Genauigkeit, so erhält man die Anzahl der benötigten Emissionswellenleiter. Im vorliegenden Beispiel werden also in der Größenordnung 1.200 Emissionswellenleiter erforderlich sein.
-
Die Emissionseinheit kann zumindest teilweise in Form einer integrierten Optik ausgestaltet sein. Insbesondere die Strahlungsquelle, der Wellenleiter, die Emissionswellenleiter und die optischen Schalter können dabei auf einem Wafer mittels der für Halbleitermaterialien bekannten Methoden bereitgestellt werden. Die Auskoppelvorrichtung kann auf die Emissionswellenleiter aufgesetzt oder aufgewachsen werden. Die Zylinderlinse kann anschließend entsprechend platziert werden.
-
In einer Ausführungsform weist die Zylinderlinse eine Brennweite auf. Die Zylinderlinse ist derart angeordnet, dass der Abstand zwischen der Zylinderlinse und den Emissionswellenleitern maximal um 25 % von der Brennweite abweicht. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen dem 0,75-fachen der Brennweite und dem 1,25-fachen der Brennweite ist. Insbesondere kann der Abstand im Wesentlichen der Brennweite entsprechen, was bedeutet, dass der Abstand maximal um 5 % von der Brennweite abweicht. Besonders bevorzugt entspricht der Abstand der Brennweite. Durch diese Anordnung ergibt sich eine besonders einfache Ausgestaltung der Emissionseinheit, da sich vereinfachte Strahlengänge ergeben.
-
In einer Ausführungsform ist zumindest ein optischer Schalter als nanooptischelektromechanischer Schalter ausgestaltet. Nanooptischelektromechanische Schalter sind geeignet, durchlässig oder sperrend für elektromagnetische Strahlung geschaltet zu werden. Nanooptischelektromechanische Schalter lassen sich insbesondere als integrierte Bestandteile eines Wafers herstellen und sind somit zur Verwendung in einer integrierten Optik geeignet.
-
In einer Ausführungsform weist der nanooptischelektromechanische Schalter eine Membran auf. Die elektromagnetische Strahlung wird durch einen Spalt geführt, wobei der Spalt mittels einer an den nanooptischelektromechanischen Schalter angelegten Spannung in seiner Spaltbreite verändert werden kann. Beispielsweise kann die Membran bei angelegter Spannung für elektromagnetische Strahlung geöffnet oder geschlossen werden und so die Durchlässigkeit des optischen Schalters hinsichtlich der elektromagnetischen Strahlung gesteuert werden.
-
In einer Ausführungsform ist zumindest ein optischer Schalter als Mach-Zehnder-Interferometerschalter ausgestaltet. Mach-Zehnder-Interferometerschalter sind eine weitere Möglichkeit, optische Schalter als Bestandteile einer integrierten Optik auszugestalten.
-
In einer Ausführungsform weist der Mach-Zehnder-Interferometerschalter einen ersten Koppler und einen zweiten Koppler auf. Ferner weist der Mach-Zehnder-Interferometerschalter einen ersten Arm und einen zweiten Arm auf, wobei der erste Arm und der zweite Arm zwischen den Kopplern angeordnet sind. Im Bereich der Arme sind Elektroden angeordnet, wobei der Mach-Zehnder-Interferometerschalter mittels einer an die Elektroden angelegten Spannung optisch leitend und optisch sperrend geschaltet werden kann. Auch dies ermöglicht die Bereitstellung eines optischen Schalters, der mittels einer Spannung geschaltet werden kann.
-
In einer Ausführungsform weist die Auskoppelvorrichtung eine Gitterstruktur auf. Die Strahlungsquelle umfasst einen durchstellbaren Laser. Eine Ablenkung der von der Emissionseinheit emittierten Strahlung in der ersten Richtung kann mittels einer Wellenlänge des durchstellbaren Lasers eingestellt werden. Dadurch kann insgesamt eine Emissionseinheit bereitgestellt werden, in der das Licht in der ersten Richtung mittels Veränderung der Wellenlänge und in der zweiten Richtung durch Auswahl des betreffenden Emissionswellenleiters gesteuert werden kann. Somit kann eine Emissionseinheit bereitgestellt werden, mit der eine zweidimensionale Rasterung des Abstrahlbereichs möglich wird. Soll die Emissionseinheit in einer LiDAR-Vorrichtung verwendet werden, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der ersten Richtung ein Abstrahlbereich mit einem Winkel von ca. 25° und in der zweiten Richtung ein Winkel von ca. 120° abgerastert wird.
-
In einer Ausführungsform ist zwischen der Zylinderlinse und den Emissionswellenleitern eine weitere Zylinderlinse angeordnet. Die weitere Zylinderlinse weist in der ersten Richtung eine Brechkraft und in der zweiten Richtung keine Brechkraft auf. Dies ermöglicht eine Fokussierung der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in der ersten Richtung.
-
In einer Ausführungsform weisen die optischen Schalter jeweils einen Schaltsignaleingang auf. Die optischen Schalter können anhand einer am Schaltsignaleingang anliegenden Spannung sperrend oder durchlassend für elektromagnetische Strahlung geschaltet werden. Insbesondere kann die Schaltung derart erfolgen, dass immer nur in einem Emissionswellenleiter elektromagnetische Strahlung geführt wird und in den anderen Emissionswellenleitern keine elektromagnetische Strahlung geführt wird.
-
In einer Ausführungsform weist die Emissionseinheit ferner einen Lichtdetektor auf. Der Lichtdetektor ist eingerichtet, eine im Wellenleiter und/oder in den Emissionswellenleitern geführte elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Dies ermöglicht beispielsweise, wenn die Emissionseinheit mit einer veränderlichen Frequenz moduliert wird, aus der Frequenz des ausgesendeten Lichts ermittelt über den Lichtdetektor und einer Frequenz des einfallenden Lichts eine Laufzeitmessung durchzuführen. Insbesondere kann der Lichtdetektor ebenfalls der integrierten Optik und insbesondere des Wafers sein.
-
Die Erfindung umfasst ferner eine LiDAR-Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Emissionseinheit, einer Ansteuereinheit und einem Detektor. Die Ansteuereinheit ist eingerichtet, die optischen Schalter der Emissionseinheit zu schalten und dadurch einen von der Emissionseinheit emittierten Strahl in seiner Richtung zu beeinflussen. Zurückgeworfenes Licht wird vom Detektor detektiert und daraus eine Entfernungspunktwolke bestimmt. Eine solche LiDAR-Vorrichtung kommt ohne mechanisch bewegliche Spiegel aus und erfordert ferner auch keine genaue Einstellung einer Phasenlage in den Emissionswellenleitern. Insbesondere lässt sich dadurch also eine LiDAR-Vorrichtung bereitstellen, die unempfindlich gegenüber Stößen und die einfach herzustellen und zu betreiben ist.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine Emissionseinheit;
- 2 einen Querschnitt durch die Emissionseinheit der 1;
- 3 bis 6 eine erste Ausgestaltungsmöglichkeit für einen optischen Schalter;
- 7 eine zweite Ausgestaltungsmöglichkeit für einen optischen Schalter;
- 8 eine Draufsicht auf eine Emissionseinheit;
- 9 und 10 jeweils einen Querschnitt durch die Emissionseinheit der 8;
- 11 eine Draufsicht auf eine Emissionseinheit;
- 12 einen Querschnitt durch die Emissionseinheit der 11; und
- 13 eine LiDAR-Vorrichtung.
-
1 zeigt eine Emissionseinheit 100 zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung. Die Emissionseinheit 100 umfasst eine Strahlungsquelle 110, die eingerichtet ist, kohärente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die Emissionseinheit 100 umfasst ferner einen Wellenleiter 120 zur Bereitstellung der von der Strahlungsquelle 110 erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Die Emissionseinheit 100 umfasst ferner eine Mehrzahl von Emissionswellenleitern 130, wobei in 1 vier Emissionswellenleiter 130 gezeigt sind. Es kann selbstverständlich jedoch auch eine andere Anzahl von Emissionswellenleitern 130 vorgesehen sein. Insbesondere kann die Anzahl von Emissionswellenleitern deutlich größer sein als vier und sich im Bereich von bis zu 2.000 Emissionswellenleitern 130 bewegen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind im Ausführungsbeispiel der 1 und auch die folgenden Ausführungsbespiele jedoch auf eine geringere Anzahl von Emissionswellenleitern 130 beschrieben. Die Emissionswellenleiter 130 erstrecken sich jeweils parallel in eine erste Richtung 101. In einer zweiten Richtung 102, die senkrecht zur ersten Richtung 101 ist, sind die Emissionswellenleiter 130 nebeneinander angeordnet. Die Emissionseinheit 100 umfasst ferner eine Auskoppelvorrichtung 140, die eingerichtet ist, die in den Emissionswellenleitern 130 geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppeln.
-
Die Emissionseinheit 100 der 1 weist ferner eine Mehrzahl von optischen Schaltern 150 auf. Die optischen Schalter 150 sind jeweils zwischen dem Wellenleiter 120 und den Emissionswellenleitern 130 angeordnet. Mittels der optischen Schalter 150 kann im Wellenleiter 120 geführte elektromagnetische Strahlung in die Emissionswellenleiter 130 eingekoppelt werden. Die Emissionseinheit umfasst ferner eine Zylinderlinse 160, wobei die Zylinderlinse 160 und die Auskoppelvorrichtung 140 im Ausführungsbeispiel der 1 in der Draufsicht deckungsgleich sind. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall, die Zylinderlinse 160 und die Auskoppelvorrichtung 140 können auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Die Zylinderlinse 160 ist derart angeordnet, dass die Zylinderlinse 160 in der ersten Richtung 101 keine Brechkraft aufweist und in der zweiten Richtung 102 eine Brechkraft aufweist.
-
In 1 ist ebenfalls dargestellt, die Emissionseinheit 100 und insbesondere die Strahlungsquelle 110, der Wellenleiter 120, die Emissionswellenleiter 130 sowie die optischen Schalter 150 als integrierte Optik auf einem Substrat 105 angeordnet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Wellenleiter 120 und die Emissionswellenleiter 130 ebenfalls aus dem Material des Substrates 105 bestehen, oder auf das Substrat 105 aufgewachsen sind. Auch die Strahlungsquelle 110 kann auf das Substrat 105 aufgewachsen sein. Die Strahlungsquelle 110 kann dabei insbesondere einen Laser und beispielsweise einen Infrarotlaser oder einen Laser im sichtbaren Wellenlängenbereich umfassen.
-
Ebenfalls in 1 dargestellt ist, dass die Strahlungsquelle 110 optional einen durchstimmbaren Laser 111 umfasst. Ist die Strahlungsquelle 110 als durchstimmbarer Laser 111 ausgestaltet und umfasst die Auskoppelvorrichtung 140 eine optionale Gitterstruktur 141, so kann mittels der Wellenlänge des durchstimmbaren Lasers 111 eine Strahlablenkung in der ersten Richtung 101 eingestellt werden.
-
In 1 ist ebenfalls dargestellt, dass sich der Wellenleiter 120 in die zweite Richtung 102 erstreckt und insbesondere senkrecht auf den Emissionswellenleitern 130 steht. Dies stellt nur eine mögliche, beispielhafte Ausgestaltung der Emissionseinheit 100 dar, und gegebenenfalls kann der Wellenleiter 120 auch eine andere Richtung aufweisen.
-
2 zeigt einen Querschnitt durch die Emissionseinheit 100 der die 1 an der in 1 mit AA' bezeichneten Schnittlinie. Die Zylinderlinse 160 weist in einer dritten Richtung 103 einen Abstand 161 von den Emissionswellenleitern 130 auf. Die dritte Richtung 103 steht dabei senkrecht zur ersten Richtung 101 und zur zweiten Richtung 102. Ebenfalls in 2 dargestellt ist, dass die Zylinderlinse 160 eine Brennweite 162 aufweist. Von den Emissionswellenleitern 130 in der dritten Richtung 103 ausgehende Strahlen werden von der Zylinderlinse 160 in einem Brennpunkt fokussiert, wobei der Brennpunkt einen Abstand, der der Brennweite 162 entspricht, aufweist. Um den von der Emissionseinheit 100 in einen Abstrahlbereich 106 ausgehende elektromagnetische Strahlung in der zweiten Richtung 102 zu steuern, kann nun einer der optischen Schalter 150 durchlässig und die anderen optischen Schalter 150 sperrend für elektromagnetische Strahlung geschaltet werden. Die von der Strahlungsquelle 110 durch den Wellenleiter 120 bereitgestellte elektromagnetische Strahlung wird dann über den einen durchlässigen optischen Schalter in den entsprechenden Emissionswellenleiter 130 geleitet und die anderen Emissionswellenleiter 130 sind nicht mit einer elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt. Durch die Auswahl des Emissionswellenleiters 130 kann nun bestimmt werden, in welche Richtung bezogen auf die zweite Richtung 102 der Abstrahlbereich 106 abgetastet werden soll.
-
Sind mehr als vier Emissionswellenleiter 130 vorgesehen, beispielsweise 1.000 Emissionswellenleiter 130, so kann mittels der in Zusammenhang mit 2 gezeigten Methodik eine feine Abtastung des Abstrahlbereichs 106 erfolgen, wobei insbesondere ein Öffnungswinken von 120° mit einer Genauigkeit von 0,1° abgerastert werden kann.
-
Mittels der in den 1 und 2 gezeigten Emissionseinheit 100 kann also eine Strahlablenkung in der ersten Richtung mittels der Wellenlänge des durchstimmbaren Lasers 111 und in der zweiten Richtung mittels der Auswahl des entsprechenden Emissionswellenleiters 130 mittels der optischen Schalter 150 erfolgen. Soll nur eine eindimensionale Abrasterung erfolgen, kann gegebenenfalls auf den durchstimmbaren Laser 111 verzichtet werden und die Ausrichtung ausschließlich in der zweiten Richtung 102 erfolgen.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist die Zylinderlinse 160 derart angeordnet, dass der Abstand 161 maximal um 25 % von der Brennweitere 162 abweicht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt 161 maximal um 5 % von der Brennweite 162 abweicht oder besonders bevorzugt der Abstand 161 der Brennweite 162 entspricht. Dadurch werden besonders einfache Strahlengänge erreicht.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein optischer Schalter 150 als nanooptischelektromechanischer Schalter 151 ausgestaltet. Insbesondere können sämtliche optischen Schalter als nanooptischelektromechanische Schalter 151 ausgestaltet sein.
-
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Emissionseinheit 100, wobei der Querschnitt entlang eines Emissionswellenleiters 130 und eines optischen Schalters 150, der als nanooptischelektromechanischer Schalter 151 ausgeführt ist, gezeigt ist. Zwischen dem Wellenleiter 120 und dem Emissionswellenleiter 130 ist der nanooptisch elektromechanische Schalter 151 angeordnet und umfasst eine Membran 152, mit der ein Spalt 153 bedeckt ist. Die Membran 152 ist dabei im Bereich einer Oberseite 121 des Wellenleiters 120 angeordnet. Eine Spaltbreite 154 des Spalts 153 entspricht im Wesentlichen einer Abmessung in der dritten Richtung 103 des Wellenleiters 120 bzw. des Emissionswellenleiters 130. Ferner weist der nanooptisch elektromechanische Schalter 151 einen Substratabschnitt 155 auf, der im Wesentlichen dem Substrat 105 entspricht.
-
Wird nun eine Spannung zwischen der Membran 151 und dem Substratabschnitt 155 angelegt, so kann eine Verformung der Membran 152 zu einer Veränderung der Spaltbreite 154 führen. Insbesondere wenn der Substratabschnitt 155 und die Membran 152 entgegengesetzt geladen werden, wird die Membran 152 vom Substrat 155 angezogen. Dies ist in 4 dargestellt, wobei nun die Spaltbreite 154 deutlich verkleinert wird. Für den nanooptisch elektromechanischen Schalter 151 der 3 und 4 kann also durch Anlegen einer entsprechenden Spannung der nanooptisch elektromechanische Schalter 151 geschlossen werden. Für die Emissionseinheit 100 bedeutet dies, dass an einem nanooptisch elektromechanischen Schalter 151 keine und an den anderen nanooptisch elektromechanischen Schaltern 151 eine entsprechende Spannung angelegt sein muss, damit die von der Strahlungsquelle 110 bereitgestellte elektromagnetische Strahlung in einen der Emissionswellenleiter 130 eingekoppelt und in die anderen Emissionswellenleiter 130 nicht eingekoppelt wird.
-
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Emissionswellenleiter 130 mit einem nanooptisch elektromechanischen Schalter 151, der im Wesentlichen dem nanooptisch elektromechanischen Schalter 151 der 3 und 4 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Membran 152 ist in diesem Fall an einer Unterseite 122 des Wellenleiters 120 bzw. im Bereich einer Unterseite 122 des Wellenleiters 120 angeordnet. In diesem Fall kann die Membran 152 und der Substratabschnitt 155 identisch geladen werden und somit die Membran 152 vom Substratabschnitt 155 abgestoßen werden. Dies ist in 6 gezeigt, wobei nun durch die gebogene Membran 152 die Spaltbreite 154 verkleinert wird. Im nanooptisch elektromechanischen Schalter 151 der 5 und 6 kann also der nanooptisch elektromechanische Schalter 151 geschlossen werden, wenn Membran 152 im Substratabschnitt 155 gleich geladen bzw. mit der gleichen Spannung beaufschlagt werden. In diesem Fall kann ebenfalls ein nanooptisch elektromechanischer Schalter 151 durchlässig und alle anderen nanooptisch elektromechanischen Schalter 151 undurchlässig für elektromagnetische Strahlung geschalten und somit ein Emissionswellenleiter 130 ausgewählt werden.
-
7 zeigt einen optischen Schalter 150, der als Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 ausgestaltet ist. Der Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 weist einen ersten Koppler 171 und einen zweiten Koppler 172 auf. Ferner weist der Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 einen ersten Arm 173 und einen zweiten Arm 174 auf. Der erste Arm 173 und der zweite Arm 174 sind zwischen den Kopplern 171, 172 angeordnet. Im Bereich der Arme 173, 174 sind Elektroden 175 angeordnet, wobei der Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 mittels einer an die Elektroden 175 angelegten Spannung optisch leitend und optisch sperrend geschaltet werden kann.
-
Das Schaltprinzip des Mach-Zehnder-Interferometerschalters 170 ist derart, dass über den Eingangswellenleiter 176 elektromagnetische Strahlung in den Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 eingekoppelt wird. Anhand der an die Elektroden 175 angelegten Spannung kann nun erreicht werden, dass die eingekoppelte elektromagnetische Spannung entweder in einen ersten Ausgangswellenleiter 177 oder in einen zweiten Ausgangswellenleiter 178 geführt wird. Dies erfolgt durch das Zusammenspiel der in den Armen 173, 174 geführten elektromagnetischen Strahlung und durch die Kopplung innerhalb des ersten Kopplers 171 und des zweiten Kopplers 172. Der erste Ausgangswellenleiter 177 und der zweite Ausgangswellenleiter 178 stehen dabei senkrecht aufeinander, wobei der zweite Ausgangswellenleiter 178 parallel zum Eingangswellenleiter 176 ist. Werden mehrere solche Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 kaskadierend angeordnet derart, dass der erste Ausgangswellenleiter 177 jeweils mit einem Emissionswellenleiter 130 und der zweite Ausgangswellenleiter 178 mit dem Eingangswellenleiter 176 des nächsten Mach-Zehnder-Interferometerschalters 170 verbunden werden, so ergibt sich eine Anordnung, in der über den Wellenleiter 120 elektromagnetische Strahlung senkrecht in die Emissionswellenleiter 130 abgegeben werden kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, dass die Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 derart geschaltet werden, dass die elektromagnetische Strahlung nur in einen der Emissionswellenleiter 130 gelenkt wird.
-
Sowohl die in den 3 bis 6 gezeigten nanooptisch elektromechanischen Schalter 151 als auch der in 7 gezeigte Mach-Zehnder-Interferometerschalter 170 können als optische Schalter 150 in der Emissionseinheit 100 der 1 und 2 zum Einsatz kommen. Ferner sind grundsätzlich auch andere optische Schalter 150 denkbar.
-
8 zeigt Emissionseinheit 100, die der Emissionseinheit der 1 und 2 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. In diesem Ausführungsbeispiel weist jeder Emissionswellenleiter 130 eine eigene Auskoppelvorrichtung 140 auf, die wieder als Gitterstruktur 141 ausgestaltet sein kann. Ferner ist eine zur Zylinderlinse 160 deckungsgleiche weitere Zylinderlinse 165 angeordnet.
-
9 zeigt einen Querschnitt durch die Emissionseinheit 100 der 8 an der mit AA' bezeichneten Schnittlinie. Die weitere Zylinderlinse 165 ist zwischen der Zylinderlinse 160 und den Emissionswellenleitern 130 angeordnet. Die weitere Zylinderlinse 165 weist in der ersten Richtung 101 eine Brechkraft und in der zweiten Richtung 102 keine Brechkraft auf. Dies dient der Fokussierung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung in der ersten Richtung 101.
-
10 zeigt einen Querschnitt durch die Emissionseinheit 100 der 8 und 9 an der in 8 mit BB' bezeichneten Schnittlinie. Hier wird deutlich, dass die weitere Zylinderlinse 165 eine Brechkraft in der ersten Richtung 101 aufweist.
-
11 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Emissionseinheit 100, in der weitere Optionen für die Emissionseinheit 100 gezeigt und beschrieben sind. Die optischen Schalter 150 weisen jeweils einen Schaltsignaleingang 159 auf. Der Schaltsignaleingang 159 kann dabei zum Anlegen der Spannung an die Membran 152 bzw. den Substratabschnitt 155 wie im Zusammenhang mit den 3 bis 6 beschrieben oder dem Anlegen der Spannung an die Elektroden 175 wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben, dienen. Mittels einer am Schaltsignaleingang 159 anliegenden Spannung können die optischen Schalter 150 jeweils sperrend oder durchlassend für elektromagnetische Strahlung geschalten werden. In der Emissionseinheit 100 der 11 sind ferner Lichtdetektoren 180 angeordnet, wobei jedem Emissionswellenleiter 130 ein Lichtdetektor 180 zugeordnet ist. Die Lichtdetektoren 180 sind eingerichtet, eine in den Emissionswellenleitern 130 geführte elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, wenn die Emissionseinheit 100 in einem LiDAR-System zum Einsatz kommt, bei dem ausgesendete mit empfangener elektromagnetischer Strahlung verglichen werden soll und beispielsweise eine Überlagerung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung ausgewertet wird.
-
12 zeigt einen Querschnitt durch die Emissionseinheit 100 der 11 an der in der 11 mit AA' bezeichneten Schnittlinie. Dabei ist zu sehen, dass die Lichtdetektoren 180 jeweils nahe an den zugehörigen Emissionswellenleitern 130 angeordnet sind. Ansonsten entspricht die Emissionseinheit 100 grundsätzlich den bereits gezeigten Emissionseinheiten der 1 und 2 bzw. 8 bis 10.
-
13 zeigt eine LiDAR-Vorrichtung 200 mit einer der bereits gezeigten Emissionseinheiten 100, einer Ansteuereinheit 210 und einem Detektor 220. Die Ansteuereinheit 210 ist eingerichtet, die optischen Schalter 150 der Emissionseinheit 100 zu schalten und dadurch einen von der Emissionseinheit 100 emittierten Strahl in eine Richtung zu beeinflussen. Zurückgeworfenes Licht wird vom Detektor 220 detektiert. Aus dem zurückgeworfenen Licht wird eine Entfernungspunktwolke bestimmt. Dabei kann einerseits eine Laufzeitmessung zum Einsatz kommen, wobei ausgewertet wird, wie lange es dauert, bis Licht, welches in eine gewisse Richtung ausgesendet wird, wieder zurückgeworfen wird. Ein weiteres Messprinzip ist eine Überlagerung des mittels des Detektors 220 detektierten Lichts, insbesondere eine Überlagerung mit dem in den Lichtdetektoren 180 der 11 und 12 detektierten Licht. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die ausgesendete elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Frequenz moduliert wird. Wird das in den Lichtdetektoren 180 und im Detektor 220 detektierte Licht überlagert, so ergibt sich aus einer Schwebungsfrequenz ein Abstand zum Objekt, da die Schwebungsfrequenz vom derzeit ausgesendeten und zurückgeworfenen Licht beeinflusst wird.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
