DE102020215663A1

DE102020215663A1 - Vorrichtung zur ortsaufgelösten Distanz- und Geschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE102020215663A1
Application number: DE102020215663.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Westphal
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Distanz- und Geschwindigkeitsmessung umfasst mindestens einen durchstimmbaren Laser, eine Einheit zur Zuordnung oder Aufteilung der optischen Laserleistung, mindestens einen optischen Strahlteiler, mindestens ein planares Substrat, das mindestens zwei Spektral-AWGs mit zugeordneten Kanalaufspreizungen enthält, mindestens einen FMCW-Detektor, und ein optisches System zur Abbildung der Messstrahlungsaustrittsorte.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung, die primär für die dreidimensionale Orientierung im Straßenverkehr und Luftverkehr geeignet ist, insbesondere für autonome Fahrzeuge und Fluggräte.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Aus dem Stand der Technik ist die ortsaufgelöste Distanzmessung mittels LIDAR (Light Detection And Ranging) bekannt. Der Messstrahl ist ein Laserstrahl, der ein zweidimensionales FOV (Field of View) abrastert. Das der Erfindung zugrundeliegende Distanz- und Geschwindigkeitsmessverfahren wird als FMCW-LIDAR (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave) bezeichnet. Ausführlich beschrieben ist das FMCW-Messverfahrens beispielsweise in dem Aufsatz von Amann, Markus-Christian et al. mit dem Titel „Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement“, Opt. Eng. 40(1) 10-19 (January 2001).
Das autonome Fahren erfordert LIDAR-Systeme mit typischerweise folgenden Leistungswerten:

• Reichweite: 200 m
• Field-of-View (FOV): 40° x 20° (horizontal x vertical)
• Winkelauflösung: 0,1°
• Bildwiederholrate: 25 Hz
• Distanzgenauigkeit: 0,1 m

Diese Werte sind exemplarisch zu verstehen. Je nach Einsatzgebiet des LIDAR-Systems (z.B. Blick nach vorne, nach hinten oder zur Seite) können einzelne oder alle Anforderungen ggf. stark von den o.g. Werte abweichen.
Ein LIDAR-System hat die Aufgabe, 3D-Punktewolken mit Distanzdaten und idealerweise simultan auch noch Geschwindigkeitsdaten zu liefern. Ausgehend von den genannten Leistungswerten lässt sich direkt ableiten, dass ein einzelnes 3D-Bild aus 400 x 200 = 80.000 Punkten bzw. Pixeln besteht und die Pixelrate 2.10⁶ Pixel/s betragen muss. Diese Werte stellen technologisch eine große Herausforderung dar, weil zu jedem Pixel Distanz und Geschwindigkeit zu messen sind, was (ohne Triangulation) nur mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung der Messobjekte möglich ist. Dadurch sind Distanz- und Geschwindigkeitsmessungen grundsätzlich wesentlich aufwendiger als reine Helligkeitsmessungen. Das zu lösende Problem besteht darin, ein LIDAR-System, welches die o.g. Anforderungen erfüllt, mit möglichst geringem technischem Aufwand in möglichst kompakter Bauweise zu realisieren.
Neben den Herausforderungen bei den Lichtquellen und Detektoren ist vor allem das schnelle Abrastern (Scannen) des Messstrahls über das FOV schwierig umzusetzen. Rein mechanische Scan-Verfahren (Galvo-Scanner, MEMS-Scanner) können diese Anforderungen aufgrund der Massenträgheit der Spiegel mit vertretbarem Aufwand nicht erfüllen. Typischerweise dauert ein Umschaltvorgang (Sprung zum nächsten Winkel bzw. Pixel) mit den erwähnten Technologien > 1 ms, während für die o.g. Anforderungen Umschaltzeiten im niedrigen µs-Bereίch erforderlich sind.
Aus der US 2018/024246 A1 ist eine zweistufige Scan-Vorrichtung bekannt, welche in der ersten Richtung ein Arrayed Waveguide Grating (AWG) verwendet, während für die zweite Richtung ein zweites AWG oder ein Gitter bzw. eine Vielzahl von Gittern zum Einsatz kommt.
Nachteilig an der beschriebenen Vorrichtung ist die Separierung in zwei aufeinanderfolgende Scan-Vorrichtungen, die jeweils einer eigenen Richtung zugeordnet sind. Dadurch wird es schwierig oder sogar unmöglich, eine zum FOV korrespondierende Abstrahlfläche, die alle Pixel repräsentiert, herzustellen.
Aus dem Aufsatz von P. Cheben, J. H. Schmid, A. Deläge, A. Densmore, S. Janz, B. Lamontagne, J. Lapointe, E. Post, P. Waldron, and D.-X. Xu, „A high-resolution silicon-on-insulator arrayed waveguide grating microspectrometer with sub-micrometer aperture waveguides,“ Opt. Express 15, 2299-2306 (2007), ist bekannt, dass AWGs mit einer spektralen Auflösung von 0,08 nm (bei 1550 nm Laserwellenlänge) herstellbar sind. Im Frequenzbereich entspricht dies einer Auflösung von 10 GHz.
Weiterhin ist bekannt, dass es verschiedene technische Möglichkeiten gibt, Lichtwege auf photonischen Halbleiterstrukturen umzuschalten. Diese sogenannten „Photonic Switchers“ bzw. „Optischen Umschalter“ können insbesondere als Mach-Zehnder-Interferometer, Mikro-Ring-Resonatoren oder MEMS-basierte Wellenleiter-Koppler ausgeführt sein. Die Funktionsweise ist in dem Aufsatz von Tu, X., Song, C., Huang, T., Chen, Z., & Fu, H. (2019), „State of the Art and Perspectives on Silicon Photonic Switches. Micromachines“, 10(1), 51. doi:10.3390/mi10010051. näher beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Distanz- und Geschwindigkeitsmessung anzugeben, mit der sich insbesondere die Anforderungen an die Messgenauigkeit und den FOV auf einfache Weise erfüllen lassen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, mehrere Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) in einer Ebene anzuordnen und (vorzugsweise, aber nicht zwingend) mit optischen Umschaltern funktionell so zu kombinieren, dass eine große Anzahl von Pixeln mit einer hohen, mittleren Pixelrate realisiert werden kann. Zusätzlich können optional noch weitere Strahlablenkvorrichtungen zum Einsatz kommen, um zusätzliche Pixelreihen zu erzeugen oder das FOV zu erweitern.
Es wird davon ausgegangen, dass mindestens zwei verschiedene Komponenten zur Pixelerzeugung kombiniert werden müssen, um die eingangs erwähnten Leistungswerte zu erzielen. Daher wird hier dieses Konzept hier als „Hybrid-LIDAR“ bezeichnet.
In einer Ebene, die beispielsweise durch ein planares Halbleiter-, Glas- oder Polymer-Substrat vorgegeben sein kann, werden mehrere AWGs so angeordnet, dass jeder ihrer Ausgangskanäle jeweils einem Pixel zugeordnet sind. Es sei betont, dass es sich hierbei um Spektral-AWGs handelt, d.h. Strahlung, die am Eingangslichtleiter eingekoppelt wird, liegt an den Ausgängen spektral zerlegt vor. Jeder Ausgangskanal kann einer bestimmen Wellenlänge mit einer bestimmten spektralen Auflösung zugeordnet werden.
Jedes dieser Einzel-AWGs besitzt einen eigenen optischen Eingang. Im einfachsten Fall ist jedes Einzel-AWG einem eigenen Detektor zugeordnet. Durch die Verwendung von optischen Umschaltern kann die Anzahl der notwendigen Detektoren reduziert werden, da dann mehrere AWGs (in einer Ebene) einem Detektor zugeordnet werden können.
Eine AWG-Ebene erzeugt zunächst nur eine eindimensionale Pixelreihe. Um zu einer zweidimensionalen Pixelanordnung zu kommen, sind alternativ oder in Kombination folgende Maßnahmen vorgesehen:

1. Stapeln von AWG-Ebenen
2. Umverteilen von Pixeln aus der Pixelreihe in eine zweidimensionale Matrix von Pixeln.
3. Hinzufügen von weiteren Strahlablenkvorrichtungen
4. Nutzung höherer AWG-Ordnungen in Kombination mit einem Spektralgitter Bei den Maßnahmen 1. und 2. erhält man eine zweidimensionale Anordnung von Austrittsorten für die Messstrahlung in einer ebenen oder gekrümmten Abstrahlfläche. Die Ausgangsorte können matrixartig oder in einer anderen periodischen Struktur, beispielsweise hexagonal angeordnet sein. Die Periodizität (lateraler Abstand) der Ausgangkanäle kann in verschiedenen lateralen Richtungen gleich oder unterschiedlich sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, nicht-periodische, zweidimensionale Anordnungen von Ausgangskanälen abzudecken. Weiterhin liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Ausgangskanäle nicht exakt in einer Ebene liegen, sondern in einer Fläche, deren Form eine optische Abbildung erleichtert. Insbesondere kann diese Fläche sphärisch, ellipsoidisch, hyperbolisch, zylindrisch oder eine Mischform davon sein.

Die gestapelten AWG-Ebenen können in verschiedenen Variationen in das erfindungsgemäße Gesamtmesssystem eingebunden werden. Weiter unten werden diese Variationen als Ausführungsbeispiele anhand von diversen Figuren beschrieben.
Zur Erzeugung der Messstrahlung dient mindestens ein in der Frequenz durchstimmbarer Laser, wobei die spektrale Bandbreite zu einem Zeitpunkt stets erheblich kleiner ist als der spektrale Durchstimmbereich.
Für alle Ausführungsbeispiele kommen beispielsweise vertical-external-cavity surfaceemitting-laser (VECSEL) oder micro-electro-mechanical system vertical-cavity surfaceemitting laser (MEMS-VCSEL), distributed feedback laser (DFB-Laser) und distributed Bragg reflector laser (DBR-Laser) als durchstimmbare Strahlungsquellen in Frage. Grundsätzlich sind aber auch alle anderen Laserarten mit ausreichendem Durchstimmbereich sowie ausreichender Kohärenzlänge, Ausgangsleistung und Durchstimmgeschwindigkeit für die Erfindung einsetzbar.
Mehrere Laser können zur Durchführung der Erfindung kombiniert werden, um beispielsweise den Durchstimmbereich und/oder die Kohärenzlänge zu vergrößern. Je nach Ausgestaltung der Erfindung können die Wellenlängen der simultan oder sequenziell strahlenden Laser dabei gleich oder unterschiedlich sein.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein Blockdiagramm der wesentlichen Komponenten des LIDAR-Systems;
2 ein Spektral-AWG mit Ausgangskanalaufspreizung als zentrales Einzelelement der Erfindung;
3a eine laterale Anordnung mehrerer AWGs in einer Substratebene;
3b eine laterale Anordnung mehrerer AWGs wie in 3a, aber mit zusätzlichen FMCW-Messeinheiten;
3c die horizontale und vertikale Winkelablenkung der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
3c ein 2D-Pixelmuster zur Illustration der horizontalen und vertikalen Winkelablenkung der Vorrichtung;
4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem jeweils zwei AWGs mit einem optischen Umschalter verbunden sind;
5 ein Ausführungsbeispiel ähnlich wie in der 4 gezeigt, wobei die beiden optischen Umschalter einem weiteren optischen Umschalter zugeordnet sind;
6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere der in den 3 bis 5 gezeigten Anordnungen hintereinander angeordnet sind;
7 ein geeignetes optisches System zur beugungsbegrenzten Strahlformung der Messstrahlen im Querschnitt;
8 eine geeignete Strahlformung eines Gauß-Strahlenbündels;
9 die Ergebnisse einer Simulationsrechnung für eine FMCW-Distanzmessung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
10 ein Beispiel für ein geeignetes Durchstimmschema für die Frequenz des Lasers.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt ein Blockdiagramm der wesentlichen Komponenten des LIDAR-Systems. Mindestens eine durchstimmbare Laserstrahlungsquelle, welche optional mit optischen Verstärkern zu Erhöhung der Strahlungsleistung kombiniert sein kann, dient zur Erzeugung der FMCW-Messstrahlung. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die optische Laserleistung auf mehrere simultane Messvorgänge verteilt. Da es sich um ein interferometrisches Messverfahren handelt, wird die Messstrahlung mit mindestens einem optischen Signalkoppler in Referenz- und Signalstrahlung aufgeteilt. Zur Effizienzsteigerung und Reduzierung von Rückreflexen zur Strahlungsquelle kann der optische Signalkoppler optische Zirkulatoren enthalten.
Die Signalstrahlung wird einer Anordnung von mehreren Spektral-AWGs zugeführt, welche räumlich separierte Austrittsorte für die Messstrahlung bereitstellt. Die auf einer ebenen oder gekrümmten Fläche liegenden Ausgangsorte werden mit einem optischen System derart abgebildet, dass näherungsweise kollimierte Laserstrahlbündel aus dem optischen System heraustreten.
Ein nachgeschaltetes Spektralgitter kann zwei Funktionen alternativ oder gleichzeitig übernehmen: Zum einen bewegt es den oder die Messstrahlen über die zu detektierenden Objekte oder Personen (kurz: Targets), was zu einer Reduktion des Speckle-Effektes vorteilhaft beitragen kann. Zum anderen kann es auch genutzt werden, um mehrere Pixelreihen zu erzeugen. In diesem Fall werden die Dispersionen der AWGs und des Spektralgitters so aufeinander abgestimmt, dass beim Durchstimmen der optischen Frequenz der Laserstrahlungsquellen mehrere spektrale AWG-Ordnungen genutzt werden, um eine 2D-Anordnung von Pixeln zu erhalten. Das besagte Spektralgitter kann auch aus mehreren Einzelgittern bestehen.
Nach der Reflexion oder Streuung der Messstrahlung am Target gelangt diese auf dem gleichen optischen Wege zurück zum optischen Signalkoppler, welcher die Referenz- und Signalstrahlung räumlich überlagert und den FMCW-Detektoren zuführt. Die FMCW-Detektoren enthalten vorzugsweise eine sogenannte balanced detection, bei der zwei Photodioden mit jeweils zugeordneten Transimpedanzverstärkern zum Einsatz kommen, um unerwünschte Signalanteile elektronisch zu eliminieren.
Das LIDAR-System deckt einen gewissen Raumwinkelbereich ab, der allgemein als Field-of-View (FOV) bezeichnet wird. Innerhalb dieses FOV und einer gewissen Reichweite ist das LIDAR-System in der Lage, Distanzen und Geschwindigkeiten von Objekten oder Personen zu messen.
Bei allen Ausführungsbeispielen umfasst die erfindungsgemäße Gesamtvorrichtung eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche mit den Komponenten der Gesamtvorrichtung elektronisch und/oder optisch kommunizieren kann. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann insbesondere auch Regelfunktionen übernehmen. Beispielsweise kann sie die Laserfrequenz oder die Temperatur der AWGs regeln.
2 zeigt ein zentrales Einzelelement der Erfindung, ein Spektral-AWG mit Ausgangskanalaufspreizung. Strahlung veränderlicher Wellenlänge bzw. Frequenz wird in den Eingangslichtleiter eingekoppelt. Im Freistrahlbereich 1 breitet sich die weitgehend kohärente Strahlung aus und dringt dann in die AWG-Wellenleiter ein. Aufgrund der unterschiedlichen Längen der AWG-Wellenleiter erfährt die Strahlung in den Wellenleitern unterschiedliche Phasenverzögerungen, wodurch die Strahlung am Ende des Freistrahlbereichs 2 für verschiedene Wellenlängen an unterschiedlichen Orten konstruktiv interferiert. Das AWG kann somit als hochauflösendes Spektrometer betrachtet werden. Während des FMCW-Durchstimmvorgangs wandert daher der Ausgangsort der Strahlung in der Zeichenebene von unten nach oben bzw. umgekehrt.
Das Ende des Freistrahlbereichs 2 kann man in M Segmente aufteilen, die im Weiteren als AWG-Ausgangskanäle bezeichnet werden.
Jeder AWG-Ausgangkanal wird auf demselben planaren Substrat mit einem Wellenleiter verbunden, der die Strahlung von diesem Ausgangkanal zu einem gewünschten Austrittsort an einer geraden oder gekrümmten Abstrahlkante leitet. Dieser Aspekt ist besonders vorteilhaft, da hierdurch die nachfolgende optische Abbildung der Austrittorte vereinfacht werden kann. Insbesondere ist es dadurch möglich, eine vorteilhafte Kombination von Abbildungsmaßstab und Durchmesser der Austrittspupille zu erhalten. Der Durchmesser der Austrittpupille ist in diesem Zusammenhang besonders wichtig, da er die erzielbare Reichweite des LIDAR-Systems maßgeblich beeinflusst.
3a zeigt, dass das in 2 dargestellte Spektral-AWG mit Kanalaufspreizung lediglich eine Sub-Komponente in der Gesamtanordnung ist. Erfindungsgemäß werden mehrere dieser Spektral-AWGs in einer Substratebene angeordnet, um die Anzahl der Messstrahlungsaustrittsorte - und damit die Anzahl der Pixel - zu vervielfachen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Spektral-AWG mit Kanalaufspreizung lateral nebeneinander angeordnet, was zu einer Vervierfachung der Pixelanzahl führt. Die AWGs in einer Substratebene sind bevorzugt, aber nicht zwingend gleichartig. Diese Anordnung hat gegenüber einem Einzel-AWG mit der gleichen Gesamtanzahl von Ausgangskanälen drei Vorteile:

1. Die benötigte Substratfläche kann insgesamt kleiner sein, da der Flächenverbrauch pro AWG im Allgemeinen nichtlinear mit der Anzahl der Ausgangskanäle skaliert.
2. Die spektrale Auflösung der AWGs hängt von der Länge der AWG-Wellenleiter und damit von der Größe der AWGs ab. Durch die Aufteilung in mehrere AWGs ergibt sich mehr Flexibilität beim optimalen Design der AWGs und der Gesamtanordnung.
3. Da jedes AWG einen eigenen optischen Eingang besitzt, kann es einem eigenen Detektor zugeordnet werden, wodurch bei Bedarf ein größerer Parallelisierungsgrad (Anzahl der Simultanmessungen) erreicht werden kann.

3b zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltungsvariante der Erfindung. Dabei ist jedes der N Spektral-AWGs mit einer eigenen FMCW-Messeinheit verbunden. Jede FMCW-Messeinheit enthält zumindest einen interferometrischen Strahlvereiniger und einen dedizierten FMCW-Detektor. Alle N Spektral-AWGs sowie alle N FMCW-Detektoren befinden sich auf einem gemeinsamen Photonic Integated Circuit (PIC). Vorzugsweise ist jeder FMCW-Messeinheit ein eigener durchstimmbarer Laser zugeordnet; dies ist allerdings nicht zwingend, da alle Spektral-AWGs auch mit einem sehr leistungsstarken, gemeinsamen Laser versorgt werden können.
Diese Ausgestaltungsvariante hat folgende Vorteile:

1. Die optischen Leistungsverluste sind minimal, da eine minimale Anzahl optischer Komponenten in Reihe geschaltet wird. Auf verlustbehaftete Komponenten, wie optische Umschalter oder optische Multiplexer (MUX/DEMUX) kann verzichtet werden.
2. Die Anzahl N kann sehr flexibel zur Optimierung der Gesamtperformance variiert werden. Um beispielsweise 512 Pixel an der Abstrahlkante zu generieren, können z.B. 16 AWGs mit jeweils 32 Ausgangkanälen oder 32 AWGs mit jeweils 16 Ausgangkanälen oder 64 AWGs mit jeweils 8 Ausgangkanälen verwendet werden. Es kann dann insbesondere die AWG-Variante ausgewählt werden, welche die geringsten optischen Verluste aufweist. Sollte dagegen die Anzahl der Laser aus Kostengründen limitierend sein, kann die Anzahl der Pixel dadurch beibehalten werden, dass man weniger AWGs mit jeweils mehr Ausgangskanälen verwendet.
3. Da jedes AWG zusammen mit seiner dedizierten FMCW-Messeinheit unabhängig arbeitet und einem eigenen Pixel-Ensemble zugeordnet ist, ist die Gesamtanzahl der Pixel an der Abstrahlkante in weiten Grenzen skalierbar. Mehr AWGs führen direkt zu mehr Pixeln. Dadurch können unterschiedliche applikative Anforderungen bedient werden.
4. In Verbindung mit einem zusätzlichen dispersiven Element für die zweite Raumrichtung kann ein 2D-Pixelmuster unter Verzicht auf jegliche bewegte Teile erzeugt werden. Dabei kann die o.g. Flexibilität bzgl. der AWG-Anzahl vorteilhaft genutzt werden:
- eine große Anzahl von AWGs mit jeweils wenigen Ausgangkanälen führt dazu, dass das entstehende 2D-Pixelmuster weniger nicht nutzbare Randbereiche (Dreiecke ohne Pixel) aufweist. Dieser Aspekt ist in 3c illustriert.

3c zeigt ein 2D-Pixelmuster, welches mit der Ausführungsvariante aus 3b generiert wird. Dazu wird die Messstrahlung, welche die horizontal liegenden AWG-Ausgangskanäle verlassen hat, mit einer zusätzlichen dispersiven Komponente vertikal abgelenkt. Bei dieser zusätzlichen dispersiven Komponente kann es sich z.B. um ein Spektralgitter handeln, welches bei Wellenlängenänderungen der Messstrahlung eine Winkeländerung der Strahlrichtung in vertikaler Richtung verursacht.
Beispielhaft werden hier 6 AWGs mit jeweils 8 Ausgangskanälen verwendet. Ohne das zusätzliche Gitter würde eine durchgehende Pixelreihe mit 48 Pixeln erzeugt, wenn die Laser um einen AWG-Spektralbereich (FSR = Free Spectral Range) durchgestimmt werden. Durch die Kombination von zwei orthogonalen Winkeldispersionen verlaufen die den AWG-Ausgangskanälen zugeordneten Pixelreihen schräg. Dadurch ergibt sich das in 3c gezeigte 2D-Pixelmuster, wenn die Laser um 16 AWG-Spektralbereiche durchgestimmt werden. Dabei entsteht nach jedem AWG-Spektralbereich eine neue Reihe von 8 Pixeln je AWG. Da die Winkeldispersionen der AWGs und des Gitters unabhängig voneinander wählbar sind, kann hierüber die genaue 2D-Pixelanordnung beeinflusst werden.
Oben und unten entstehen jeweils N dreieckige Gebiete im 2D-Pixelmuster, in denen keine Pixel vorliegen. Um die Fläche dieser Gebiete im Verhältnis zur Gesamtfläche des 2D-Pixelmusters klein zu halten, ist es vorteilhaft viele AWGs mit jeweils wenigen Ausgangskanälen zu verwenden.
Für ein reales LiDAR-System würde man deutlich mehr Pixel als dargestellt erzeugen, beispielsweise 512 × 256 Pixel. Je nach Anzahl der verfügbaren Laser könnte man dazu beispielsweise 8, 16, 32 oder 64 AWGs in einer PIC-Ebene unterbringen. Besonders vorteilhaft ist, dass man mittels der weiter oben beschriebenen Kanalaufspreizung in Kombination mit der Brennweite der abbildenden Optik den horizontalen Winkelabstand der Pixel flexibel optimieren kann.
Weiter unten befindet sich eine Auflistung von weiteren Optionen zur Erzeugung eines 2D-Pixelmusters.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante, bei der jeweils zwei AWGs einem optischen Umschalter zugeordnet sind. Dadurch ist es möglich, alle jeweils zwei AWGs nacheinander mit Messstrahlung zu versorgen. Außerdem ergibt sich durch diese Anordnung noch mehr Flexibilität bei der optimalen Kombination von Pixelanzahl, AWG-Auflösung und Parallelisierungsgrad.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante, bei der jeweils zwei AWGs einem optischen Umschalter und zwei dieser optischen Umschalter einem weiteren optischen Umschalter zugeordnet sind. Dadurch ist es möglich, alle vier AWGs nacheinander mit Messstrahlung zu versorgen, und die Flexibilität erhöht sich noch weiter.
In analoger Weise können mit weiteren optischen Umschaltern noch weitere AWGs sequenziell oder teilweise sequenziell mit Messstrahlung versorgt werden. Beispielsweise können 8 AWGs mit 7 optischen Umschaltern oder 16 AWGs mit 15 optischen Umschaltern sequenziell mit Messstrahlung versorgt werden. Dadurch lässt sich die Flexibilität für das Design der Gesamtanordnung noch weiter steigern. Alternativ zu den gezeigten optischen Umschaltern mit zwei Ausgängen können auch optische Umschalter mit mehr als zwei Ausgängen verwendet werden, was funktionell weitgehend gleichbedeutend ist, aber die Anzahl der optische Umschalter reduziert. Dies kann vorteilhaft bezüglich der resultierenden optischen Leistungsverluste sein, die die optischen Umschalter mit sich bringen.
Vorzugsweise werden möglichst viele Komponenten der Erfindung für eine kompakte Bauweise in wenigstens einem Photonic Integated Circuit (PIC) untergebracht.
Die flächigen Anordnungen in den 3 bis 5 erzeugen jeweils eine Pixelreihe. Es kann vorkommen, dass diese Pixelreihe mehr Pixel als benötigt aufweist. In diesem Fall ist es wünschenswert, die Pixel auf ein zweidimensionales Raster umzuverteilen. Hierzu können beispielsweise Spiegelanordnungen oder Prismenanordnungen, ggf. mit Nutzung von Totalreflexion, oder Kombinationen davon eingesetzt werden. Vor und nach der Umverteilung können Mikrolinsen-Arrays verwendet werden, um den Kollimationszustand jeweils passend zu gestalten.
6 zeigt eine Ausgestaltungsvariante, bei der mehrere der in den 3 bis 5 gezeigten Anordnungen hintereinander angeordnet, d.h. gestapelt werden. Dadurch werden gleichzeitig eine zweidimensionale Pixelanordnung und eine Parallelisierung von Messungen mit einer entsprechend höheren Gesamtpixelmessrate erreicht.
Die in 2 gezeigte Kanalaufspreizung wird für alle AWG-Ebenen durchgeführt. Jede einzelne AWG-Ebene besitzt eine gerade oder gekrümmte Abstrahlkante, aus der die Messstrahlung an zahlreichen Orten austreten kann. Gestapelt entsteht eine zweidimensionale, ebene oder gekrümmte Abstrahlfläche mit einer entsprechend größeren Anzahl von Orten, aus denen die Messstrahlung austreten kann.
Die Austrittsorte können in einer Ebene liegen. Alternativ kann die Austrittfläche mit den Austrittsorten auch eine nichtebene Form aufweisen, beispielsweise sphärisch, ellipsoidisch, hyperbolisch, zylindrisch oder eine Mischform davon. Dies kann vorteilhaft sein, um das nachfolgende optische System einfacher gestalten zu können, weil dann beispielsweise keine Bildfeldwölbung korrigiert werden muss oder auf Telezentrie verzichtet werden kann. Die Formgebung der Austrittsfläche kann bereits bei den einzelnen Substraten erfolgen oder nach der Herstellung des Stapels in diesen hineingeschliffen oder beispielsweise durch Diamantdrehen hineingearbeitet werden.
Üblicherweise werden AWGs auf planaren Substraten hergestellt, wobei häufig Silizium zum Einsatz kommt, wenn die verwendeten Strahlungswellenlängen im infraroten Spektralbereich liegen. Statt oder in Kombination mit Silizium können die AWGs auch Glas, Polymer, andere Halbleiter oder Metalle enthalten.
Entweder werden die auf planaren Substraten separat hergestellten AWGs mit hoher Präzision (im µm-Bereich) zu einem Stapel zusammengefügt, oder der AWG-Stapel wird in einem dreidimensionalen Strukturierungsprozess hergestellt. Letzteres kann beispielsweise mit Hilfe der lasergestützten Multiphotonen-Polymerisation erfolgen. In jedem Fall ist es ein erfindungsgemäßes Merkmal, die Anzahl und die Abstände der AWGs innerhalb des Stapels gezielt so zu wählen, dass ein FOV mit einem gewünschten Aspektverhältnis sowie einer gewünschten Laserspotdichte (= Pixeldichte) entsteht.
Das optische System übersetzt den lateralen Versatz der Austrittorte in eine Winkeländerung des Messstrahls. Da Austrittsort mit einer Frequenzänderung des Lasers verbunden ist, führt eine Frequenzänderung direkt zu der gewünschten Winkeländerung des Messstrahls. Je nach Ausführungsvariante kann das optische System rotationssymmetrisch oder anamorphotisch ausgelegt sein.
Zur Ergänzung von Pixelreihen oder -spalten innerhalb oder außerhalb des primären FOV können optional zusätzliche Vorrichtungen zur Strahlablenkung verwendet werden, beispielsweise MEMS-Scanner, Galvo-Scanner, Phasen-Arrays, Flüssigkristall-Arrays, polarisationssensitive Flüssigkristall-Arrays (LCPGs), oder Spektralgitter.
7 zeigt beispielhaft im Querschnitt ein geeignetes optisches System zur beugungsbegrenzten Strahlformung der Messstrahlen, bei denen es sich in der Regel um Gauß-Strahlenbündel handelt. In dem vergrößerten Ausschnitt ist erkennbar, dass die Austrittsorte der Messstrahlung auf einer gekrümmten Fläche liegen, was zu einer Vereinfachung des optischen Systems beiträgt.
8 zeigt eine geeignete Strahlformung eines Gauß-Strahlenbündels. Der Strahldurchmesser am Ausgang des optischen Systems beträgt 15 mm. Der Wellenfrontradius am Ausgang des optischen Systems beträgt 1000 m. Unter diesen Bedingungen erhält man in 100 m Distanz einen Strahldurchmesser von 18,9 mm.
9 zeigt eine beispielhafte Simulationsrechnung für eine FMCW-Distanzmessung, wobei der in 8 gezeigte Gauß-Strahl zugrunde gelegt wurde. Es befinden sich Objekte in 100 m und 200 m Entfernung. Die Chirp-Dauer beträgt T = 10 µs. Die Chirp-Bandbreite beträgt B = 1 GHz. Die Abtastrate beträgt fs = 500 MHz. Die Ausgangsleistung des Lasers beträgt Pout = 100 mW. Die Referenzleistung des lokalen Oszillators, dem die von den Objekten gestreute Signalstrahlung interferometrisch überlagert wird, beträgt Pref = 1 mW. Die Lateralgeschwindigkeit des Messstrahls in 100 m Distanz wird beispielhaft mit 10 km/s angenommen. Die Simulation zeigt, dass mit den genannten Parametern eine Distanzmessung bis zu 200 m mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis möglich ist.
10 zeigt beispielhaft ein Durchstimmschema für die Frequenz des Lasers. Für eine einzelne Entfernungsmessung wird hier beispielhaft eine Bandbreite B = 1 GHz und eine Chirp-Dauer von T = 10 µs angenommen. Um Relativgeschwindigkeiten zwischen LIDAR-System und den Messobjekten korrekt erfassen zu können, wird für jedes Pixel des FOV ein Chirp-up und nachfolgend ein Chirp-down durchgeführt. Dadurch ist es möglich den Dopplereffekt zu erfassen und zu berücksichtigen.
Die spektrale Auflösung der AWGs im AWG-Stapel wird mit Δf = 10 GHz angenommen. Zwischen den einzelnen Entfernungsmessungen wird der Laser innerhalb einer möglichst kurzen Zeit Tzw um 10 GHz weiter durchgestimmt, um zum nächsten Pixel zu kommen. Eine Frequenzänderung von Δf entspricht einer Winkeländerung um Δθ, wobei diese Winkeländerung durch die Auslegung des optischen Systems gewählt werden kann. Während der um den Faktor 10 geringen Frequenzänderung von B = 1 GHz bei einer Entfernungsmessung beträgt die Winkeländerung dagegen nur dθ = Δθ/10. Dieses Durchstimmschema ist vorteilhaft, wenn die laterale Geschwindigkeit des Laserstrahls über die Objekte reduziert werden soll. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn ansonsten dem Signalstrahl zu viele zufällige Störphasen von der Objektoberfläche aufgeprägt werden.
Optionen zur Erzeugung eines 2D-Pixelmusters
In den 2 bis 5 sind Vorrichtungen beschrieben, mit denen zunächst eine Pixelreihe erzeugt werden kann, d.h. ein 1D-Pixelmuster. Nachfolgend werden Optionen aufgelistet, mit denen eine Erweiterung auf ein 2D-Pixelmuster möglich ist. Zu unterscheiden sind hierbei dispersive Optionen, die einen reinen Spektral-Scan ermöglichen und nicht-dispersive Optionen. Bei allen Optionen wird eine strahlablenkende Komponente hinter den AWG-Ausgangskanälen so eingefügt, dass sie die Messstrahlung bei Wellenlängenänderung in einer zur AWG-Abstrahlkante orthogonalen oder näherungsweise orthogonalen Richtung ablenkt. Es können auch mehrere der aufgeführten Optionen hintereinander verwendet werden, um die strahlablenkende Wirkung zu erhöhen oder zu optimieren.

1. Spektralgitter (dispersiv):
- Es kann sich um ein Transmissions- oder Reflexionsgitter handeln. Vorzugsweise ist das Gitter geblazed, d.h. die Intensität einer Gitterordnung wird maximiert.
2. Prisma (dispersiv):
- Spektralprismen werden grundsätzlich in Transmission betrieben.
3. GRISM (dispersiv):
- Hierbei handelt es sich um eine Kombination aus Spektralgitter und Prisma, wobei die dispersive Winkelablenkung primär vom Gitter erzeugt wird. Es können mehrere Spektralgitter auf den Prismenoberflächen aufgebracht sein.
4. Komplexe auf Interferenz basierende Komponenten (dispersiv):
- Hierzu gehören z.B. diffraktiv-optische Elemente (DOE), Holografisch-optische Elemente (HOE), Computergenerierte Hologramme (CGH), Volumengitter.
5. MEMS-Scanner (nicht-dispersiv):
- Strahlablenkende Scanner-Bestandteile, wie Spiegel, Prismen, Platten, Periskope oder
- Lichtleiter, werden mittels elektrostatischer Kräfte bewegt.
6. Galvo-Scanner (nicht-dispersiv):
- Strahlablenkende Scanner-Bestandteile, wie Spiegel, Prismen, Platten, Periskope oder
- Lichtleiter, werden mittels galvanischer Kräfte bewegt.
7. Piezo-Scanner (nicht-dispersiv):
- Strahlablenkende Scanner-Bestandteile, wie Spiegel, Prismen, Platten, Periskope oder
- Lichtleiter, werden mittels Piezokräften bewegt.
8. Liquid-Crystal Polarisation Grating (LCPG):
- Die Strahlablenkung erfolgt durch Polarisationsänderung der Messstrahlung.
9. AWG/PIC-Stapel:
- Mehrere der in den 2-5 gezeigten Vorrichtungen werden übereinander gestapelt,
- so dass direkt mehrere parallele Pixelreihen erzeugt werden.

Weitere Aspekte
Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Distanz- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung liegt im Straßenverkehr. Bei der Geradeaussicht (mit einem gewissen FOV) kommt es auf eine besonders hohe Reichweite und eine genaue longitudinale Geschwindigkeitsmessung an. Dafür ist die Erfindung ausgelegt und somit besonders geeignet.
Weil es technisch schwierig ist, einen großen horizontalen Winkelbereich (>100°) bei gleichzeitig hoher Reichweite und hoher lateraler Auflösung mit einer einzigen Messvorrichtung abzudecken, können mehrere der erfindungsgemäßen Messvorrichtungen kombiniert werden, um ein großes FOV abzudecken. Da es bei den seitlichen Blickrichtungen eher auf einen großen Winkelbereich und nicht so sehr auf eine hohe Reichweite ankommt, werden die zusätzlichen Messvorrichtungen an diese Anforderungen angepasst. Beispielhaft kann zur Seite die Reichweite auf 70 m begrenzt werden, um den technischen Aufwand und die abzustrahlende optische Leistung gering zu halten. Natürlich liegen aber auch größere Reichweiten im Rahmen der Erfindung. Vorzugsweise arbeiten die weiteren Messvorrichtungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Da die Anforderungen hinsichtlich Reichweite und Genauigkeit der longitudinalen Geschwindigkeitsmessung jedoch geringer sind als für die Geradeaussicht, können die weiteren Messvorrichtungen auch nach einem anderen Messprinzip arbeiten, beispielsweise nach dem Time-of-Flight-Prinzip (TOF).
Im Rahmen der Erfindung ist es besonders bevorzugt, möglichst viele der beschriebenen Komponenten auf einem oder mehreren Photonic Integrated Circuits (PICs) unterzubringen, um eine kompakte Bauweise mit Potential für die Massenfertigung zu erzielen.
Alle genannten Zahlenwerte sind beispielhaft und können in weiten Grenzen variiert werden, um die erfindungsgemäße Messvorrichtung an spezielle Anforderungen anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2018024246 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Distanz- und Geschwindigkeitsmessung, umfassend: mindestens einen durchstimmbaren Laser, eine Einheit zur Zuordnung oder Aufteilung der optischen Laserleistung, mindestens einen optischen Strahlteiler, mindestens ein planares Substrat, das mindestens zwei Spektral-AWGs mit zugeordneten Kanalaufspreizungen enthält, mindestens einen FMCW-Detektor, und ein optisches System zur Abbildung der Messstrahlungsaustrittsorte.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Kombination von optischen Umschaltern und Spektral-AWGs auf einem planaren Substrat angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Stapel von planaren Substraten mit den Spektral-AWGs und den zugeordneten Kanalaufspreizungen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Spektralgitter zur Reduzierung des Speckle-Effektes.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Spektralgitter in Kombination mit höheren spektralen AWG-Ordnungen zur Erzeugung mehrerer Pixelreihen eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend optische Umlenkelemente, die aus einer langen Pixelreihe mehrere kürzere, nebeneinanderliegende Pixelreihen herstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Strahlablenker beweglichen Komponenten, insbesondere MEMS-Spiegeln oder galvanisch oder piezoelektrisch angetriebenen Spiegel, Prismen, Linsen, Keile, Platten, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Strahlablenker phasenoptischen Komponenten, insbesondere Optical Phased Arrays (OPAs) oder Liquid Crystal Polarization Gratings (LCPGs), enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die dazu eingerichtet ist, ein 2D-Pixelmuster zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die dazu eingerichtet ist, IR-Strahlung oder VIS-Strahlung zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die dazu eingerichtet ist, Strahlung mit einer Wellenlänge von 1550±100 nm oder 905±100 nm oder 10±2 µm zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die dazu eingerichtet ist, IR-Strahlungswellenlängen zu erzeugen, die in den spektralen Transmissionsfenstern des Wasser-Absorptionsspektrums liegen.
System aus mehreren Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die dazu eingerichtet sind, parallel zu arbeiten, um ein größeres FOV und/oder eine bessere Winkelauflösung zur erzielen.
Automones Fahrzeug oder Fluggerät mit einer Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 13.