WO2022194524A1 - Lidar-system - Google Patents

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WO2022194524A1
WO2022194524A1 PCT/EP2022/054945 EP2022054945W WO2022194524A1 WO 2022194524 A1 WO2022194524 A1 WO 2022194524A1 EP 2022054945 W EP2022054945 W EP 2022054945W WO 2022194524 A1 WO2022194524 A1 WO 2022194524A1
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WO
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unit
laser light
deflection
lidar system
signal
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PCT/EP2022/054945
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French (fr)
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Matthias Wichmann
Daniel AQUINO MAIER
Eugen BAUMGART
Tobias Graf
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/4917—Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection

Definitions

  • the invention relates to a LiDAR system and an arrangement with a plurality of LiDAR systems.
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • a beam of light is moved using a mechanical mirror, e.g. an oscillating galvo mirror or a rotating polygon mirror.
  • a LiDAR system comprising: a signal unit for generating laser light and a deflection unit for deflecting the laser light of the signal unit in specific spatial directions, the deflection unit having a plurality of light guides tern with radiation openings for emitting the laser light, the light guides having different lengths and defining different optical path lengths between the signal unit and the radiation openings, the radiation openings being arranged in a lattice structure and being set up to cause interference of the laser light emitted through the radiation openings , and wherein a deflection by a deflection angle of the laser light is caused by an intrinsic phase difference of the interfering laser light.
  • the technical advantage can be achieved that an improved LiDAR system can be provided that enables a two-dimensional scanning of a spatial region, it being possible to dispense with mechanically movable elements for deflecting the laser light.
  • the LiDAR system includes a deflection unit with a plurality of light guides of different lengths, the individual light guides defining different optical path lengths of a laser light generated by a signal unit of the LiDAR system and transmitted via the light guides.
  • the light guides arranged next to one another have radiation openings arranged in a lattice structure, via which the laser light generated and transmitted via the light guides can be radiated.
  • the laser light transmitted through the different light guides has intrinsic path differences.
  • a deflection of the emitted laser light in a predetermined spatial direction is achieved by interference of the laser light emitted through the radiation openings of the lattice structure.
  • the signal unit is set up to generate laser light with different wavelengths, and a variation in the wavelength of the laser light causes the laser light to be deflected by variable deflection angles.
  • the technical advantage can be achieved that any desired deflections of the emitted laser light are made possible.
  • Changing the wavelength of the laser light generated by the signal unit causes a change in the deflection angle reached by which the emitted laser light is deflected.
  • Any deflection in any spatial direction can be achieved by varying the wavelength of the generated laser light.
  • the signal unit comprises a laser unit with a laser source for generating and emitting the laser light and a receiving unit for receiving reflected laser light, and the deflection unit is set up to direct laser light reflected from the spatial direction into the receiving unit of the signal unit.
  • the deflection unit used to deflect the generated laser light can also be used to receive the reflected laser light and to forward the reflected laser light to a receiving unit of the signal unit.
  • the deflection unit used to deflect the generated laser light can also be used to receive the reflected laser light and to forward the reflected laser light to a receiving unit of the signal unit.
  • the signal unit comprises a laser unit with a laser source for generating and emitting the laser light and a receiving unit for receiving reflected laser light
  • the LiDAR system also comprising a second deflection unit for receiving laser light reflected from the spatial direction
  • the second deflection unit comprises a plurality of light guides with radiation openings for receiving the reflected laser light and for guiding the reflected laser light into the signal unit, and wherein the deflection unit is connected to the laser unit and the second deflection unit is connected to the receiving unit of the signal unit.
  • the second deflection unit enables the laser light generated by the signal unit and the received reflected laser light to be separated as precisely as possible. Because the reflected laser light is transmitted directly from the second deflection unit to the receiving unit of the signal unit, additional beam splitters can be used to separate the nerated laser light and the reflected laser light are dispensed with, whereby a signal intensity of the reflected laser signals can be increased.
  • the deflection unit comprises a demultiplexer unit, the demultiplexer unit being connected to the signal unit and the plurality of optical fibers and being set up to introduce laser light from the signal unit into the optical fibers of the deflection unit with identical intensity.
  • the technical advantage can be achieved that a precise deflection of the emitted laser light is made possible based on the interference of the components of the laser light of the individual light guides that have the intrinsic path differences.
  • the identical intensity of the laser light transmitted through the individual light guides enables precise interference, in which the laser light from the individual light guides contributes to the interference in an identical manner. A precise deflection can be achieved in this way.
  • the demultiplexer unit is designed as an arrayed waveguide grating AWG, in particular as a star coupler of an arrayed waveguide grating AWG.
  • the signal unit is connected to the deflection unit via an optical fiber, with laser light being able to be transmitted from the laser unit of the signal unit to the deflection unit and/or reflected laser light from the deflection unit to the receiving unit of the signal unit via the optical fiber.
  • the LiDAR system further comprises a circulator element, and wherein the circulator element is connected to the light guide and is directed to transmit laser light from the signal unit via the light guide to the deflection unit and reflected laser light from the deflection unit via the light guide to the transmit signal unit.
  • the circulator element enables a clear separation between the generated laser light and the reflected laser light.
  • An additional beam splitter for separating the generated laser light and the reflected laser light can be dispensed with.
  • up to 100% of the reflected laser light received by the deflection unit can be transmitted to the receiving unit of the signal unit and is therefore available as a LiDAR signal for distance determination.
  • the LiDAR system is designed as a Frequency Modulated Continuous Wave FMCW LiDAR and includes a coupler unit, and interference between the laser light of the signal unit and reflected laser light can be achieved in the coupler unit.
  • an improved LiDAR system can be provided with the advantages of a Frequency Modulated Continuous Wave FMCW LiDAR.
  • interference of a local oscillator as a reference signal with the reflected laser light can be achieved.
  • the light guides of the deflection unit are manufactured as integrated optics on Silicon on Insulator SOI using a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) process.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the signal unit and/or the deflection unit and/or the second deflection unit are integrated into a photonic integrated circuit PIC.
  • the technical advantage can be achieved that a compact LiDAR system can be provided.
  • the LiDAR system comprises a plurality of signal units, the signal units being connected to the deflection unit and/or the second deflection unit and being set up to provide laser light with different wavelengths.
  • the efficiency of the LiDAR system can be increased. Due to the plurality of signal units, which each generate laser light of different wavelengths, an entire spatial area can be scanned by the laser system at the same time. As a result, the time required to scan the said spatial area can be reduced by the different wavelengths of the laser light of the different signal units simultaneously deflecting laser light in different spatial directions and the LiDAR system is thus able to simultaneously detect LiDAR signals from different To receive spatial directions and thus to investigate a coherent spatial area. Changing the wavelength of the laser light sequentially in time for deflecting the laser light in different spatial directions sequentially can thus be avoided.
  • a LiDAR arrangement with a plurality of LiDAR systems is provided, with at least two LiDAR systems being aligned in at least partially different spatial regions.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LiDAR system according to one
  • Fig. 2 shows a further schematic illustration of a LiDAR system according to a further embodiment with emitted laser light
  • Fig. 3 is a graphical representation to illustrate the relationship between's wavelength and deflection angle
  • Fig. 4 is a diagram to illustrate the relationship between shaft length and deflection angle
  • FIG. 5 shows a further schematic illustration of a LiDAR system according to a further embodiment
  • FIG. 6 shows a further schematic illustration of a LiDAR system according to a further embodiment
  • FIG. 7 shows a further schematic illustration of a LiDAR system according to a further embodiment
  • Fig. 8 shows a further schematic illustration of a LiDAR system according to a further embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a LiDAR arrangement according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a LiDAR system 100 according to an embodiment.
  • the LiDAR system 100 includes a signal unit 101 and a deflection unit 103.
  • the signal unit 101 includes a laser unit 107 for generating laser light and a receiving unit 109 for receiving reflected laser light.
  • the signal unit 101 is connected to the deflection unit 103 via an internal optical fiber L0.
  • the deflection unit 103 comprises a plurality of light guides L1, . . . , LN.
  • the light guides L1, ..., LN have radiation openings 104 which are arranged in a grid structure 105 on the light guides L1, ..., LN.
  • the light guides L1, . . . , LN are arranged next to one another and each have a U-shaped course. Due to the U-shaped course, the light guides L1, . Due to the different lengths, the different light guides L1, ..., LN define different optical path lengths of a laser light transmitted through the light guides L1, ..., LN.
  • the light guides L1, ..., LN each have a first end 106 and a second end 110 on de. The lengths or optical path lengths of the individual light guides L1, .
  • the deflection unit 103 also has a demultiplexer unit 113, which is arranged at the first ends 106 of the light guides L1, . . . , LN. . .
  • the demultiplexer unit 113 can be used, for example, as an arrayed waveguide grating AWG, esp. be specially trained as a star coupler of an arrayed waveguide grating AWG.
  • the demultiplexer unit 113 can be designed as a cascade of 50/50 beam splitters.
  • the signal unit 101 is designed as a Frequency Modulated Continuous Wave FMCW-LiDAR and includes a coupler unit 111.
  • the signal unit 101 also includes a first beam splitter S1, which is set up to partially in the coupler unit 111 of the receiving unit 109 to carry over.
  • the laser light of the laser unit 107 transmitted into the coupler unit 111 is used within the coupler unit 111 as a reference signal (local oscillator) for signal processing of reflected laser light.
  • the mode of operation of the signal processing of the reflected laser light corresponds to the mode of operation of an FMCW LiDAR known from the prior art, in which distance and/or or determination of the speed of objects can be carried out.
  • the deflection unit 103 is aligned to transmit laser light from the laser unit 107 of the signal unit 101 via the light guides L1, . . .
  • the deflection unit 103 is set up to feed laser light LRx reflected from an object into the light guides L1, ..., LN via the radiation openings 104 of the lattice structure 105 and to transmit it to the signal unit 101, in particular to the receiving unit 109, according to a receiving direction Rx .
  • the signal unit 101 comprises a second beam splitter S2, which is set up to transmit the reflected laser light LRx received by the deflection unit 103 and transmitted along the reception direction Rx via the optical fibers L1, ...
  • interference between the laser light introduced as a reference signal from the laser unit 107 and the reflected laser light LRx can be used to detect corresponding de beat frequencies, by means of which a distance determination Mood of the objects detected by reflection of the laser light is made possible.
  • the light guides L1, LN of the deflection unit 103 are arranged in a U-shape.
  • any arrangement of the light guides L1, . . . , LN can be provided.
  • the decisive factor for the arrangement of the light guides L1, ..., LN is that this leads to a different length of the individual light guides L1, ..., LN.
  • the signal unit 101 and/or the deflection unit 103 can be integrated into a photonic integrated circuit PIC.
  • the laser unit 107 in particular the laser source 108 of the signal unit 101, is set up to generate laser light of different wavelengths.
  • the laser unit 107 can have a laser source 108 which is set up to generate laser light of different wavelengths.
  • the laser unit 107 can comprise a plurality of laser sources 108 which are each set up to generate laser light of an unchangeable wavelength, the wavelengths of the different laser sources 108 are different.
  • the laser light generated by the laser source 108 of the laser unit 107 is transmitted to the deflection unit 103 via the internal light guide L0.
  • the demultiplexer unit 113 distributes the laser light transmitted via the internal light guide L0 to the plurality of light guides L1, . . . , LN of the deflection unit 103 with identical intensity.
  • the laser light is transmitted to the lattice structure 105 via the light conductors L1, . . . Due to the different optical path lengths of the individual light guides L1, ..., LN, the laser light of the individual light guides L1, ..., LN has corresponding path differences to the laser light of the other light guides L1, ..., LN.
  • the radiation openings 104 Coupled laser light has an intrinsic path difference, so that when the light beams decoupled through the individual radiation openings 104 of the lattice structure 105 of the plurality of light guides L1, LN interfere, the emitted laser light LTx is deflected by a deflection angle.
  • the deflection angle is directly related to the wavelength of the laser light generated by the laser unit 107 .
  • FIG. 2 shows a further schematic illustration of a LiDAR system 100 according to a further specific embodiment with emitted laser light LTx;
  • FIG. 2 shows the deflection unit 103 of the LiDAR system 100 from FIG. . , LN.
  • FIG. 2 also shows a schematic representation of an emitted laser light LTx.
  • the emitted laser light LTx is shown as a plane wave with a wave vector BT.
  • the wave vector BT is deflected by a deflection angle ⁇ to a spatial direction z aligned perpendicularly to the lattice structure 105 within a zx plane and by a deflection angle ⁇ within a zy plane.
  • the lattice constant Agr of the lattice structure 105 results from the distances between the individual emission openings 104 of the plurality of light guides L1, . . . , LN.
  • the emitted laser light LTx can be deflected by a deflection angle ⁇ within the zx plane shown and a deflection angle ⁇ within the xy plane shown.
  • any alignment of the emitted laser light LTx can be achieved by varying the wavelength ⁇ of the generated laser light.
  • the structure of the deflection device 103 remains unchanged.
  • the variation of the wavelength ⁇ of the generated laser light can be achieved, for example, via a triangular signal ramp.
  • Fig. 3 shows a graphical representation to illustrate the relationship between's wavelength ⁇ and deflection angle ⁇ , ß.
  • FIG. 3 shows a graphic illustration of the deflection angle ⁇ within the zx plane and the deflection angle ⁇ within the zy plane.
  • the quantity BT here is a projection of the wave vector BT into the zx plane and the quantity BT'' is a projection of the wave vector BT from FIG. 2 into the zy plane.
  • FIG. 4 shows a diagram to illustrate the relationship between wavelength ⁇ and deflection angle ⁇ , ⁇ .
  • the variation of the wavelength l allows a solid angle within the zx plane between 20° and -20°.
  • a two-dimensional space can thus be scanned within this solid angle by varying the wavelength l.
  • a two-dimensional image of a spatial area can be created according to the above scheme, the pixels of which also include depth information.
  • the laser unit 107 of the signal unit 101 is set up to vary the wavelength of the generated laser light continuously.
  • FIG. 5 shows a further schematic illustration of a LiDAR system 100 according to a further embodiment.
  • the LiDAR system 100 comprises a plurality of signal units 101 which are each connected to the deflection unit 103 .
  • the signal units 101 can be configured identically to the signal unit 101 in FIG.
  • the various signal units 101 are set up to generate laser light with different wavelengths.
  • the plurality of signal units 101 thus generates laser light with different wavelengths A1, . . .
  • the deflection unit 103 includes a demultiplexer unit 113.
  • the demultiplexer unit 113 includes a wavelength coupler 115 and a multiplex element 117.
  • the wavelength coupler 115 is set up, the laser light with different wavelengths A1, ..., AN To superimpose a plurality of signal units 101 and to transmit to the multiplex element 117.
  • the multiplex element 117 is also set up to transmit the laser light transmitted by the wavelength coupler 115, which consists of a superimposition of the different wavelengths A1, ..., AN, with identical intensity to the plurality of light guides L1, ..., LN of the deflection unit 103 to transfer.
  • Each light guide L1, . . . , LN thus forwards a laser light consisting of a superimposition of a plurality of wavelengths A1, .
  • the two-dimensional spatial area can be scanned simultaneously according to the mechanisms described above for FIGS. Changing the wavelength ⁇ of the generated laser light by the signaling unit 101 in chronological succession, as is done in the above-described embodiments, can thus be avoided.
  • deflection unit 103 is also set up to receive reflected laser light LRx and to transmit it to the plurality of signal units 101 according to the reception direction Rx.
  • a frame rate 1/Tf can be correspondingly multiplied with the same time Tp compared to the embodiment in FIG. 1 with only one signal unit 101.
  • the time Tp here describes a pixel integration time
  • the variable Tf defines a time required to take an image, which is defined by the number of pixels and the pixel integration time Tp.
  • FIG. 6 shows another schematic representation of a LiDAR system 100 according to another embodiment.
  • the sensor system 100 includes a second deflection unit 119.
  • the second deflection unit 119 is connected to the receiving unit 109 of the signal unit 101 via a further inner light guide L0R.
  • the deflection unit 103 is connected directly to the laser unit 107 via the internal light guide L0.
  • the deflection unit 103 serves exclusively to emit the laser light generated by the laser unit 107 and transmitted via the transmission direction Tx.
  • the second deflection unit 119 is used exclusively for receiving the reflected laser light LRx and for transmitting the reflected laser light LRx via the second internal optical fiber L0R along the receiving direction Rx to the receiving unit 109 of the signal unit 101.
  • the signal unit 101 can be designed analogously to the signal unit 101 from FIG. Analogously, the deflection unit 103 and the second deflection unit 119 can be configured identically to the deflection unit 103 in the embodiment in FIG.
  • FIG. 7 shows a further schematic illustration of a LiDAR system 100 according to a further embodiment.
  • the LiDAR system 100 includes a plurality of signal units 101.
  • the LiDAR system 100 includes a deflection unit 103 and a second deflection unit 119.
  • Each of the signal units 101 is connected to both the deflection unit 103 and the second deflection unit unit 119 connected.
  • the functioning of the individual signal units 101 and the design of the signal units 101 and the deflection unit 103 corresponds to the embodiment in Figure 5.
  • the deflection unit 103 is used exclusively to emit the laser light generated by the signal units 101 and is analogous to the Embodiment in Figure 6 connected directly to the laser units 107 of the individual signal units 101.
  • the second deflection unit 119 is connected directly to the receiving units 109 of the individual signal units 101 and is used exclusively for receiving the reflected laser light LRx.
  • FIG. 8 shows a further schematic illustration of a LiDAR system 100 according to a further embodiment.
  • the LiDAR system 100 in the embodiment shown includes a circulator element 123.
  • the laser light generated by the laser unit 107 can be transmitted via the circulator element 123 along the transmission direction Tx between the connections 1 and 2.
  • the reflected laser light received by the deflection unit 103 can be transmitted along the reception direction Rx via the connections 2 and 3 of the circulator element 123 to the reception unit 109 of the signal unit 101 .
  • the second beam splitter S2 of the embodiment in FIG. 1 can be replaced by the circulator element 123 .
  • both the signal unit 101 and the deflection unit 103 are integrated into a photonic integrated circuit 121 .
  • the circulator element 123 is not integrated into the photonic integrated circuit 121 .
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a LiDAR arrangement 200 according to an embodiment.
  • FIG. 9 shows a LiDAR arrangement 200 with a plurality of LiDAR systems 100.
  • the LiDAR systems 100 can be designed in accordance with the embodiments described above.
  • the LiDAR arrangement 200 comprises a base element 201 on which the LiDAR systems 100 are arranged.
  • the base element 201 is trapezoidal and the LiDAR systems 100 are each arranged on the outer surfaces of the trapezoidal base element 201 . Due to the trapezoidal design of the base element 201, the various LiDAR systems 100 are aligned in different spatial directions. According to the embodiments described above, each individual LiDAR system 100 is set up to view an angular range of 40°.
  • the LiDAR arrangement 200 Due to the different orientations of the plurality of LiDAR systems 100, a coherent spatial area can thus be viewed via the LiDAR arrangement 200 shown.
  • three LiDAR systems 100 are arranged in the LiDAR array 200 .
  • any number of LiDAR systems 100 may be included in the LiDAR assembly 200 .
  • the base element 201 can also have a design that differs from the trapezoidal shape shown.
  • the LiDAR arrangement 200 can also be connected to a corresponding data processing unit (not shown in FIG. 9), by means of which data processing of the data from the individual LiDAR systems 100 can be carried out.

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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, ß) des Laserlichts bewirkt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine LiDAR-Anordnung (200) mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen (100).

Description

Beschreibung
Titel
LiDAR-Svstem
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 erfas sen können. Ein solcher Sensor ist das LiDAR (Light Detection and Ranging), das im optischen Wellenlängenbereich, z.B. im Nah infraroten, die Umgebung mit einem Lichtstrahl abrastert. Dabei wird ein Lichtstrahl mittels eines mechani schen Spiegels bewegt, z.B. durch einen schwingenden Galvo-Spiegel oder ei nen rotierenden Polygon-Spiegel.
Da mechanische Komponenten wie die bewegten Scanspiegel eine höhere An fälligkeit für Verschleiß besitzen ist eine nichtmechanische Bewegung des Licht strahls zu bevorzugen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes LiDAR-System und ei ne LiDAR-Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das LiDAR-System und die LiDAR-Anordnung der un abhängigen 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 vor bestimmte Raumrichtungen, wobei die Auslenkeinheit eine Mehrzahl von Lichtlei- tern 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 eingerich tet sind, eine Interferenz des durch die Strahlungsöffnungen abgestrahlten Laser lichts zu bewirken, und wobei durch eine intrinsische Phasendifferenz des interfe rierenden 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 be wegbare Elemente verzichtet werden kann. Hierdurch kann ein präzises und wider standsfähiges 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 Signal einheit des LiDAR-Systems generierten und über die Lichtleiter übertragenen Laser lichts definieren. Die nebeneinander angeordneten Lichtleiter weisen in einer Git terstruktur angeordnete Strahlungsöffnungen auf, über die das generierte und über die Lichtleiter übertragene Laserlicht abstrahlbar ist. Aufgrund der unterschiedlichen opti schen Weglängen der verschiedenen Lichtleiter weist das durch die verschiedenen Lichtleiter übertragene Laserlicht intrinsische Gangunterschiede auf. Über eine Interfe renz des durch die Strahlungsöffnungen der Gitterstruktur abgestrahlten Laserlichts wird eine Auslenkung des abgestrahlten Laserlichts in eine vorbestimmte Raumrich tung erreicht.
Nach einer Ausführungsform ist die Signaleinheit eingerichtet, Laserlicht unter schiedlicher Wellenlänge zu generieren, und wobei über eine Variation der Wel lenlänge des Laserlichts eine Auslenkung des Laserlichts um variable Auslenk winkel 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 Wel lenlänge des generierten Laserlichts kann somit eine beliebige Auslenkung in beliebige Raumrichtungen erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Signaleinheit eine Lasereinheit mit ei ner Laserquelle zum Generieren und Aussenden des Laserlichts und eine Emp fangseinheit zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht, und wobei die Aus lenkeinheit 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 reflektier ten Laserlichts und zum Weiterleiten des reflektierten Laserlichts in eine Empfangsein heit der Signaleinheit verwendbar ist. Zum Betreiben des LiDAR-Systems wird somit zum Aussenden von Laserlicht und zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht aus schließlich eine Auslenkeinheit benötigt, wodurch ein möglichst kompaktes LiDAR- System bereitgestellt werden kann.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Signaleinheit eine Lasereinheit mit ei ner Laserquelle zum Generieren und Aussenden des Laserlichts und eine Emp fangseinheit zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht, wobei das LiDAR- System ferner eine zweite Auslenkeinheit zum Empfangen eines aus der Raum richtung reflektierten Laserlichts umfasst, wobei die zweite Auslenkeinheit eine Mehrzahl von Lichtleitern mit Strahlungsöffnungen zum Empfangen des reflek tierten Laserlichts und zum Leiten des reflektierten Laserlichts in die Signalein heit 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 Auslenk einheit eine möglichst präzise Separation des durch die Signaleinheit generierten La serlichts und des empfangenen reflektierten Laserlichts ermöglicht ist. Indem das re flektierte Laserlicht von der zweiten Auslenkeinheit direkt in die Empfangseinheit der Signaleinheit übertragen wird, kann auf zusätzliche Strahlteiler zur Separation des ge- nerierten 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 Lichtlei ter ermöglicht ist. Durch die identische Intensität des durch die einzelnen Lichtleiter übertragenen Laserlichts wird eine präzise Interferenz ermöglicht, bei der das Laser licht 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 Wave- guide Gräting AWG, insbesondere als ein Star-Coupler eines Arrayed Wavegui- de Grätings AWG ausgebildet.
Hierdurch kann der technische Vorteil einer präzisen und technisch einfach zu ferti genden Demultiplexer-Einheit erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform ist die Signaleinheit über einen Lichtleiter mit der Auslenkeinheit verbunden, wobei über den Lichtleiter Laserlicht von der La sereinheit 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 Aus lenkeinheit 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 Zirkulatorel ement, und wobei das Zirkulatorelement mit dem Lichtleiter verbunden und ein gerichtet ist, Laserlicht aus der Signaleinheit über den Lichtleiter in die Auslenk einheit 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 Zirkulatorele ment eine eindeutige Trennung zwischen dem generierten Laserlicht und dem reflek tierten Laserlicht ermöglicht ist. Auf einen zusätzlichen Strahlteiler zur Separation des generierten Laserlichts und des reflektierten Laserlichts kann verzichtet werden. Hier durch kann bis zu 100 % des durch die Auslenkeinheit empfangen reflektierten Laser lichts 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 Signal einheit 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 Kopplerein heit kann eine Interferenz eines lokalen Oszillators als Referenzsignal mit dem reflek tierten Laserlicht erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform sind die Lichtleiter der Auslenkeinheit als integrierte Optik auf Silicon on Insulator SOI mittels eines Complementary Metal Oxide Se- miconductor (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 Sig naleinheiten, wobei die Signaleinheiten mit der Auslenkeinheit und/oder der zwei ten Auslenkeinheit verbunden sind und eingerichtet sind, Laserlicht mit unter schiedlichen 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 gesam ter Raumbereich durch das Lasersystem abgetastet werden. Hierdurch kann die benö tigte Zeit zum Abtasten des genannten Raumbereichs reduziert werden, indem durch die unterschiedlichen Wellenlängen des Laserlichts der unterschiedlichen Signaleinhei ten simultan Laserlicht in verschiedene Raumrichtungen ausgelenkt wird und das Li DAR-System somit in der Lage ist, zeitgleich LiDAR-Signale aus verschiedenen Raum richtungen zu empfangen und damit einen zusammenhängenden Raumbereich zu un tersuchen. Ein zeitlich nacheinander ausgeführtes Ändern der Wellenlänge des Laser lichts zum zeitlich nacheinander ausgeführten Auslenken des Laserlichts in verschie denen Raumrichtungen kann somit vermieden werden.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine LiDAR-Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen nach einer der voranstehenden Ausführungsformen bereitge stellt, wobei wenigstens zwei LiDAR-Systeme in wenigstens teilweise unter schiedliche Raumbereiche ausgerichtet sind.
Hierdurch kann der technische Vorteil einer verbesserten LiDAR-Anordnung mit einer Mehrzahl von LiDAR-Systemen mit den oben genannten technischen Vorteilen bereit gestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines LiDAR-Systems gemäß einer
Ausführungsform;
Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems ge mäß einerweiteren Ausführungsform mit ausgesendetem Laser licht;
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Illustration der Abhängigkeit zwi schen Wellenlänge und Auslenkwinkel;
Fig. 4 ein Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Wellen länge und Auslenkwinkel;
Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems ge mäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems ge mäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems ge mäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 8 eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems ge mäß einerweiteren Ausführungsform; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer LiDAR-Anordnung gemäß ei ner Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß ei ner Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System 100 eine Signal einheit 101 und eine Auslenkeinheit 103. Die Signaleinheit 101 umfasst eine La sereinheit 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 Git terstruktur 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 op tische Weglängen eines durch die Lichtleiter L1, ... , LN übertragenen Laserlichts. Die Lichtleiter L1, ... , LN weisen jeweils ein erstes Ende 106 und ein zweites En de 110 auf. Die Längen bzw. optischen Weglängen der einzelnen Lichtleiter L1, ... , LN sind im Sinne der Anmeldung durch die Längen bzw. optischen Weglän gen 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 Lichtlei ter 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 Gräting AWG, ins- besondere als ein Starcoupler eines Arrayed-Waveguide Grätings AWG ausge bildet 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 Kopp lereinheit 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 über tragen. 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 Bestim mung von Schwebungsfrequenzen, die durch eine Interferenz des Referenzsig nals 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, Laser licht 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 Aus lenkeinheit 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 La serlicht LRx in die Kopplereinheit 111 einzuleiten. Innerhalb der Kopplereinheit 111 kann durch Interferenz zwischen dem als Referenzsignal eingeleiteten La serlichts der Lasereinheit 107 und dem reflektierten Laserlicht LRx entsprechen de Schwebungsfrequenzen detektiert werden, mittels denen eine Entfernungsbe- Stimmung der mittels Reflexion des Laserlichts detektierten Objekte ermöglicht ist.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Lichtleiter L1 , LN der Auslenkein heit 103 in einer U-Form angeordnet. Alternativ hierzu kann eine beliebige An ordnung der Lichtleiter L1 , ... , LN vorgesehen werden. Maßgeblich für die An ordnung der Lichtleiter L1, ... , LN ist, dass diese zu einer unterschiedlichen Län ge der einzelnen Lichtleiter L1, ... , LN führt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Lichtleiter L1 , ... , LN der Auslenkein heit 103 als eine integrierte Optik auf Silicon On Insulator SOI mittels eines Com- plementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)-Prozesses gefertigt sein. Insbe sondere 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 Laser quelle 108 der Signaleinheit 101 eingerichtet, Laserlicht unterschiedlicher Wel lenläge l zu generieren. Die Lasereinheit 107 kann hierzu eine Laserquelle 108 aufweisen, die eingerichtet ist, Laserlicht verschiedener Wellenlänge zu erzeu gen. Alternativ kann die Lasereinheit 107 eine Mehrzahl von Laserquellen 108 umfassen, die jeweils eingerichtet sind, Laserlicht einer unveränderbaren Wellen länge zu erzeugen, wobei die Wellenlängen der verschiedenen Laserquellen 108 unterschiedlich sind.
Zum Aussenden des Laserlichts wird das von der Laserquelle 108 der Laserein heit 107 generierte Laserlicht über den internen Lichtleiter L0 an die Auslenkein heit 103 übertragen. Durch die Demultiplexer-Einheit 113 wird das über den in ternen 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 einzel nen Lichtleiter L1 , ... , LN weist das Laserlicht der einzelnen Lichtleiter L1 , ... , LN entsprechende Gangunterschiede zu dem Laserlicht der jeweils anderen Lichtlei ter L1, ... , LN auf. Hierdurch weist das durch die Strahlungsöffnungen 104 aus- gekoppelte 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 Wel lenlänge des durch die Lasereinheit 107 generierten Laserlichts auf. Durch Varia tion 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, L0pt=Lgeom*n(A), wobei L0pt die optische Weglänge des Laserlichts innerhalb des Lichtleiters, Lge0m die geometrische Länge des Lichtleiters und h(l) den Brechungsindex des Licht leiters für ein Laserlicht mit Wellenlänge l beschreiben. Nebeneinander ange ordnete Lichtleiter L1 , ... , LN weisen eine Längendifferenz ÄL auf. Dies führt zu einer optischen Weglängendifferenz 5= ÄL* h(l).
Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit ausgesendetem Laserlicht LTx;
Figur 2 zeigt die Auslenkeinheit 103 des LiDAR-Systems 100 aus Figur 1. Die Auslenkeinheit 103 umfasst die Mehrzahl von Lichtleitern L1 , ... , LN, die Demul tiplexer-Einheit 113 und die Gitterstruktur 105 der Strahlungsöffnungen 104 der Lichtleiter L1, ... , LN.
In Figur 2 ist ferner eine schematische Darstellung eines ausgesendeten Laser lichts LTx dargestellt. Das ausgesendete Laserlicht LTx ist als eine ebene Welle dargestellt mit einem Wellenvektor BT. Der Wellenvektor BT ist um einen Aus lenkwinkel a zu einer senkrecht zur Gitterstruktur 105 ausgerichteten Raumrich tung z innerhalb einer zx-Ebene und um einen Auslenkwinkel ß innerhalb einer zy-Ebene ausgelenkt.
Die Auslenkung des gezeigten Laserstrahlts LTx um den Auslenkwinkel a inner halb der xz-Ebene des gezeigten Koordinatensystems wird durch eine Interfe- renz der durch die einzelnen Lichtleiter L1, LN ausgesendeten Teilstrahlen bewirkt und folgt der folgenden Relation: sin(a)=q*A/Ax+ (AL* h(l))/ Lc= q*A/Ax+ d / Lc, wobei Ax der Abstand der Strahlungsöffnungen 104 der jeweiligen Lichtleiter L1,
, LN in x-Richtung, AL die Längendifferent der jeweiligen Lichtleiter und d 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 a gemäß der Relation da/dA= q/Ax+ (dn(A))/dA*AL/Ax.
Die Auslenkung des Laserlichts LTx um den Auslenkwinkel ß innerhalb der zy- Ebene wird durch eine Gitterkonstante Agr der Gitterstruktur 105 des Abstrahl öffnungen 104 und durch die Wellenlänge A des Laserlichts gemäß der folgenden Relation bestimmt: sin(ß)= (Agr*n(A)-A))/ Agr. Die Gitterkonstante Agr der Git terstruktur 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 La serlichts kann somit den gezeigten Relationen folgend eine Auslenkung des aus gesendeten Laserlichts LTx um einen Auslenkwinkel a innerhalb der gezeigten zx-Ebene und einen Auslenkwinkel ß innerhalb der gezeigten xy-Ebene erreicht werden. Hierdurch kann eine beliebige Ausrichtung des ausgesendeten Laser lichts LTx durch Variation der Wellenlänge A des generierten Laserlichts erreicht werden. Die Struktur der Auslenkeinrichtung 103 bleibt unterdessen unverändert. Die Variation der Wellenlänge A des generierten Laserlichts kann beispielsweise über dreiecksförmige Signalrampe erreicht werden.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung zur Illustration der Abhängigkeit zwi schen Wellenlänge A und Auslenkwinkel a, ß.
Figur 3 zeigt eine graphische Illustration des Auslenkwinkels a innerhalb der zx- Ebene und des Auslenkwinkels ß innerhalb der zy-Ebene. Die Größe BT ist hier bei eine Projektion des Wellenvektors BT in die zx-Ebene und die Größe BT“ ist eine Projektion des Wellenvektors BT aus Figur 2 in die zy-Ebene. Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Wellenlänge l und Auslenkwinkel a, ß.
Abbildung 4 stellt eine Auslenkung des ausgesendeten Laserlichts LTx, den Aus lenkwinkel a innerhalb der zx-Ebene und den Auslenkwinkel ß 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 kon tinuierlichen 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 Raumbe reichs bewirkt, analog zu einem mittels eines 2D-Scanspiegels abgetasteten La serstrahls.
In der gezeigten Ausführungsform ermöglicht die Variation der Wellenlänge l ei nen Raumwinkel innerhalb der zx-Ebene zwischen 20° und -20°. Innerhalb die ses Raumwinkels kann somit ein zweidimensionaler Raumbereich durch Variati on der Wellenlänge l abgerastert werden. Das in Figur 4 dargestellte Säge zahnmuster, insbesondere der verschiedenen a-Werte, entsteht dadurch, dass bei kontinuierlicher Erhöhung der Wellenlänge l bei Erreichen des Auslenkwin kels a = 20° eine nächste Beugungsordnung des Beugungsbildes der Gitterstruk tur 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 l des generierten Laserlichts zum Ab rastern des zweidimensionalen Raumbereichs ist die Lasereinheit 107 der Sig naleinheit 101 eingerichtet, die Wellenlänge des generierten Laserlichts kontinu ierlich zu variieren.
Die oben angeführten Zahlenwerte sind lediglich beispielhaft und dienen nicht zur Einschränkung der vorliegenden Erfindung. Das LiDAR-System 100 kann abwei chend zu den Zahlenwerten in Figur 4 in einem geänderten Wellenlängenbereich betrieben werden. Fig. 5 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System 100 eine Mehr zahl von Signaleinheiten 101, die jeweils mit der Auslenkeinheit 103 verbunden sind. Die Signaleinheiten 101 können hierbei identisch zur Signaleinheit 101 in Figur 1 ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform sind die verschiede nen Signaleinheiten 101 eingerichtet, jeweils Laserlicht mit unterschiedlicher Wellenlänge zu erzeugen. Durch die Mehrzahl von Signaleinheiten 101 wird so mit in der gezeigten Ausführungsform Laserlicht mit verschiedenen Wellenlängen A1 , ... , AN 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 Demul tiplexer-Einheit 113 einen Wellenlängenkoppler 115 und ein Multiplexelement 117. Der Wellenlängenkoppler 115 ist eingerichtet, das Laserlicht mit unter schiedlicher Wellenlänge A1, ... , AN der Mehrzahl von Signaleinheiten 101 zu überlagern und an das Multiplexelement 117 zu übertragen. Das Multiplexele ment 117 ist ferner eingerichtet, das von dem Wellenlängenkoppler 115 übertra gene Laserlicht, das aus einer Überlagerung der verschiedenen Wellenlängen A1, ... , AN 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 Wel lenlängen A1, ... , AN an die Gitterstruktur 105 weiter, über die ein entsprechen des Laserlicht LTx ausgesendet wird. Durch die Überlagerung der Mehrzahl von Wellenlängen A1, ... , AN kann gemäß den oben zu Figuren 2 bis 4 beschriebe nen Mechanismen der zweidimensionale Raumbereich zeitgleich abgetastet werden, indem zeitgleich Laserlicht in verschiedene Raumrichtungen und um verschiedene Auslenkwinkel ausgelenkt wird. Ein zeitlich nacheinander erfolgen des Ändern der Wellenlänge A des generierten Laserlichts durch die Signalein heit 101, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen erfolgt, kann somit vermieden werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist Auslenkeinheit 103 ferner eingerichtet, re flektiertes 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 Schwebungs frequenzen innerhalb der Kopplereinheiten, erfolgt gemäß dem zu Figur 1 be schriebenen Mechanismus.
Durch die Mehrzahl parallel arbeitender Signaleinheiten 101 kann eine Bildrate 1/Tf bei gleichbleibender Zeit Tp gegenüber der Ausführungsform in Figur 1 mit lediglich einer Signaleinheit 101 entsprechend vervielfacht werden. Die Zeit Tp beschreibt hierbei eine Pixelintegrationszeit, während die Größe Tf eine zur Auf nahme eines Bildes benötigte Zeit definiert, die durch die Anzahl der Pixel und die Pixelintegrationszeit Tp definiert ist.
Fig. 6 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einerweiteren Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Sensorsystem 100 eine zweite Auslenkeinheit 119. Die zweite Auslenkeinheit 119 ist über einen weiteren inne ren Lichtleiter L0R mit der Empfangseinheit 109 der Signaleinheit 101 verbun den. In der gezeigten Ausführungsform ist die Auslenkeinheit 103 über den inter nen 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 über tragenen Laserlichts. Die zweite Auslenkeinheit 119 dient hingegen ausschließ lich 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 Signal einheit 101 aus Figur 1 ausgebildet sein. Analog können die Auslenkeinheit 103 und die zweite Auslenkeinheit 119 identisch zur Auslenkeinheit 103 in der Aus führungsform in Figur 1 ausgebildet sein.
Abweichend zu der Ausführungsform in Figur 1 weist die Signaleinheit 101 in der gezeigten Ausführungsform keinen zweiten Strahlteiler S2 auf. Fig. 7 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst das LiDAR-System 100 eine Mehr zahl von Signaleinheiten 101. Darüber hinaus umfasst das LiDAR-System 100 eine Auslenkeinheit 103 und eine zweite Auslenkeinheit 119. Jede der Signalein heiten 101 ist sowohl mit der Auslenkeinheit 103 als auch der zweiten Auslenk einheit 119 verbunden. Die Funktionsweise der einzelnen Signaleinheiten 101 wie auch die Ausgestaltung der Signaleinheiten 101 und der Auslenkeinheit 103 entspricht der Ausführungsform in Figur 5. Analog zu der Ausführungsform in Fi gur 6 dient die Auslenkeinheit 103 ausschließlich zum Aussenden des durch die Signaleinheiten 101 generierten Laserlichts und ist analog zur Ausführungsform in Figur 6 direkt mit den Lasereinheiten 107 der einzelnen Signaleinheiten 101 verbunden. Analog zur Ausführungsform in Figur 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.
Fig. 8 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines LiDAR-Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die gezeigte Ausführungsform basiert auf der Ausführungsform in Figur 1 und umfasst alle dort beschriebenen Merkmale. Abweichend zur Ausführungsform in Figur 1 umfasst das LiDAR-System 100 in der gezeigten Ausführungsform ein Zirkulatorelement 123. Über das Zirkulatorelement 123 kann das durch die La sereinheit 107 generierte Laserlicht entlang der Senderichtung Tx zwischen den Anschlüssen 1 und 2 übertragen werden. Gleichzeitig kann das durch die Aus lenkeinheit 103 empfangene reflektierte Laserlicht entlang der Empfangsrichtung Rx über die Anschlüsse 2 und 3 des Zirkulatorelements 123 an die Empfangs einheit 109 der Signaleinheit 101 übertragen werden. Durch das Zirkulatorele ment 123 kann der zweite Strahlteiler S2 der Ausführungsform in Figur 1 ersetzt werden. Hierdurch kann die Intensität des an die Empfangseinheit 109 übertra genen reflektierten Laserlichts erhöht werden, indem die Strahlteilung des reflek tierten Laserlichts durch den zweiten Strahlteiler S2, bei der bis zu 50 % des re flektierten 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.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer LiDAR-Anordnung 200 gemäß einer Ausführungsform.
Figur 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 tra pezförmige 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 ein gerichtet, einen Winkelbereich von 40° einzusehen. Durch die verschiedenen Ausrichtungen der Mehrzahl von LiDAR-Systemen 100 kann somit über die ge zeigte LiDAR-Anordnung 200 ein zusammenhängender Raumbereich eingese hen werden. In der gezeigten Ausführungsform sind drei LiDAR-Systeme 100 in der LiDAR-Anordnung 200 angeordnet. Alternativ hierzu kann eine beliebige An zahl von LiDAR-Systemen 100 von der LiDAR-Anordnung 200 umfasst sein. Al ternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann darüber hinaus das Basisele ment 201 eine von der gezeigten Trapezform abweichende Ausgestaltung auf weisen. Die LiDAR-Anordnung 200 kann ferner mit einer entsprechenden Daten verarbeitungseinheit (in Figur 9 nicht dargestellt) verbunden sein, mittels der ei nen Datenverarbeitung der Daten der einzelnen LiDAR-Systeme 100 durchge führt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. LiDAR-System (100) umfassend, eine Signaleinheit (101) zum Generieren von Laserlicht und eine Auslenkeinheit (103) zum Auslenken des Laser lichts der Signaleinheit (101) in vorbestimmte Raumrichtungen, wobei die Auslenkeinheit (103) eine Mehrzahl von Lichtleitern (L1,... ,LN) mit Strah lungsöffnungen (104) zum Abstrahlen des Laserlichts (LTx) umfasst, wobei die Lichtleiter (L1,... ,LN) unterschiedliche Längen aufweisen und unter schiedliche optische Weglängen definieren, wobei die Strahlungsöffnungen (104) in einer Gitterstruktur (105) angeordnet und eingerichtet sind, eine In terferenz des durch die Strahlungsöffnungen (104) abgestrahlten Laser lichts (LTx) zu bewirken, und wobei durch eine intrinsische Phasendifferenz des interferierenden Laserlichts (LTx) eine Auslenkung um einen Auslenk winkel (a, ß) des Laserlichts bewirkt ist.
2. LiDAR-System (100) nach Anspruch 1, wobei die Signaleinheit (101) einge richtet ist, Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge (A1, ... , AN) zu generie ren, und wobei über eine Variation der Wellenlänge des Laserlichts eine Auslenkung des Laserlichts um variable Auslenkwinkel (a, ß) bewirkt ist.
3. 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 Empfan gen von reflektiertem Laserlicht (LRx) umfasst, und wobei die Auslenkein heit (103) eingerichtet ist, aus der Raumrichtung reflektiertes Laserlicht (LRx) in die Empfangseinheit (109) der Signaleinheit (101) zu leiten.
4. 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 Empfan gen 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 Strahlungsöffnun- gen 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.
5. 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 Mehr zahl von Lichtleitern (L1 ,... ,LN) verbunden und eingerichtet ist, Laserlicht der Signaleinheit (101) in die Lichtleiter (L1,... ,LN) der Auslenkeinheit (103) mit identischer Intensität einzuleiten.
6. LiDAR-System (100) nach Anspruch 5, wobei die Demultiplexer-Einheit (113) als ein Arrayed Waveguide Gräting AWG, insbesondere als ein Star- Coupler eines Arrayed Waveguide Grätings AWG ausgebildet ist.
7. LiDAR-System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Signaleinheit (101) über einen Lichtleiter (LO) mit der Auslenkeinheit (103) verbunden ist, und wobei über den Lichtleiter (LO) Laserlicht von der Lasereinheit (107) der Signaleinheit (101) in die Auslenkeinheit (103) und/oder reflektiertes Laserlicht von der Auslenkeinheit (103) in die Emp fangseinheit (109) der Signaleinheit (101) übertragbar ist.
8. LiDAR-System (100) nach Anspruch 7, wobei das LiDAR-System (100) fer ner ein Zirkulatorelement (123) umfasst, und wobei das Zirkulatorelement (123) mit dem Lichtleiter (LO) verbunden und eingerichtet ist, Laserlicht aus der Signaleinheit (101) über den Lichtleiter (LO) in die Auslenkeinheit (103) zu übertragen und reflektiertes Laserlicht aus der Auslenkeinheit (103) über den Lichtleiter (LO) in die Signaleinheit (101) zu übertragen.
9. 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.
10. 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 Semi- conductor (CMOS)-Prozesses gefertigt sind.
11. 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.
12. 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, La serlicht (LTx) mit unterschiedlichen Wellenlängen (lI,. . ,lN) bereitzustel len.
13. 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 Raum bereiche ausgerichtet sind.
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