[go: up one dir, main page]

DE112023000936T5 - Hybrid Two-Dimensional Steering Lidar - Google Patents

Hybrid Two-Dimensional Steering Lidar Download PDF

Info

Publication number
DE112023000936T5
DE112023000936T5 DE112023000936.8T DE112023000936T DE112023000936T5 DE 112023000936 T5 DE112023000936 T5 DE 112023000936T5 DE 112023000936 T DE112023000936 T DE 112023000936T DE 112023000936 T5 DE112023000936 T5 DE 112023000936T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
optical
photodetector circuit
emitter device
lens system
optical emitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE112023000936.8T
Other languages
German (de)
Inventor
Christopher T. PHARE
Sajan Shrestha
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voyant Photonics Inc
Original Assignee
Voyant Photonics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US17/672,162 external-priority patent/US20220244360A1/en
Application filed by Voyant Photonics Inc filed Critical Voyant Photonics Inc
Publication of DE112023000936T5 publication Critical patent/DE112023000936T5/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G01S7/4815Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/42Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Eine optische Emittervorrichtung enthält eine Emitteranordnung, die eine Vielzahl von Endfeuer-Verjüngungen umfasst, wobei jede Endfeuer-Verjüngung so konfiguriert ist, dass sie selektiv einen jeweiligen Lichtstrahl emittiert. Ein Linsensystem ist so konfiguriert, dass es jeden Lichtstrahl basierend auf einer Position der jeweiligen Endfeuer-Verjüngung relativ zu einer optischen Achse des Linsensystems formt und lenkt. Ein rotierender Reflektor, der eine Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse des Linsensystems enthält, ist so konfiguriert, dass er die Lichtstrahlen durch einen Abtastbereich umlenkt und scannt.

Figure DE112023000936T5_0000
An optical emitter device includes an emitter assembly including a plurality of endfire tapers, each endfire taper configured to selectively emit a respective light beam. A lens system is configured to shape and direct each light beam based on a position of the respective endfire taper relative to an optical axis of the lens system. A rotating reflector including an axis of rotation perpendicular to the optical axis of the lens system is configured to redirect and scan the light beams through a scanning region.
Figure DE112023000936T5_0000

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine optische Emittervorrichtung und insbesondere auf eine optische Emittervorrichtung, die in einem LIDAR-System (Light Detection and Ranging) verwendet wird.The present disclosure relates to an optical emitter device, and more particularly to an optical emitter device used in a light detection and ranging (LIDAR) system.

Hintergrundbackground

Die On-Chip-Photonik kann Komponenten wie Laser, Detektoren und Schalter kompakt und kostengünstig integrieren. Für die Strahlformung und die zweidimensionale Strahllenkung verbraucht die On-Chip-Photonik jedoch sehr viel Energie und kann architektonisch komplex sein. Andererseits kann die Verwendung von Freiraumoptiken, z. B. Linsen und Spiegeln, für die Strahlformung und Strahllenkung architektonisch einfach und energieeffizient sein, aber andere diskrete Komponenten, wie Laser, Empfänger und Schalter, sind sperrig und teurer als ihre On-Chip Gegenstücke. Bei anspruchsvollen Anwendungen, die eine sehr hohe Auflösung oder Punkte pro Sekunde erfordern, führen die vorher genannten Probleme entweder zu sperrigen und kostspieligen LIDAR-Systemen, die vollständig aus Freiraumelementen, d.h. mehreren Lasern, Detektoren und Schaltern, bestehen, oder zu energiehungrigen LIDAR-Systemen mit begrenztem Sichtfeld und niedrigem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR), die mit rein integrierter Photonik, z. B. einer optischen Phasenanordnung, hergestellt werden. Die vorliegende Offenlegung beschreibt eine kostengünstige und kompakte hybride Lidar-Systemarchitektur, in der das Beste aus den beiden Welten kombiniert wird, wobei der Photonik-Chip den Laser, den Detektor und die Schalter integriert und die Freiraumoptik, z.B. Spiegel und Linsen, für die Strahllenkung und Strahlformung verwendet wird.On-chip photonics can integrate components such as lasers, detectors and switches in a compact and cost-effective manner. However, for beam forming and two-dimensional beam steering, on-chip photonics consumes a lot of energy and can be architecturally complex. On the other hand, using free-space optics, e.g. lenses and mirrors, for beam forming and beam steering can be architecturally simple and energy efficient, but other discrete components, such as lasers, receivers and switches, are bulky and more expensive than their on-chip counterparts. For demanding applications requiring very high resolution or points per second, the aforementioned problems lead to either bulky and costly LIDAR systems consisting entirely of free-space elements, i.e. multiple lasers, detectors and switches, or to energy-hungry LIDAR systems with limited field of view and low signal-to-noise ratio (SNR) fabricated with purely integrated photonics, e.g. an optical phase array. The present disclosure describes a low-cost and compact hybrid lidar system architecture that combines the best of both worlds, where the photonics chip integrates the laser, detector, and switches, and free-space optics, e.g., mirrors and lenses, are used for beam steering and beam shaping.

Langsame Reaktionszeiten von thermooptischen Schaltern, die in der On-Chip-Photonik verwendet werden, sind ein wesentlicher limitierender Faktor für das Erreichen von einer ultraschnellen optischen Strahllenkung. On-Chip optische Phasenanordnungen (OPA) leiden ebenso unter hohen Einfügungsverlusten, die zu einem hohen Energieverbrauch, einer niedrigen Bildrate und einem geringen Signal-zu-Rausch-Verhältnis führen.Slow response times of thermo-optic switches used in on-chip photonics are a major limiting factor for achieving ultrafast optical beam steering. On-chip optical phased arrays (OPAs) also suffer from high insertion losses, which lead to high power consumption, low frame rate and low signal-to-noise ratio.

Eindimensionale OPAs erfordern auch eine Wellenlängenabstimmung, um den Strahl in zwei Dimensionen zu lenken. Der Bereich der Wellenlängenabstimmung liegt in der Regel im Bereich von zehn oder hunderten Nanometern, um ein Sichtfeld von mehr als 30° zu erhalten. Abstimmbare Laser mit großer Bandbreite und schmaler Linienbreite (für FMCW-Lidar) sind jedoch schwer zu entwerfen und herzustellen.One-dimensional OPAs also require wavelength tuning to direct the beam in two dimensions. The range of wavelength tuning is typically in the tens or hundreds of nanometers to obtain a field of view greater than 30°. However, wide-bandwidth, narrow-linewidth tunable lasers (for FMCW lidar) are difficult to design and manufacture.

ZusammenfassungSummary

Dementsprechend enthält ein erstes Gerät eine optische Emittervorrichtung, die Folgendes umfasst:

  • eine erste Emitteranordnung, die eine Vielzahl an ersten Punktemittern umfasst, wobei jeder jeweilige erste Punktemitter so konfiguriert ist, dass er einen jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl emittiert, und so konfiguriert ist, dass er einen jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl empfängt;
  • ein erstes Linsensystem, das so konfiguriert ist, dass es jeden jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl und jeden jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl basierend auf einer Position jedes jeweiligen ersten Punktemitters relativ zu einer ersten optischen Achse des ersten Linsensystems formt und lenkt; und
  • einen rotierenden Reflektor, der so konfiguriert ist, dass er jeden jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl in einem Winkel zu der ersten optischen Achse nach außen umlenkt, und der so konfiguriert ist, dass er jeden jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl auf die erste Emitteranordnung umlenkt.
Accordingly, a first apparatus includes an optical emitter device comprising:
  • a first emitter arrangement comprising a plurality of first point emitters, each respective first point emitter configured to emit a respective first output light beam and configured to receive a respective first input light beam;
  • a first lens system configured to shape and direct each respective first output light beam and each respective first input light beam based on a position of each respective first point emitter relative to a first optical axis of the first lens system; and
  • a rotating reflector configured to redirect each respective first output light beam outwardly at an angle to the first optical axis and configured to redirect each respective first input light beam onto the first emitter assembly.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Einige Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:

  • 1 ist eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
  • 2A ist eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 mit dem rotierenden Spiegel in einer ersten Position;
  • 2B ist eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 mit dem rotierenden Spiegel in einer zweiten Position;
  • 3A ist eine Draufsicht auf einen Teil des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von 1;
  • 3B ist eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von 1;
  • 3C ist eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von 1;
  • 3D ist eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von 1;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von 1;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von 1;
  • 6 ist eine Draufsicht auf den optischen Emitter-Chip der Vorrichtung von 5;
  • 7 ist eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
  • 8 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung von 4; und
  • 9 ist eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung;
  • 10 ist eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
  • 11 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 10;
  • 12 ist ein schematisches Diagramm eines Transceiverteils einer der vorgenannten Ausführungsformen;
  • 13 ist ein Diagramm eines optischen Lichtwellenleiters des Transceivers aus 12;
  • 14 ist ein Querschnitt einer Linse für einige der vorgenannten Ausführungsformen; und
  • 15 ist ein Diagramm eines Durchhangs (mm) gegen die Position von der optischen Achse der Linse von 14.
Some embodiments will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
  • 1 is a plan view according to an embodiment of the present disclosure;
  • 2A is a side view of the device from 1 with the rotating mirror in a first position;
  • 2B is a side view of the device from 1 with the rotating mirror in a second position;
  • 3A is a plan view of a portion of the optical emitter chip of the device of 1 ;
  • 3B is a plan view of a portion of another exemplary embodiment of the optical emitter chip of the device of 1 ;
  • 3C is a plan view of a portion of another exemplary embodiment of the optical emitter chip of the device of 1 ;
  • 3D is a plan view of a portion of another exemplary embodiment of the optical emitter chip of the device of 1 ;
  • 4 is a cross-sectional view of an exemplary optical emitter chip of the device of 1 ;
  • 5 is a cross-sectional view of another exemplary optical emitter chip of the device of 1 ;
  • 6 is a top view of the optical emitter chip of the device of 5 ;
  • 7 is a plan view according to an embodiment of the present disclosure;
  • 8 is a side view of the device of 4 ; and
  • 9 is a side view of another embodiment of the present disclosure;
  • 10 is a plan view according to an embodiment of the present disclosure;
  • 11 is a side view of the device from 10 ;
  • 12 is a schematic diagram of a transceiver portion of one of the aforementioned embodiments;
  • 13 is a diagram of an optical fiber of the transceiver from 12 ;
  • 14 is a cross-section of a lens for some of the aforementioned embodiments; and
  • 15 is a graph of sag (mm) versus position of the optical axis of the lens of 14 .

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Obwohl die vorliegenden Lehren in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben werden, ist es nicht beabsichtigt, dass die vorliegenden Lehren auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Im Gegenteil, die vorliegenden Lehren umfassen verschiedene Alternativen und Äquivalente, wie von Fachleuten erkannt werden kann.Although the present teachings are described in connection with various embodiments and examples, it is not intended that the present teachings be limited to those embodiments. On the contrary, the present teachings encompass various alternatives and equivalents, as may be recognized by those skilled in the art.

Unter Bezugnahme auf die 1, 2A und 2B enthält ein Gerät eine optische Vorrichtung 1, z. B. LIDAR, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform Folgendes umfasst: einen optischen Emitter-Chip 2, ein Linsensystem 3 und einen rotierenden Reflektor, z. B. einen Spiegel, 4. Zur Strahlformung können ein oder mehrere hochkollimierte Ausgangsstrahlen 5o ausgesendet werden, wenn ein Punktemitter 61 bis 6n des optischen Emitter-Chips 2 in der Nähe zu oder im Wesentlichen auf der Brennebene F des Linsensystems 3 angeordnet ist (unendliche Konjugation). Die umgekehrte Ausbreitung gilt ebenfalls basierend auf dem Reziprozitätstheorem, wobei ein paralleler Eingangsstrahl 5i, z. B. einer der Ausgangsstrahlen 5o, der von einem Objekt reflektiert wird und auf das Linsensystem 3 scheint, in einem Punkt fokussiert wird, der von einem der Punktemitter 61 bis 6n eingefangen werden soll mit einer leichten Streuung, die durch Linsenaberration und Beugung bestimmt wird. Für die Strahllenkung hängt der Fernfeld-Strahlwinkel α des geformten, z. B. im Wesentlichen kollimierten oder fokussierten, Ausgangsstrahls 5o von der Lage des Punktemitters 61 bis 6n auf der Brennebene F relativ zur optischen Längsmittelachse OA des Linsensystems 3 ab. Für den Strahlwinkel α gilt die Gleichung: α = arctan(d/f), wobei d der Abstand von der Mitte der Brennebene ist, d.h. der Punkt, an dem die optische Achse OA mit der Brennebene F zusammenfällt, und f die Brennweite des Linsensystems 3 ist. Daher kann ein vollständiges LIDAR-System implementiert werden, indem der optische Emitter-Chip 2 der Punktemitter 61 bis 6n auf oder in der Nähe der Brennebene F des Linsensystems 3 platziert wird und dann mit Hilfe eines Steuerungsprozessors 20 ausgewählte und nicht ausgewählte Punktemitter 61 bis 6n jeweils selektiv ein- und ausgeschaltet werden, um die ein oder mehreren Ausgangsstrahlen 5o in die gewünschten Richtungen mit den gewünschten Strahlwinkeln α zu lenken. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundlegend von optischen phasengesteuerten Anordnungen, da die relative optische Phase zwischen den Emittern nicht gesteuert werden muss und jeweils nur ein Punktemitter 61 bis 6n eingeschaltet werden kann. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Punktemittern 61 bis 6n gleichzeitig oder nacheinander von der Steuerungsprozessor 20 aktiviert werden, um mehrere Ausgangsstrahlen 5o zu senden, die in unterschiedliche Richtungen, d.h. mit unterschiedlichen Strahlwinkeln α1 bis αn, zeigen.With reference to the 1 , 2A and 2B a device includes an optical device 1, e.g. LIDAR, which according to an exemplary embodiment comprises: an optical emitter chip 2, a lens system 3 and a rotating reflector, e.g. a mirror, 4. For beam shaping, one or more highly collimated output beams 5 o may be emitted when a point emitter 6 1 to 6 n of the optical emitter chip 2 is arranged close to or substantially on the focal plane F of the lens system 3 (infinite conjugation). Reverse propagation also applies based on the reciprocity theorem, where a parallel input beam 5 i , e.g. one of the output beams 5 o , reflected from an object and shining on the lens system 3, is focused at a point to be captured by one of the point emitters 6 1 to 6 n with a slight scattering determined by lens aberration and diffraction. For beam steering, the far-field beam angle α of the shaped, e.g. substantially collimated or focused, output beam 5 o depends on the position of the point emitter 6 1 to 6 n on the focal plane F relative to the longitudinal optical center axis OA of the lens system 3. The following equation applies to the beam angle α: α = arctan(d/f), where d is the distance from the center of the focal plane, ie the point at which the optical axis OA coincides with the focal plane F, and f is the focal length of the lens system 3. Therefore, a complete LIDAR system can be implemented by placing the optical emitter chip 2 of the point emitters 6 1 to 6 n on or near the focal plane F of the lens system 3 and then, with the aid of a control processor 20, selectively switching selected and unselected point emitters 6 1 to 6 n on and off, respectively, to direct the one or more output beams 5 o in the desired directions with the desired beam angles α. This method is fundamentally different from optical phase-controlled arrangements, since the relative optical phase between the emitters does not need to be controlled and only one point emitter 6 1 to 6 n is switched on at a time. Furthermore, a plurality of point emitters 6 1 to 6 n can be activated simultaneously or sequentially by the control processor 20 to emit a plurality of output beams 5 o pointing in different directions, ie with different beam angles α 1 to α n .

Der optische Emitter-Chip 2 kann Folgendes enthalten: ein Hauptsubstrat 7 zum Tragen einer Lichtwellenleiterstruktur, die eine optische Emitteranordnung 10 umfasst, die eine Vielzahl von Lichtwellenleiter-Kernen 8 umfasst, die von einer Ummantelung umgeben sind, wobei jeder Lichtwellenleiter-Kern 8 einen Hauptlichtwellenleiter-Kern umfasst, der mit einem der Punktemitter 61 bis 6n gekoppelt ist und an diesem endet. Idealerweise sind die Punktemitter 61 bis 6n in einer Anordnung von Punktemittern 61 bis 6n angeordnet, die eine Spalte (oder Reihe) von ausgerichteten Punktemittern 61 bis 6n umfasst. Vorzugsweise umfassen die Punktemitter 61 bis 6n Endfeuer-Verjüngungen 9. Der optische Emitter-Chip 2 kann die optische Lichtwellenleiter-Struktur enthalten, die eine oder mehrere Lichtwellenleiter-Schichten umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie die Lichtwellenleiter-Kerne 8 mit den an deren äußeren Enden gekoppelten Endfeuer-Verjüngungen 9 bilden, die alle von einer Ummantelung umgeben sind, d.h. einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex. Wie aus den 2A und 2B ersichtlich, kann die optische Emitteranordnung 10, die die Punktemitter 61 bis 6n, die Lichtwellenleiter-Kerne 8 und die Endfeuer-Verjüngungen 9 enthält, koplanar mit der optischen Achse OA des Linsensystems 3 sein. Die Lichtwellenleiter-Kerne 8 und die Endfeuer-Verjüngungen 9 können Silizium (Si) oder Siliziumnitrid (SiN) oder sowohl Si als auch SiN oder jedes andere geeignete Lichtwellenleiter-Kernmaterial umfassen. Die Lichtwellenleiter-Struktur kann auf dem Hauptsubstrat 7 montiert, z. B. darauf gewachsen werden, mit einer oberen und unteren Ummantelung 12 und 13, die die Lichtwellenleiter-Kerne 8 und die Endfeuer-Verjüngungen 9 umgeben. Die obere und untere Ummantelung 12 und 13 können aus einem Oxidmaterial bestehen, z. B. Siliziumdioxid (SiO2), z. B. 2-5 µm dick, und das Hauptsubstrat 7 kann aus Silizium, Quarz oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Mindestens einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können zwischen 25 µm und 400 µm lang sein und sich von der ursprünglichen Breite des Lichtwellenleiter-Kerns 8, z. B. zwischen 400 nm und 500 nm breit und zwischen 200 nm und 250 nm dick, auf eine Spitze mit einer Breite zwischen 100 nm und 400 nm und der ursprünglichen Dicke, z. B. zwischen 200 nm und 250 nm, beispielsweise um 25 % bis 75 %, vorzugsweise um etwa 50 %, verjüngen, obwohl die Dicke auch auf weniger als den Lichtwellenleiter-Kern 8 verjüngt werden kann, falls erforderlich. Vorzugsweise können die Enden der Endfeuer-Verjüngungen 9 symmetrisch sein, z. B. quadratisch (200 nm x 200 nm), um sicherzustellen, dass die TE- und TM-Modi an den Endfeuer-Verjüngungen im Wesentlichen die gleiche Größe haben. Zumindest einige der Endfeuer-Verjüngungen 9, z. B. der Punktemitter 65, können umgekehrte Verjüngungen umfassen, die sich, zumindest in der Breite, von den ursprünglichen Abmessungen, z. B. der Breite, des Lichtwellenleiter-Kerns 8 auf eine größere Breite ausdehnen, z. B. 2- bis 10-fach breiter oder auf eine Breite zwischen 1 µm und 4 µm. Auch die Dicke kann bei Bedarf vergrößert werden. Einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können sich in der Breite verschmälern und einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können sich in der Breite verbreitern. Einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können sich mehr oder weniger verengen als andere Endfeuer-Verjüngungen 9, und einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können sich mehr oder weniger verbreitern als die anderen Endfeuer-Verjüngungen 9.The optical emitter chip 2 may include: a main substrate 7 for supporting an optical waveguide structure comprising an optical emitter assembly 10 comprising a plurality of optical waveguide cores 8 surrounded by a cladding, each optical waveguide core 8 comprising a main optical waveguide core coupled to and terminating at one of the point emitters 6 1 to 6 n . Ideally, the point emitters 6 1 to 6 n are arranged in an array of point emitters 6 1 to 6 n comprising a column (or row) of aligned point emitters 6 1 to 6 n . Preferably, the point emitters 6 comprise 1 to 6 n end-fire tapers 9. The optical emitter chip 2 may include the optical waveguide structure comprising one or more optical waveguide layers configured to form the optical waveguide cores 8 with the end-fire tapers 9 coupled to their outer ends, all surrounded by a cladding, ie a material with a lower refractive index. As can be seen from the 2A and 2B , the optical emitter assembly 10 including the point emitters 6 1 to 6 n , the optical fiber cores 8 and the end-fire tapers 9 may be coplanar with the optical axis OA of the lens system 3. The optical fiber cores 8 and the end-fire tapers 9 may comprise silicon (Si) or silicon nitride (SiN), or both Si and SiN, or any other suitable optical fiber core material. The optical fiber structure may be mounted, e.g. grown, on the main substrate 7 with upper and lower cladding 12 and 13 surrounding the optical fiber cores 8 and the end-fire tapers 9. The upper and lower cladding 12 and 13 may be made of an oxide material, e.g. silicon dioxide (SiO 2 ), e.g. B. 2-5 µm thick, and the main substrate 7 may be made of silicon, quartz or other suitable material. At least some of the endfire tapers 9 may be between 25 µm and 400 µm long and taper from the original width of the optical fiber core 8, e.g. between 400 nm and 500 nm wide and between 200 nm and 250 nm thick, to a tip having a width between 100 nm and 400 nm and the original thickness, e.g. between 200 nm and 250 nm, for example by 25% to 75%, preferably by about 50%, although the thickness may also be tapered to less than the optical fiber core 8 if required. Preferably, the ends of the endfire tapers 9 may be symmetrical, e.g. B. square (200 nm x 200 nm) to ensure that the TE and TM modes at the endfire tapers are substantially the same size. At least some of the endfire tapers 9, e.g. the point emitter 6 5 , may comprise inverted tapers that expand, at least in width, from the original dimensions, e.g. the width, of the optical fiber core 8 to a larger width, e.g. 2 to 10 times wider or to a width between 1 µm and 4 µm. The thickness may also be increased if necessary. Some of the endfire tapers 9 may narrow in width and some of the endfire tapers 9 may widen in width. Some of the endfire tapers 9 may narrow more or less than other endfire tapers 9, and some of the endfire tapers 9 may widen more or less than the other endfire tapers 9.

Unter Bezugnahme auf die 3A bis 3D, kann ein kleiner Spalt g vorhanden sein, der das gleiche Material wie die Ummantelung umfasst zwischen dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 und dem Ende jeder Endfeuer-Verjüngung 9. Der Spalt g kann 0 nm bis zu 5 µm, vorzugsweise 500 nm bis 1 µm, betragen. Der Spalt g kann für einige oder alle Endfeuer-Verjüngungen 9 gleich oder unterschiedlich sein. Unter Bezugnahme auf 3B können einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 so konfiguriert sein, dass sie sich in einem spitzen Winkel zum Wellenleiter-Kern 8 und/oder einer Längsmittelachse des optischen Emitter-Chips 2 und/oder der optischen Achse OA des Linsensystems 3 erstrecken und enden. Mit anderen Worten, eine Längsachse der Endfeuer-Verjüngung 9 ist in einem spitzen Winkel relativ zu einer Längsachse des Wellenleiter-Kerns 8 und/oder der optischen Achse OA des Linsensystems 3 angeordnet. Auf diese Weise kann der Hauptstrahl des Lichts, das von der Endfeuer-Verjüngung 9 in Richtung des Linsensystems 3 emittiert wird oder das vom Linsensystem 3 auf die Endfeuer-Verjüngung 9 fokussiert wird, gegenüber der optischen Achse OA geneigt sein, d.h. das Linsensystem 3 muss nicht bildraumtelezentrisch sein. Eine solche Eigenschaft kann den Entwurf des Linsensystems 3 erheblich vereinfachen.With reference to the 3A to 3D , a small gap g comprising the same material as the cladding may be present between the edge of the optical emitter chip 2 and the end of each endfire taper 9. The gap g may be 0 nm up to 5 µm, preferably 500 nm to 1 µm. The gap g may be the same or different for some or all of the endfire tapers 9. With reference to 3B some of the end-fire tapers 9 may be configured to extend and terminate at an acute angle to the waveguide core 8 and/or a longitudinal central axis of the optical emitter chip 2 and/or the optical axis OA of the lens system 3. In other words, a longitudinal axis of the end-fire taper 9 is arranged at an acute angle relative to a longitudinal axis of the waveguide core 8 and/or the optical axis OA of the lens system 3. In this way, the main ray of light emitted from the end-fire taper 9 toward the lens system 3 or focused by the lens system 3 onto the end-fire taper 9 may be inclined relative to the optical axis OA, i.e. the lens system 3 does not have to be image space telecentric. Such a property can significantly simplify the design of the lens system 3.

Idealerweise sind einige oder alle Endfeuer-Verjüngungen 9 in einem spitzen Winkel angeordnet, so dass das von den Endfeuer-Verjüngungen 9 in den freien Raum emittierte Licht parallel zum entworfenen Hauptstrahlwinkel des Linsensystems 3 an der Lage in der Bildebene verläuft, die der Endfeuer-Verjüngung 9 entspricht. Einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können so konfiguriert sein, dass sie sich im Wesentlichen in Richtung der optischen Achse OA und/oder der Längsmittelachse des optischen Emitter-Chips 2, d.h. der optischen Emitteranordnung 10, erstrecken. Einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können sich in einem größeren spitzen Winkel erstrecken als andere Endfeuer-Verjüngungen 9. Vorzugsweise ist der spitze Winkel umso größer, je weiter entfernt von der optischen Achse OA des Linsensystems 3. Dementsprechend kann die Länge des Spalts g entlang der Anordnung der Endfeuer-Verjüngungen 9 variieren. Die Enden jeder Endfeuer-Verjüngung 9 können sich bis zum gleichen Abstand von dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 erstrecken, d.h. die gleiche Spaltlänge g, wobei jeder Punktemitter 61 bis 6n im Wesentlichen entlang oder in der Nähe einer geraden Brennebene F liegt. Dementsprechend können einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 eine andere Länge als andere Endfeuer-Verjüngungen 9 haben, und insbesondere sind die Endfeuer-Verjüngungen 9 an den äußeren Rändern des optischen Emitter-Chips 2 länger als die Endfeuer-Verjüngungen 9 in der Mitte des optischen Emitter-Chips 2, und/oder die Endfeuer-Verjüngungen 9 nehmen allmählich in ihrer Länge zu, beginnend mit kürzeren Endfeuer-Verjüngungen 9 in der Mitte des optischen Emitter-Chips 2, z.B. entlang der Längsmittelachse des optischen Emitter-Chips 2 und/oder der optischen Achse OA des Linsensystems 3, und endet an den äußeren Endfeuer-Verjüngungen 9 mit längeren Endfeuer-Verjüngungen 9. Alternativ können die Endfeuer-Verjüngungen 9 alle gleich lang sein, aber die Hauptlichtwellenleiter-Kerne 8 unterschiedlich lang sein, um die unterschiedlichen Spalte g zwischen den Endfeuer-Verjüngungen 9 und dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 auszugleichen. Die Lichtwellenleiter-Kerne 8 und die Endfeuer-Verjüngungen 9 können auch durch eine allmähliche Biegung anstelle eines scharfen Übergangs verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann die unterschiedliche Spaltlänge g durch unterschiedliche Radien oder Längen dieser allmählichen Biegungen aufgenommen werden. Die Enden der Endfeuer-Verjüngungen 9 können senkrecht zum Rand des optischen Emitter-Chips 2 und/oder senkrecht zur Längsmittelachse der Endfeuer-Verjüngung 9 verlaufen.Ideally, some or all of the endfire tapers 9 are arranged at an acute angle such that the light emitted from the endfire tapers 9 into free space is parallel to the designed chief ray angle of the lens system 3 at the location in the image plane corresponding to the endfire taper 9. Some of the endfire tapers 9 may be configured to extend substantially in the direction of the optical axis OA and/or the longitudinal central axis of the optical emitter chip 2, i.e. the optical emitter assembly 10. Some of the endfire tapers 9 may extend at a larger acute angle than other endfire tapers 9. Preferably, the acute angle is the larger the further away from the optical axis OA of the lens system 3. Accordingly, the length of the gap g may vary along the arrangement of the end-fire tapers 9. The ends of each end-fire taper 9 may extend to the same distance from the edge of the optical emitter chip 2, ie the same gap length g, with each point emitter 6 1 to 6 n lying substantially along or near a straight focal plane F. Accordingly, some of the end-fire tapers 9 may have a different length than other end-fire tapers 9, and in particular the end-fire tapers 9 at the outer edges of the optical emitter chip 2 are longer than the end-fire tapers 9 in the middle of the optical emitter chip 2, and/or the end-fire tapers 9 gradually increase in length, starting with shorter end-fire tapers 9 in the middle of the optical emitter chip 2, e.g. along the longitudinal central axis of the optical emitter chip 2 and/or the optical axis OA of the lens system 3, and ending at the outer end-fire tapers 9 with longer end-fire tapers 9. Alternatively, the end-fire tapers 9 may all be the same length, but the main optical waveguide cores 8 may be of different lengths to accommodate the different gaps g between the end-fire tapers 9 and the edge of the optical emitter chip 2. emitter chips 2. The optical fiber cores 8 and the end-fire tapers 9 may also be connected by a gradual bend instead of a sharp transition. In some embodiments, the different gap length g may be accommodated by different radii or lengths of these gradual bends. The ends of the end-fire tapers 9 may be perpendicular to the edge of the optical emitter chip 2 and/or perpendicular to the longitudinal center axis of the end-fire taper 9.

Unter Bezugnahme auf die 3C und 3D, können einige oder alle Endfeuer-Verjüngungen 9 so angeordnet sein, dass jeder Punktemitter 61 bis 6n im Wesentlichen entlang oder in der Nähe einer gekrümmten Brennebene F liegt, die der gekrümmten Brennebene F des Linsensystems 3 entspricht. Diese gekrümmte Brennebene F kann annähernd sphärisch sein, was einer von Null verschiedenen Petzvalsumme des Linsensystems 3 entspricht, oder sie kann asphärisch sein. Das Linsensystem 3 und die Form der Brennebene F können optimalerweise gemeinsam so entworfen werden, dass die Krümmung der Brennebene F dazu beiträgt, optische Aberrationen im Linsensystem 3 zu verringern oder dessen Entwurf zu vereinfachen, um beispielsweise zu ermöglichen, dass das Linsensystem 3 weniger Elemente umfasst.With reference to the 3C and 3D , some or all of the endfire tapers 9 may be arranged such that each point emitter 6 1 to 6 n lies substantially along or near a curved focal plane F corresponding to the curved focal plane F of the lens system 3. This curved focal plane F may be approximately spherical, corresponding to a non-zero Petzval sum of the lens system 3, or it may be aspherical. The lens system 3 and the shape of the focal plane F may optimally be designed together such that the curvature of the focal plane F helps to reduce optical aberrations in the lens system 3 or to simplify its design, for example to enable the lens system 3 to comprise fewer elements.

Unter Bezugnahme auf 3D, kann der Rand des optischen Emitter-Chips 2 weiter nach unten geätzt werden, um einen Graben 15 zu bilden, dessen im Wesentlichen gekrümmter Rand im Wesentlichen entlang oder parallel zu der gekrümmten Brennebene F verlaufen kann, wobei die Endfeuer-Verjüngungen 9 in der Nähe des Randes des gekrümmten Grabens 15 enden, z. B. mit dem Spalt g dazwischen. Die Enden jeder Endfeuer-Verjüngung 9 können sich bis zu einem gleichen Abstand von dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 erstrecken, d.h. die gleiche Spaltlänge g, wobei jeder Punktemitter 61 bis 6n im Wesentlichen entlang oder in der Nähe der gekrümmten Brennebene F liegt. Der Graben 15 kann, bei Bedarf, auch vollständig durch die obere Ummantelung 12 und die untere Ummantelung13 und gegebenenfalls das Substrat 7 weggeätzt werden, um zu vermeiden, dass das aus den Endfeuer-Verjüngungen 9 austretende Licht auf die untere Oberfläche des Grabens 15 trifft, z. B. wenn die Krümmung des Grabens 15 eine große Sagitta aufweist. Alternativ kann der Graben 15 teilweise geätzt und das Substrat 7 von der Rückseite her ausgedünnt werden, bis in dem durch den Graben 15 definierten Bereich kein Material mehr übrig bleibt. Für ausreichend kleine Sagittas kann ein teilweises Ätzen des Grabens 15 ausreichend sein. Die Enden der Endfeuer-Verjüngungen 9, d.h. ihre Längsmittelachse, können im Wesentlichen senkrecht oder in einem spitzen Winkel zur Tangente des Randes des Grabens 15 gelenkt werden. Der Rand des Grabens 15 kann gekrümmt sein, z. B. kolinear oder parallel zu der gekrümmten Brennebene F, oder kann eine Reihe von Stufen enthalten, z. B. eine Stufe für jeden Punktemitter 61 bis 6n. Dementsprechend kann der Spalt g des Ummantelung-Materials, d.h. zwischen dem Ende der Endfeuer-Verjüngung 9 und dem gekrümmten Graben 15, für jede Endfeuer-Verjüngung 9 wiederum im Wesentlichen die gleiche Länge des Ummantelung-Materials aufweisen. With reference to 3D , the edge of the optical emitter chip 2 may be etched further downwards to form a trench 15, the substantially curved edge of which may extend substantially along or parallel to the curved focal plane F, with the end-fire tapers 9 terminating near the edge of the curved trench 15, e.g. with the gap g therebetween. The ends of each end-fire taper 9 may extend to an equal distance from the edge of the optical emitter chip 2, e.g. the same gap length g, with each point emitter 6 1 to 6 n lying substantially along or near the curved focal plane F. The trench 15 may, if required, also be etched away completely through the upper cladding 12 and the lower cladding 13 and optionally the substrate 7 in order to avoid that the light emerging from the end-fire tapers 9 hits the lower surface of the trench 15, e.g. when the curvature of the trench 15 has a large sagitta. Alternatively, the trench 15 may be partially etched and the substrate 7 thinned from the back until no material remains in the area defined by the trench 15. For sufficiently small sagittas, partial etching of the trench 15 may be sufficient. The ends of the end-fire tapers 9, i.e. their longitudinal central axis, may be directed substantially perpendicular or at an acute angle to the tangent of the edge of the trench 15. The edge of the trench 15 may be curved, e.g. B. colinear or parallel to the curved focal plane F, or may include a series of steps, e.g. one step for each point emitter 6 1 to 6 n . Accordingly, the gap g of the cladding material, ie between the end of the end-fire taper 9 and the curved trench 15, may again have substantially the same length of cladding material for each end-fire taper 9.

Unter Bezugnahme auf die 3A bis 3D, die einen Ausschnitt der optischen Emitteranordnung 10 auf dem optischen Emitter-Chip 2 zeigen, können die Positionen der Punktemitter 61 bis 6n entlang der Richtung senkrecht zur optischen Achse OA oder dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 regelmäßig, d.h. in gleichem Abstand zueinander, oder unregelmäßig, d.h. in unterschiedlichen Abständen zueinander, angeordnet sein. Die Position der Punktemitter 61 bis 6n in Bezug auf die optische Achse OA bestimmt in Verbindung mit dem Entwurf, d.h. der Brennweite, des Linsensystems 3 den Strahlwinkel α des Ausgangsstrahls 5o, der das Linsensystem 3 verlässt und in den freien Raum gelangt. In einigen Ausführungsformen können die Punktemitter 61 bis 6n, d.h. die Endfeuer-Verjüngungen 9, absichtlich unregelmäßig beabstandet sein, um eine ungleichförmige Familie von Winkeln mit den Ausgangsstrahlen 5o anzugehen. In einigen Ausführungsformen kann das Linsensystem 3 Verzerrungen aufweisen, so dass eine regelmäßige Beabstandung der Punktemitter 61 bis 6n einen unregelmäßigen Winkelabstand der Ausgangsstrahlen 5o erzeugen kann. Um solche Verzerrungen zu kompensieren, kann die Beabstandung der Punktemitter 61 bis 6n, d.h. der Endfeuer-Verjüngungen 9, variiert und in der entgegengesetzten Richtung unregelmäßig gemacht werden, so dass die Winkelbeabstandung beim Verlassen des Linsensystems 3 im Wesentlichen einheitlich ist.With reference to the 3A to 3D , which show a section of the optical emitter arrangement 10 on the optical emitter chip 2, the positions of the point emitters 6 1 to 6 n along the direction perpendicular to the optical axis OA or the edge of the optical emitter chip 2 can be arranged regularly, i.e. at the same distance from each other, or irregularly, i.e. at different distances from each other. The position of the point emitters 6 1 to 6 n with respect to the optical axis OA, in conjunction with the design, i.e. the focal length, of the lens system 3, determines the beam angle α of the output beam 5 o leaving the lens system 3 and entering free space. In some embodiments, the point emitters 6 1 to 6 n , i.e. the endfire tapers 9, can be intentionally irregularly spaced to address a non-uniform family of angles with the output beams 5 o . In some embodiments, the lens system 3 may have distortions so that a regular spacing of the point emitters 6 1 to 6 n may produce an irregular angular spacing of the output beams 5 o . To compensate for such distortions, the spacing of the point emitters 6 1 to 6 n , i.e. the end-fire tapers 9, can be varied and made irregular in the opposite direction so that the angular spacing when leaving the lens system 3 is substantially uniform.

Eine oder mehrere der oben beschriebenen Änderungen an den Endfeuer-Verjüngungen 9 und dem Facettenentwurf können in einer einzigen Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere ein Layout der Punktemitter 61 bis 6n, das eine Krümmung der Brennebene, einen beliebigen Hauptstrahlwinkel und eine korrigierte Verzerrung zulässt, entlastet die Beschränkungen des Entwurfs des Linsensystems 3 erheblich und kann es ermöglichen, es aus einem einzigen Element zu bauen, selbst bei niedriger Blendenzahl.One or more of the above-described changes to the endfire tapers 9 and the facet design may be combined in a single embodiment. In particular, a layout of the point emitters 6 1 to 6 n that allows for focal plane curvature, arbitrary chief ray angle, and corrected distortion significantly relieves the design constraints of the lens system 3 and may allow it to be built from a single element, even at low f-numbers.

4 zeigt einen Querschnitt des optischen Emitter-Chips 2, d.h. zeigt einen der Punktemitter 6n in der optischen Emitteranordnung 10. Die Anordnung der Punktemitter 61 bis 6n kann einige oder alle Lichtwellenleiter-Kerne 8 enthalten, die aus einer oder zwei Lichtwellenleiter-Schichten bestehen, die so konfiguriert sind, dass sie jeweils einzelne oder zweischichtige Lichtwellenleiter-Kerne 8 oder 8' und einzelne oder zweischichtige Endfeuer-Verjüngungen 9 oder 9' bilden. Das Aufnehmen einer zweiten Schicht aus Lichtwellenleiter-Kernmaterial ermöglicht die Entwicklung von Modusprofilen, die auch eine Änderung der NA der Punktemitter 61 - 6n ermöglichen, d.h. das Starten von Licht in einen gekoppelten Modus mit einer breitere Modenspreizung führt zu einer kleineren NA. Die zweischichtigen Lichtwellenleiter-Kerne 8' und die zweischichtigen Endfeuer-Verjüngungen 9' können aus zwei ähnlichen Lichtwellenleiter-Kernmaterialien mit ähnlichen Brechungsindizes bestehen, z. B. beide Silizium (Si) oder beide Siliziumnitrid (SiN), oder aus zwei verschiedenen Lichtwellenleiter-Kernmaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wie z. B. einem ersten Brechungsindex, z. B. Si, größer als ein zweiter Brechungsindex, z. B. SiN, oder aus jedem anderen geeigneten Lichtwellenleiter-Kernmaterial. Die optischen Lichtwellenleiter-Kerne 8 oder 8' können auf dem Hauptsubstrat 7 montiert, z. B. darauf gewachsen, sein, wobei die obere und untere Ummantelung 12 und 13 die beiden Lichtwellenleiter-Kerne 8' und die Endfeuer-Verjüngungen 9' umgeben und zwischen ihnen liegen. Die obere und untere Ummantelung 12 und 13 können aus einem Oxidmaterial bestehen, wie z.B. Siliziumdioxid (SiO2), z.B. etwa 2-4 µm dick, vorzugsweise etwa 3 µm dick, und das Hauptsubstrat 7 kann aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material bestehen. 4 shows a cross-section of the optical emitter chip 2, i.e. shows one of the point emitters 6 n in the optical emitter array 10. The array of point emitters 6 1 - 6 n may include some or all of the optical fiber cores 8 consisting of one or two optical fiber layers configured to form single or dual layer optical fiber cores 8 or 8' and single or dual layer endfire tapers 9 or 9', respectively. Incorporating a second layer of optical fiber core material allows the development of mode profiles that also allow for changing the NA of the point emitters 6 1 - 6 n , i.e. launching light into a coupled mode with a wider mode spread results in a smaller NA. The two-layer optical fiber cores 8' and the two-layer end-fire tapers 9' may be made of two similar optical fiber core materials with similar refractive indices, e.g. both silicon (Si) or both silicon nitride (SiN), or of two different optical fiber core materials with different refractive indices, such as a first refractive index, e.g. Si, greater than a second refractive index, e.g. SiN, or of any other suitable optical fiber core material. The optical fiber cores 8 or 8' may be mounted, e.g. grown on, the main substrate 7, with the upper and lower claddings 12 and 13 surrounding and sandwiching the two optical fiber cores 8' and the end-fire tapers 9'. The upper and lower claddings 12 and 13 may be made of an oxide material such as silicon dioxide (SiO 2 ), eg about 2-4 µm thick, preferably about 3 µm thick, and the main substrate 7 may be made of silicon or another suitable material.

Unter Bezugnahme auf die 5 und 6, kann zur weiteren Verringerung der NA der Punktemitter 61 bis 6n eine aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 vorgesehen werden, die optisch mit dem Ende einiger oder aller Endfeuer-Verjüngungen 9 oder 9' gekoppelt ist. Die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 kann aus dem Ummantelungs-Material, z. B. SiO2, bestehen, das jetzt den Lichtwellenleiter-Kern bildet und von einer Tasche aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex, umgeben sein, z.B. Luft, die die Ummantelung bildet. Die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 kann über dem Hauptsubstrat 7 aufgehängt werden, indem ein oder mehrere der Substratmaterialien vom Hauptsubstrat 7 und/oder das Ummantelungs-Material von der oberen und unteren Ummantelung 12 und 13 unter und/oder um die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 herum entfernt werden, so dass eine Tasche oder Kammer 51 um die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 herum entsteht. Dementsprechend kann die NA für die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50/Endfeuer-Verjüngungen 9 oder 9' auf weniger als etwa 0.25, vorzugsweise weniger als etwa 0.2, reduziert werden. Die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 kann sich etwa 2 µm bis 50 µm in die Kammer 51 hinein erstrecken, während sich die Endfeuer-Verjüngung 9 oder 9' etwas in die Kammer 51 hinein erstrecken kann, aber weniger als die gesamte Länge der aufgehängten Lichtwellenleiter-Struktur 50. Die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 kann eine Dicke, z.B. etwa 6 µm bis 8 µm, haben, gleich der gesamten optischen Emitteranordnung 10, oder kann durch die lokale Entfernung eines Teils der oberen Ummantelung 12 dünner als die optische Emitteranordnung 10 gemacht werden. Die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 kann eine konstante Breite haben, die etwa gleich der Dicke ist, z. B. etwa 6 µm bis 8 µm. Die aufgehängte Lichtwellenleiter-Struktur 50 kann sich verjüngende Seiten- und/oder obere- und/oder untere-Wände enthalten, d.h. sich in der Breite und/oder der Höhe zum äußeren freien Ende hin verjüngen (gestrichelte Linien), oder sie kann sich umgekehrt verjüngende Seiten- und/oder obere- und/oder untere-Wände enthalten, d.h. sich in der Breite und/oder der Höhe zum äußeren freien Ende hin, d.h. entlang einer Lichtübertragungsrichtung, verbreitern. Idealerweise befindet sich die Endfeuer-Verjüngung 9 oder 9' sowohl vertikal als auch horizontal in der Mitte der Wellenleiter-Struktur 50.With reference to the 5 and 6 , to further reduce the NA of the point emitters 6 1 to 6 n , a suspended optical fiber structure 50 may be provided which is optically coupled to the end of some or all of the endfire tapers 9 or 9'. The suspended optical fiber structure 50 may consist of the cladding material, e.g. SiO 2 , which now forms the optical fiber core, and surrounded by a pocket of a material with a lower refractive index, e.g. air, which forms the cladding. The suspended optical fiber structure 50 may be suspended above the main substrate 7 by removing one or more of the substrate materials from the main substrate 7 and/or the cladding material from the upper and lower claddings 12 and 13 below and/or around the suspended optical fiber structure 50 so as to form a pocket or chamber 51 around the suspended optical fiber structure 50. Accordingly, the NA for the suspended optical fiber structure 50/endfire tapers 9 or 9' can be reduced to less than about 0.25, preferably less than about 0.2. The suspended optical fiber structure 50 can extend about 2 µm to 50 µm into the chamber 51, while the endfire taper 9 or 9' can extend slightly into the chamber 51, but less than the entire length of the suspended optical fiber structure 50. The suspended optical fiber structure 50 can have a thickness, e.g., about 6 µm to 8 µm, equal to the entire optical emitter assembly 10, or can be made thinner than the optical emitter assembly 10 by the local removal of a portion of the top cladding 12. The suspended optical fiber structure 50 can have a constant width approximately equal to the thickness, e.g., about 1 µm to 2 µm. B. about 6 µm to 8 µm. The suspended optical waveguide structure 50 may include tapered side and/or top and/or bottom walls, ie, taper in width and/or height towards the outer free end (dashed lines), or it may include conversely tapered side and/or top and/or bottom walls, ie, widen in width and/or height towards the outer free end, ie, along a light transmission direction. Ideally, the endfire taper 9 or 9' is located both vertically and horizontally in the middle of the waveguide structure 50.

Das Linsensystem 3 kann bei Bedarf eine Vielzahl an Linsenelementen umfassen. Der größte Teil des Entwurfs des Linsensystems 3 ist ein Kompromiss zwischen der Blendenzahl, dem Sichtfeld und der Blendengröße. Es kann jedoch einige Entwurf-Prioritäten geben: z. B. a) ein telezentrisches Design für die Bildebene zu haben, bei dem die Hauptstrahlen von den Punktemittern 61 bis 6n alle parallel zur optischen Achse OA im Bildraum verlaufen, b) das Erreichen der Beugungsgrenze im gesamten Sichtfeld und c) die numerische Apertur (NA) im Bildraum des Linsensystems 3 entspricht im Wesentlichen oder übertrifft die NA der Punktemitter 61 bis 6n. Die Minimierung der Auswirkung von Krümmungsaberrationen der Linsen ermöglicht die geringste Streuung der Ausgangsstrahlen 5o und die bestmögliche Fokussierung der empfangenden Eingangsstrahlen 5i. Die Punktemitter 61 bis 6n emittieren vorzugsweise Ausgangsstrahlen 5o in einem Strahlwinkel, der vom Linsensystem 3 vollständig erfasst und übertragen werden kann. Zum Beispiel, wenn die NA eines oder mehrerer der Punktemitter 61 bis 6n größer ist als die Bildraum-NA des Linsensystems 3, dann wird ein Teil des von den Punktemittern 61 bis 6n emittierten Lichts nicht durch das Linsensystem 3 übertragen und daher als Verlust gewertet.The lens system 3 may comprise a variety of lens elements if required. Most of the design of the lens system 3 is a compromise between the f-number, the field of view and the aperture size. However, there may be some design priorities: e.g. a) having a telecentric design for the image plane where the chief rays from the point emitters 6 1 to 6 n are all parallel to the optical axis OA in the image space, b) achieving the diffraction limit in the entire field of view and c) the numerical aperture (NA) in the image space of the lens system 3 substantially equals or exceeds the NA the point emitters 6 1 to 6 n . Minimizing the effect of curvature aberrations of the lenses enables the least scattering of the output beams 5 o and the best possible focusing of the received input beams 5 i . The point emitters 6 1 to 6 n preferably emit output beams 5 o at a beam angle that can be fully captured and transmitted by the lens system 3. For example, if the NA of one or more of the point emitters 6 1 to 6 n is greater than the image space NA of the lens system 3, then part of the light emitted by the point emitters 6 1 to 6 n is not transmitted through the lens system 3 and is therefore counted as a loss.

Die optische Vorrichtung 1 kann auch mindestens eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Anordnung von Lichtquellen, und mindestens einen Photodetektor, vorzugsweise eine Anordnung von Photodetektoren, enthalten, die optisch mit einem oder mehreren entsprechenden Punktemittern 61 bis 62 im optischen Emitter-Chip 2 gekoppelt sind. Vorzugsweise umfasst die Anordnung von Lichtquellen und die Anordnung von Lichtdetektoren eine Anordnung von Transceivern 111 bis 11n. Jeder Transceiver 111 bis 11n kann eine Lichtquelle, z.B. einen Laser, umfassen, der mindestens einen der Ausgangsstrahlen 5o erzeugt, und einen oder mehrere Photodetektoren, die mindestens einen der Eingangsstrahlen 5i detektieren. Das selektive Senden und Empfangen von Licht zu und von den Punktemittern 61 bis 6n kann durch eine Schaltmatrix 16 zwischen den Transceivern 111 bis 11n und den Punktemittern 61 bis 6n erfolgen. Dementsprechend, um einen gewünschten Punktemitter 61 bis 6n auszuwählen, der einem gewünschten Strahlwinkel α entspricht, kann der Steuerungsprozessor 20 eine oder mehrere der Lichtquellen in einem der Transceiver 111 bis 11n, die einem oder mehreren der Punktemitter 61 bis 6n in dieser Reihe oder Spalte entsprechen, durch Ein- und/oder Ausschalten verschiedener Schalter 14 in der Schaltmatrix 16 auswählen. Zum Beispiel, bei vier Punktemittern 61 bis 64 (m=4) in der Reihe oder Spalte von Punktemittern 61 bis 6n, die mit dem ersten Transceiver 111 verbunden sind, kann die Schaltmatrix 16 einen einzigen Eingangsanschluss aufweisen, der den ersten Transceiver 111 optisch mit einem ersten Schalterbaum koppelt, der (m-1=3) Schalter 14 umfasst, z.B. 2x2 On-Chip-Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), die selektiv durch den Steuerungsprozessor 20 aktiviert werden können, um den Ausgangsstrahl 5o an einen gewünschten Ausgangsanschluss auszugeben. Eine beliebige Anzahl von Verzweigungen und Schaltern 14 im ersten Schaltbaum, einschließlich der direkten Kopplung von jedem Transceiver 111 zu jedem Punktemitter 61 bis 6n, ist möglich. Eine Vielzahl an Lichtwellenleitern-Kernen 8 erstreckt sich parallel zueinander zwischen den Ausgangsanschlüssen der Schaltmatrix 16 und den Punktemittern 61 bis 6n. Idealerweise beträgt der Abstand (eng.: pitch) der Punktemitter 61 bis 6n im optischen Emitter-Chip 2 5 µm bis 1000 µm oder basiert auf der Brennweite f, der Größe L der optischen Emitteranordnung 10 und der vom LIDAR-System geforderten Winkelauflösung: Abstand = Aufl o ¨ sung / ( 2 arctan ( L / 2 f ) ) * L

Figure DE112023000936T5_0001
The optical device 1 may also include at least one light source, preferably an array of light sources, and at least one photodetector, preferably an array of photodetectors, optically coupled to one or more corresponding point emitters 6 1 to 6 2 in the optical emitter chip 2. Preferably, the array of light sources and the array of light detectors comprise an array of transceivers 11 1 to 11 n . Each transceiver 11 1 to 11 n may comprise a light source, e.g. a laser, that generates at least one of the output beams 5 o , and one or more photodetectors that detect at least one of the input beams 5 i . The selective transmission and reception of light to and from the point emitters 6 1 to 6 n may be accomplished by a switching matrix 16 between the transceivers 11 1 to 11 n and the point emitters 6 1 to 6 n . Accordingly, to select a desired point emitter 6 1 to 6 n corresponding to a desired beam angle α, the control processor 20 may select one or more of the light sources in one of the transceivers 11 1 to 11 n corresponding to one or more of the point emitters 6 1 to 6 n in that row or column by turning on and/or off various switches 14 in the switch matrix 16. For example, with four point emitters 6 1 to 6 4 (m=4) in the row or column of point emitters 6 1 to 6 n connected to the first transceiver 11 1 , the switch matrix 16 may have a single input port optically coupling the first transceiver 11 1 to a first switch tree comprising (m-1=3) switches 14, e.g. 2x2 on-chip Mach-Zehnder interferometers (MZI), which can be selectively activated by the control processor 20 to output the output beam 5 o to a desired output port. Any number of branches and switches 14 in the first switch tree, including direct coupling of each transceiver 11 1 to each point emitter 6 1 to 6 n , is possible. A plurality of optical fiber cores 8 extend parallel to each other between the output terminals of the switching matrix 16 and the point emitters 6 1 to 6 n . Ideally, the pitch of the point emitters 6 1 to 6 n in the optical emitter chip 2 is 5 µm to 1000 µm or is based on the focal length f, the size L of the optical emitter arrangement 10 and the angular resolution required by the LIDAR system: Abstand = Aufl o ¨ sung / ( 2 arctan ( L / 2 f ) ) * L
Figure DE112023000936T5_0001

Ebenso wird, wenn einer der ankommenden Strahlen 5i an demselben Punktemitter 61 bis 6n empfangen wird, der ankommende Strahl 5i in umgekehrter Richtung über den entsprechenden optischen Lichtwellenleiter-Kern 8 zur Schaltmatrix 16 zurück zum entsprechenden Photodetektor im entsprechenden Transceiver 111 bis 11n übertragen.Likewise, when one of the incoming beams 5 i is received at the same point emitter 6 1 to 6 n , the incoming beam 5 i is transmitted in the reverse direction via the corresponding optical fiber core 8 to the switching matrix 16 back to the corresponding photodetector in the corresponding transceiver 11 1 to 11 n .

Der optische Emitter-Chip 2 kann einen oder mehrere der n optischen Transceiver 111 bis 110, die Schaltmatrix 16 und die Anordnung der Punktemitter 61 bis 6n umfassen; irgendein oder mehrere der n optischen Transceiver 111 bis 11n und die Schaltmatrix 16 können sich jedoch auf separaten Chips befinden. In jedem Fall wird der Laserausgang von einem der optischen Transceiver 111 bis 11n zu eine spezifischen Endfeuer-Verjüngung 9 geleitet, die in der Nähe des Randes des optischen Emitters Chips 2 endet. Jeder Punktemitter 61 bis 6n, d.h. jede Endfeuer-Verjüngung 9, ist so konfiguriert, dass sie einen Ausgangsstrahl 5o aus dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 emittiert, woraufhin sich jeder Ausgangsstrahl 5o ausdehnt und auf das Linsensystem 3 hin gelenkt wird. Der Rand des optischen Emitter-Chips 2 ist auf oder nahe der Brennebene F des Linsensystems 3 ausgerichtet, daher werden die Ausgangsstrahlen 5o, die sich aus der Endfeuer-Verjüngung 9 ausbreiten, durch das Linsensystem 3 geformt, z. B. kollimiert, und dann in das Fernfeld emittiert. Der Fernfeldwinkel der Ausgangsstrahlen 5o hängt von der Lage des Punktemitters 61 bis 6n relativ zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 ab, so dass eine eindimensionale Abtastung der Strahlen bereitgestellt wird durch selektives Einschalten jedes Punktemitters oder mehrerer Punktemitter zur gleichen Zeit, z. B. in Abhängigkeit von der Anzahl der optischen Transceiver 111 bis 11n.The optical emitter chip 2 may comprise one or more of the n optical transceivers 11 1 to 11 0 , the switching matrix 16 and the array of point emitters 6 1 to 6 n ; however, any or more of the n optical transceivers 11 1 to 11 n and the switching matrix 16 may be on separate chips. In any case, the laser output from one of the optical transceivers 11 1 to 11 n is directed to a specific end-fire taper 9 terminating near the edge of the optical emitter chip 2. Each point emitter 6 1 to 6 n , i.e. each end-fire taper 9, is configured to emit an output beam 5 o from the edge of the optical emitter chip 2, whereupon each output beam 5 o expands and is directed towards the lens system 3. The edge of the optical emitter chip 2 is aligned at or near the focal plane F of the lens system 3, hence the output beams 5 o propagating from the end-fire taper 9 are shaped, e.g. collimated, by the lens system 3 and then emitted into the far field. The far field angle of the output beams 5 o depends on the location of the point emitter 6 1 to 6 n relative to the optical axis OA of the lens system 3, so that a one-dimensional scanning of the beams is provided by selectively turning on each point emitter or several point emitters at the same time, e.g. depending on the number of optical transceivers 11 1 to 11 n .

Die zweite Achse der Abtastung wird durch den rotierenden Spiegel 4 bereitgestellt. Der aus dem Linsensystem 3 austretende Ausgangsstrahl 5o trifft eine der reflektierenden Oberflächen oder Facetten des rotierenden Spiegels 4 und wird zur Objektdetektion in das Fernfeld umgelenkt. Der Eingangsstrahl 5i, der dem vom Objekt reflektierten Ausgangsstrahl 5o entspricht, kann über dieselbe reflektierende Oberfläche und das Linsensystem 3 zum ursprünglichen Punktemitter 61 bis 6n zurückkehren, um von dem entsprechenden Photodetektor erfasst zu werden, bevor der rotierende Spiegel 4 außer Reichweite rotiert, d.h. so weit rotiert, dass es nicht möglich ist, dass der entsprechende Eingangsstrahl 5i innerhalb einer Umlaufzeit, z. B. 0.5 ns bis 5 µs für ein 7.5 cm bis 750 m entferntes Objekt, im Wesentlichen zum gleichen ursprünglichen Punkemitter 61 bis 6n wie der Ausgangsstrahl 5o zurückzulenken. Normalerweise wird ein Ausgangsstrahl 5o von einer der Lichtquellen alle 2 µs bis 1000 µs ausgeschossen. Mit anderen Worten: die optische Vorrichtung 1 zirpt mit etwa 1 kHz bis 500 kHz, d.h. der Ausgangsstrahl 5o (kontinuierlich oder gepulst) wird alle 2 µs bis 1 ms ausgeschossen.The second axis of scanning is provided by the rotating mirror 4. The output beam 5 o emerging from the lens system 3 strikes one of the reflecting surfaces or facets of the rotating mirror 4 and is redirected into the far field for object detection. The input beam 5 i , which corresponds to the output beam 5 o reflected from the object, can return via the same reflecting surface and the lens system 3 to the original point emitter 6 1 to 6 n to be reflected from the corresponding to be detected by the photodetector before the rotating mirror 4 rotates out of range, i.e. rotates so far that it is not possible for the corresponding input beam 5 i to be directed back to substantially the same original point emitter 6 1 to 6 n as the output beam 5 o within one round trip time, e.g. 0.5 ns to 5 µs for an object 7.5 cm to 750 m away. Typically, an output beam 5 o from one of the light sources is fired every 2 µs to 1000 µs. In other words, the optical device 1 chirps at about 1 kHz to 500 kHz, i.e. the output beam 5 o (continuous or pulsed) is fired every 2 µs to 1 ms.

Für jede Umlaufperiode können einige oder alle der Punktemitter 61 bis 6n einen Ausgangsstrahl 5o aussenden, dabei eine Vielzahl von Strahlen in derselben Detektionsebene bilden, jedoch bei unterschiedlichen Strahlwinkeln α, die einen Winkeldetektionsbereich, z. B. 10° bis 90°, abdecken. Jede Lichtquelle, z. B. jeder Transceiver 111 bis 11m, kann einen Lichtstrahl aussenden, der in Teilstrahlen, z. B. 2-8 Teilstrahlen, aufgeteilt werden kann, durch die Schaltmatrix 16, d.h. wenn alle Schalter 14 ausgeschaltet sind oder ganz weggelassen werden, und Licht zu jedem Wellenleiter-Kern 8 übertragen wird, die dann gleichzeitig von den Punktemittern 61 bis 6n übertragen werden.For each orbital period, some or all of the point emitters 6 1 to 6 n may emit an output beam 5 o , forming a plurality of beams in the same detection plane but at different beam angles α covering an angular detection range, e.g. 10° to 90°. Each light source, e.g. each transceiver 11 1 to 11 m , may emit a light beam which may be split into sub-beams, e.g. 2-8 sub-beams, by the switching matrix 16, ie when all switches 14 are turned off or omitted entirely, and light is transmitted to each waveguide core 8 which are then simultaneously transmitted by the point emitters 6 1 to 6 n .

Um die Anzahl der erforderlichen Lichtquellen und Photodetektoren zu verringern und gleichzeitig eine maximale oder gewünschte optische Schwellenleistung beizubehalten, kann der Steuerungsprozessor 20 auch durch eine Gruppe der Punktemittern, z. B. 61 bis 64, durchlaufen die optisch mit einem der Transceiver, z. B. dem Transceiver 111, gekoppelt sind, indem ausgewählte Schalter 14 ein- und ausgeschaltet werden, um nacheinander einen anderen Ausgangsstrahl 5o an jeden der Punktemitter, z. B. 61 bis 64, in der Gruppe zu übertragen. Einige oder alle Lichtquellen, z. B. einige oder alle Transceiver 111 bis 11m, können mit einer anderen Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 optisch gekoppelt sein, wodurch eine erste Teilmenge von Ausgangsstrahlen 5o gleichzeitig miteinander übertragen werden kann, d.h. ein Ausgangsstrahl 5o von jeder Lichtquelle, der über eine der Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 übertragen wird, die mit ihr gekoppelt sind. Unter der Steuerung des Steuerungsprozessors 20 durchläuft dann jede Lichtquelle nacheinander jeden der Wellenleiter-Kerne 8 in der entsprechenden Gruppe der damit gekoppelten Wellenleiter-Kerne 8, wobei sie mindestens eine einzige Umlaufperiode zu jedem Emitter, z. B. 6i - 64, geschalten ist. Die Umlaufperiode sollte mindestens so lang sein wie die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Lichtquelle des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zum Ziel und zurück zum Photodetektor des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zu gelangen. Dementsprechend kann nur ein Teil der Gesamtzahl der Ausgangsstrahlen 5o (und der Eingangsstrahlen 5i), die den gesamten Bereich der Strahlwinkel α abdecken, auf einmal übertragen werden. Der Steuerungsprozessor 20 kann die Lichtquellen, die Schaltmatrix 16, eine Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 und die Photodetektoren koordinieren, um jeden Ausgangsstrahl 5o und jeden Eingangsstrahl 5i nacheinander über die erste Schaltmatrix 16 und die Vielzahl an ersten Punktemittern 6i - 6n zu senden und zu empfangen.To reduce the number of light sources and photodetectors required while maintaining a maximum or desired optical threshold power, the control processor 20 may also cycle through a group of the point emitters, e.g., 6 1 through 6 4 , that are optically coupled to one of the transceivers, e.g., transceiver 11 1 , by turning selected switches 14 on and off to sequentially transmit a different output beam 5 o to each of the point emitters, e.g., 6 1 through 6 4 , in the group. Some or all of the light sources, e.g., 6 1 through 6 4 , may be switched on or off. B. some or all of the transceivers 11 1 to 11 m , may be optically coupled to another group of waveguide cores 8, whereby a first subset of output beams 5 o can be transmitted simultaneously with one another, i.e., one output beam 5 o from each light source transmitted via one of the group of waveguide cores 8 coupled to it. Under the control of the control processor 20, each light source then sequentially passes through each of the waveguide cores 8 in the corresponding group of waveguide cores 8 coupled thereto, being switched to each emitter, e.g., 6 i - 6 4 , for at least a single round trip period. The round trip period should be at least as long as the time it takes for the light to travel from the point emitter light source, e.g., 6 1 to 6 4 , to the target and back to the point emitter photodetector, e.g., 6 1 to 6 4 . Accordingly, only a portion of the total number of output beams 5 o (and input beams 5 i ) covering the entire range of beam angles α can be transmitted at one time. The control processor 20 can coordinate the light sources, the switching matrix 16, an angular position of the rotating mirror 4, and the photodetectors to transmit and receive each output beam 5 o and each input beam 5 i sequentially via the first switching matrix 16 and the plurality of first point emitters 6 i - 6 n .

Während der rotierende Spiegel 4 rotiert, können dann ein oder mehrere Ausgangsstrahlen 5o über einen vorbestimmten Abtastbereich, z. B. einen Winkel, abgetastet, d.h. rotiert werden, abhängig von der Anzahl der Facetten und der Größe der Facetten auf dem rotierenden Spiegel 4. Es gibt Winkelbereiche, für die die Ausgangsstrahlen 5o (und Eingangsstrahlen 5i), die auf eine der Facetten des rotierenden Spiegels 4 fallen, nicht an den Rändern abgeschnitten werden, und der gesamte optische Abtastbereich ist doppelt so groß wie dieser Winkelbereich. Das Tastverhältnis kann als der Prozentsatz des vollen Rotationszyklus definiert werden, bei dem die Ausgangs- und Eingangsstrahlen 5o und 5i vollständig auf eine Facette des rotierenden Spiegels 4 fallen, ohne dass sie abgeschnitten werden. Beispielsweise bieten vier Facetten mit einer quadratischen Fläche von 30 × 30 mm einen Abtastbereich von etwa 100° mit einem Tastverhältnis von 60 %, und drei Facetten mit derselben Größe bieten einen Abtastbereich von etwa 120° mit einem Tastverhältnis von 50 %. Während der rotierende Spiegel 4 rotiert, ändert sich der Winkel jeder Facette relativ zu den Ausgangsstrahlen 5o kontinuierlich durch den Winkelbereich zwischen einem ersten Mindestwinkel, d.h. der auf einem ersten Rand oder Ecke des rotierenden Spiegels 4 gerichtet ist und die Ausgangsstrahlen auf eine Seite des rotierenden Spiegels 4 umlenkt (2A), bis zu im Wesentlichen senkrecht (Zwischenwinkel), nach dem die Ausgangsstrahlen 5o auf eine entfernte Seite des rotierenden Spiegels 4 umgelenkt werden, und dann bis zu einem zweiten Maximalwinkel, d.h. auf einen zweiten Rand oder Ecke des rotierenden Spiegels 4 gerichtet ( 2B). Nach dem maximalen Winkel jeder Facette, werden die Ausgangsstrahlen 5o auf die nachfolgenden Facetten nacheinander treffen und von diesen umgelenkt, wobei sie für jede Facette des rotierenden Spiegels 4 den Abtastwinkelbereich vom ersten Minimalwinkel über den Zwischenwinkel bis zum zweiten Maximalwinkel durchlaufen.Then, as the rotating mirror 4 rotates, one or more output beams 5 o can be scanned, i.e. rotated, over a predetermined scanning range, e.g. an angle, depending on the number of facets and the size of the facets on the rotating mirror 4. There are angular ranges for which the output beams 5 o (and input beams 5 i ) incident on one of the facets of the rotating mirror 4 are not clipped at the edges, and the total optical scanning range is twice this angular range. The duty cycle can be defined as the percentage of the full rotation cycle at which the output and input beams 5 o and 5 i are entirely incident on a facet of the rotating mirror 4 without being clipped. For example, four facets with a square area of 30 × 30 mm provide a scanning range of about 100° with a duty cycle of 60%, and three facets of the same size provide a scanning range of about 120° with a duty cycle of 50%. As the rotating mirror 4 rotates, the angle of each facet relative to the output beams 5o changes continuously through the angular range between a first minimum angle, i.e. which is directed on a first edge or corner of the rotating mirror 4 and deflects the output beams to one side of the rotating mirror 4 ( 2A) , up to substantially perpendicular (intermediate angle), after which the output rays 5 o are deflected to a remote side of the rotating mirror 4, and then up to a second maximum angle, ie directed to a second edge or corner of the rotating mirror 4 ( 2B) . After the maximum angle of each facet, the output beams 5 o will hit the subsequent facets one after the other and be deflected by them, passing through the scanning angle range from the first minimum angle via the intermediate angle to the second maximum angle for each facet of the rotating mirror 4.

Wenn die Ausgangslichtstrahlen 5o auf einen Rand rotierenden Spiegels 4 zwischen den Facetten gelenkt werden, kann das Licht in verschiedene Richtungen gestreut werden. Dementsprechend kann der Steuerungsprozessor 20 falsche Messungen durch ein oder mehrere fehlervermindernde Schema reduzieren oder eliminieren, indem er die Position des rotierenden Spiegels 4 mit der Steuerung der Lichtquellen und der Photodetektoren koordiniert, wie z. B. das Ausschalten der Lichtquellen und/oder der Photodetektoren in den Transceivern 111 bis 11n für eine Zeitspanne, während die Ausgangsstrahlen 5o auf einen Rand gelenkt werden, oder durch einfaches Ignorieren jeglicher Messungen von den Photodetektoren für die Zeitspanne, während die Ausgangsstrahlen 5o auf einen Rand gelenkt werden.If the output light rays 5 o are directed onto an edge of a rotating mirror 4 between the facets, the light can be scattered in different directions. Accordingly, the Control processor 20 may reduce or eliminate false measurements by one or more error-reducing schemes by coordinating the position of rotating mirror 4 with the control of the light sources and photodetectors, such as turning off the light sources and/or photodetectors in transceivers 11 1 through 11 n for a period of time while output beams 5 o are directed to an edge, or by simply ignoring any measurements from the photodetectors for the period of time while output beams 5 o are directed to an edge.

Der rotierende Spiegel 4 kann aus einem polygonalen Prisma bestehen, das eine Vielzahl, z. B. 3 oder 4 oder 5 oder 6, an Facetten umfasst, von denen jede eine reflektierende Oberfläche aufweist und eine Rotationsachse 24 in Längsrichtung hat, die mit der Rotationsachse eines Spinnmotors 25 ausgerichtet sein kann oder nicht. Der Spinnmotor 25 kann jede Art von Rotationsmotor sein, wie z. B. ein Schrittmotor, Gleichstrommotor oder Servomotor. Die Rotationsachse 24 in Längsrichtung darf nicht auf die Achse des Spinnmotors 25 ausgerichtet sein, wenn die Achsen über einen Riemen oder ein Getriebesystem verbunden sind. Die Rotationsachse 24 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 4 kann senkrecht zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 und/oder parallel zu einer ersten Ebene verlaufen, in der die Emitteranordnung 10 liegt. Die optische Achse OA kann in einer zweiten Ebene liegen, die senkrecht zur ersten Ebene und senkrecht oder normal zur Rotationsachse 24 verläuft.The rotating mirror 4 may consist of a polygonal prism comprising a plurality, e.g. 3 or 4 or 5 or 6, of facets, each of which has a reflective surface and a longitudinal axis of rotation 24 which may or may not be aligned with the axis of rotation of a spinning motor 25. The spinning motor 25 may be any type of rotating motor, such as a stepper motor, DC motor or servo motor. The longitudinal axis of rotation 24 may not be aligned with the axis of the spinning motor 25 if the axes are connected via a belt or gear system. The longitudinal axis of rotation 24 of the rotating mirror 4 may be perpendicular to the optical axis OA of the lens system 3 and/or parallel to a first plane in which the emitter assembly 10 lies. The optical axis OA may lie in a second plane which is perpendicular to the first plane and perpendicular or normal to the axis of rotation 24.

Eine direkte Reflexion des Ausgangsstrahls 5o direkt zurück in den Punktemitter 61 bis 6n, d.h. die Endfeuer-Verjüngung 9, kann verhindert werden und das Sichtfeld (FOV) vergrößert werden, indem die Rotationsachse 24 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 4 um den Abstand t versetzt zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 angeordnet wird, d.h. die Rotationsachse 24 darf sich nicht mit der optischen Achse OA kreuzen. Im Allgemeinen beginnt der Bereich des ungehinderten Sichtfeldes an einer Position, an der der Ausgangsstrahl 5o das Linsensystem 3 verfehlt (rückreflektiert), und endet, wenn der Ausgangsstrahl 5o beginnt die Ränder der Spiegelfacette zu beschneiden.A direct reflection of the output beam 5 o directly back into the point emitter 6 1 to 6 n , i.e. the endfire taper 9, can be prevented and the field of view (FOV) increased by arranging the rotation axis 24 in the longitudinal direction of the rotating mirror 4 offset by the distance t from the optical axis OA of the lens system 3, i.e. the rotation axis 24 must not intersect with the optical axis OA. In general, the region of the unobstructed field of view begins at a position where the output beam 5 o misses (re-reflects) the lens system 3 and ends when the output beam 5 o begins to clip the edges of the mirror facet.

Durch die Ecken des rotierenden Spiegels 4 können tote Zonen entstehen, in denen keine genauen Transmissions-/Return-Messungen möglich sind, was von der Größe und Anzahl der Facetten abhängt.The corners of the rotating mirror 4 may create dead zones in which accurate transmission/return measurements are not possible, depending on the size and number of facets.

Die Rotationsgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Sekunde oder rps) des rotierenden Spiegels 4 hängt von dem Schaltschema ab; die Rotationsgeschwindigkeit kann jedoch gleich oder geringer sein als die LIDAR-Bildrate, d.h. wie lange es dauert, den gesamten Scanbereich abzutasten. Zum Beispiel, bei 3 Bildern/Sekunde, geteilt durch die Anzahl der Facetten, z. B. 3-6 Facetten, ergibt sich 1~0.5 rps. Die Rotationsgeschwindigkeit wird vorzugsweise unter einer Schwellengeschwindigkeit gehalten, bei der es zu Fehlern kommen kann, wenn der Sweep zu schnell ist, so dass der Eingangsstrahl 5i nicht zum gleichen Punktemitter 61 - 6n zurückreflektiert wird (oder sogar ins Leere trifft). Im Idealfall bedeutet dies, dass die Winkelgeschwindigkeit des Motors (in Grad pro Sekunde), z. B. zwischen 1 und 50 rps oder 360 und 18000 Grad pro Sekunde, kleiner ist als die Divergenz des Eingangsstrahls 5i (in Grad), z. B. zwischen 0.2° und 0.002°, geteilt durch die Umlaufzeit, die das Licht für den Weg vom Spiegelsystem 3 zum Ziel und zurück benötigt (in Sekunden). Zum Beispiel, bei einer Strahldivergenz von 0.02° und einem 500 m entfernten Ziel beträgt die Umlaufzeit beispielsweise 3.33 µs, so dass sich der Spiegel idealerweise langsamer als 0.02 Grad / 3.33 µs dreht, d.h. 6000 Grad/s oder etwa 17 rps / #facetsThe rotation speed (revolutions per second or rps) of the rotating mirror 4 depends on the switching scheme; however, the rotation speed can be equal to or less than the LIDAR frame rate, i.e. how long it takes to scan the entire scan area. For example, at 3 frames/second, divided by the number of facets, e.g. 3-6 facets, gives 1~0.5 rps. The rotation speed is preferably kept below a threshold speed at which errors can occur if the sweep is too fast, so that the input beam 5 i is not reflected back to the same point emitter 6 1 - 6 n (or even hits nothing). Ideally, this means that the angular velocity of the motor (in degrees per second), e.g. B. between 1 and 50 rps or 360 and 18000 degrees per second, is smaller than the divergence of the input beam 5 i (in degrees), e.g. between 0.2° and 0.002°, divided by the round trip time that the light needs to travel from the mirror system 3 to the target and back (in seconds). For example, with a beam divergence of 0.02° and a target 500 m away, the round trip time is 3.33 µs, so the mirror ideally rotates slower than 0.02 degrees / 3.33 µs, ie 6000 degrees/s or about 17 rps / #facets

Mit Bezugnahme auf die 7 und 8, enthält eine beispielhafte optische Emittervorrichtung 1' eine Vielzahl an optischen Emitter-Chips 21 bis 2n und entsprechende Linsensysteme 31 bis 3n, die sich einen einzigen polygonalen rotierenden Spiegel 4 teilen. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Sichtfeld in einem einzigen System erweitert wird. Eine geringere Anzahl von Facetten, z. B. 3 bis 6, ist erwünscht, um die Volumengröße des rotierenden Spiegels 4 relativ klein zu halten.With reference to the 7 and 8 , an exemplary optical emitter device 1' includes a plurality of optical emitter chips 2 1 to 2 n and corresponding lens systems 3 1 to 3 n sharing a single polygonal rotating mirror 4. The advantage of this approach is that the field of view is expanded in a single system. A smaller number of facets, e.g. 3 to 6, is desirable in order to keep the volume size of the rotating mirror 4 relatively small.

9 zeigt eine beispielhafte optische Emittervorrichtung 1", bei der sich drei Sätze optischer Emitter-Chips 21 bis 20 und entsprechende Linsensysteme 31 bis 3n einen einzigen dreischenkeligen polygonalen reflektierenden Spiegel 4 teilen. 9 shows an exemplary optical emitter device 1", in which three sets of optical emitter chips 2 1 to 2 0 and corresponding lens systems 3 1 to 3 n share a single three-legged polygonal reflecting mirror 4.

Der Begriff „Steuerung“ oder „Prozessor“ kann einen Mikrocontroller oder eine feldprogrammierbare Anordnung (FPGA) enthalten, die mit einem geeigneten nicht flüchtigen Speicher zur Speicherung der Steuerungsparameter über Computersoftware ausgestattet ist.The term “controller” or “processor” may include a microcontroller or a field programmable array (FPGA) equipped with suitable non-volatile memory for storing the control parameters via computer software.

Zur Steuerung des Systems kann die Steuerung 20, wenn es sich bei dem Spinnmotor 25 um einen Schrittmotor handelt, einen dezidierten Mikrocontroller oder FPGA-Controller enthalten, der Steuersignale, z. B. Impulse, sendet, um den Drehmotor (Schrittmotor) 25 in festen Schrittweiten zu bewegen. Daher kann der Mikrocontroller oder das FPGA basierend auf den Steuersignalen unmittelbar die momentane Position, d.h. den Winkel, des rotierenden Spiegels 4 bestimmen. Um zu vermeiden, dass die Steuerung im Laufe der Zeit asynchron wird, weil der rotierende (Schritt-)Motor 25 möglicherweise Schritte auslässt, kann ein optischer Schlitzunterbrecher in das System aus rotierendem Spiegel 4 und Spinnmotor 25 eingebaut werden. An beiden Enden des rotierenden Spiegels 4 kann auch ein Unterbrechungsstift angebracht werden, der in den optischen Schlitzunterbrecher hinein- und wieder herausgleiten kann, wodurch die Lichtdetektion im optischen Schlitzunterbrecher vorübergehend blockiert wird, während der Spinnmotor 25 und/oder der rotierende Spiegel 4 rotieren. Daher liefert der optische Unterbrecher bei jeder Rotation des rotierenden Spiegels 4 und/oder des Spinnmotors 25 ein Pulssignal an den Mikrocontroller/FPGA. To control the system, if the spinning motor 25 is a stepper motor, the controller 20 may contain a dedicated microcontroller or FPGA controller that sends control signals, e.g. pulses, to move the rotary motor (stepper motor) 25 in fixed step sizes. Therefore, the Microcontroller or the FPGA can immediately determine the instantaneous position, i.e. the angle, of the rotating mirror 4 based on the control signals. To avoid the control becoming asynchronous over time because the rotating (stepper) motor 25 may skip steps, an optical slit interrupter can be incorporated into the rotating mirror 4 and spinning motor 25 system. An interrupt pin can also be attached to both ends of the rotating mirror 4, which can slide in and out of the optical slit interrupter, thereby temporarily blocking the light detection in the optical slit interrupter while the spinning motor 25 and/or the rotating mirror 4 are rotating. Therefore, the optical interrupter provides a pulse signal to the microcontroller/FPGA with each rotation of the rotating mirror 4 and/or the spinning motor 25.

Bei allen Arten von Spinnmotoren 25 gibt es einen dezidierten Drehgeber, der entweder im Spinnmotor 25 eingebaut ist oder ein externes Drehgebermodul, das die absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 an den Mikrocontroller/FPGA liefert.All types of spinning motors 25 have a dedicated rotary encoder, either built into the spinning motor 25 or an external rotary encoder module, which supplies the absolute or relative angular position of the rotating mirror 4 to the microcontroller/FPGA.

Wenn die Steuerung 20, z.B. der Mikrocontroller/FPGA, die Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 hat, kann ein korrektes Lidarbild erstellt werden.If the controller 20, e.g. the microcontroller/FPGA, has the angular position of the rotating mirror 4, a correct lidar image can be created.

Mit Bezugnahme auf 10 und 11, umfasst eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer optischen Emittervorrichtung 101: den optischen Emitter-Chip 2 und das Linsensystem 3, wie oben beschrieben, sowie einen rotierenden (oszillierenden) Spiegel 104, z. B. einen Reflektor. Wie oben beschrieben, können zur Strahlformung ein oder mehrere hochkollimierte Ausgangsstrahlen 5o übertragen werden, wenn der Punktemitter 61 bis 6n des optischen Emitter-Chips 2 in der Nähe oder im Wesentlichen auf der Brennebene F des Linsensystems 3 angeordnet ist (unendliche Konjugation). Die umgekehrte Ausbreitung gilt ebenfalls basierend auf dem Reziprozitätstheorem, wobei ein paralleler Eingangsstrahl 5i, z. B. einer der Ausgangsstrahlen 5o der von einem Objekt reflektiert wird und auf das Linsensystem 3 scheint, in einem Punkt fokussiert wird, der von einem der Punktemitter 61 bis 6n eingefangen werden soll, mit einer leichten Streuung, die durch Linsenaberration und Beugung bestimmt wird. Für die Strahlenlenkung hängt der Fernfeld-Strahlwinkel α des geformten, z. B. im Wesentlichen kollimierten oder fokussierten Ausgangsstrahls 5o von der Lage des Punktemitters 61 bis 6n auf der Brennebene F relativ zur optischen Längsmittelachse OA des Linsensystems 3 ab. Für den Strahlwinkel α gilt die Gleichung: α = arctan(d/f), wobei d der Abstand von der Mitte der Brennebene ist, d.h. der Punkt, an dem die optische Achse OA mit der Brennebene F zusammenfällt, und f die Brennweite des Linsensystems 3 ist. Daher kann ein vollständiges LIDAR-System implementiert werden, indem der optische Emitter-Chip 2 der Punktemitter 61 bis 6n auf oder in der Nähe der Brennebene F des Linsensystems 3 platziert wird und dann mit Hilfe einer Steuerung 20 ausgewählte und nicht ausgewählte Punktemitter 61 bis 6n jeweils selektiv ein- und ausgeschaltet werden, um die ein oder mehreren Ausgangsstrahlen 5o in die gewünschten Richtungen mit den gewünschten Strahlwinkeln α zu lenken. Die Punktemitter 61 bis 6n können jeden der vorgenannten Punktemitter umfassen, z. B. wie in den 3A bis 6 beschrieben.With reference to 10 and 11 , another exemplary embodiment of an optical emitter device 101 comprises: the optical emitter chip 2 and the lens system 3 as described above, and a rotating (oscillating) mirror 104, e.g. a reflector. As described above, for beam shaping, one or more highly collimated output beams 5 o can be transmitted when the point emitter 6 1 to 6 n of the optical emitter chip 2 is arranged near or substantially on the focal plane F of the lens system 3 (infinite conjugation). Reverse propagation also applies based on the reciprocity theorem, where a parallel input beam 5 i , e.g. one of the output beams 5 o reflected from an object and shining on the lens system 3, is focused at a point to be captured by one of the point emitters 6 1 to 6 n , with a slight scattering determined by lens aberration and diffraction. For beam steering, the far-field beam angle α of the shaped, e.g. substantially collimated or focused, output beam 5 o depends on the position of the point emitter 6 1 to 6 n on the focal plane F relative to the longitudinal optical center axis OA of the lens system 3. The following equation applies to the beam angle α: α = arctan(d/f), where d is the distance from the center of the focal plane, ie the point at which the optical axis OA coincides with the focal plane F, and f is the focal length of the lens system 3. Therefore, a complete LIDAR system can be implemented by placing the optical emitter chip 2 of the point emitters 6 1 to 6 n on or near the focal plane F of the lens system 3 and then using a controller 20 to selectively switch selected and unselected point emitters 6 1 to 6 n on and off, respectively, to direct the one or more output beams 5 o in the desired directions with the desired beam angles α. The point emitters 6 1 to 6 n can comprise any of the aforementioned point emitters, e.g. as shown in the 3A to 6 described.

Der rotierende Spiegel 104 kann einen oszillierenden Spiegel umfassen, z. B. einen optischen Galvanometer-Scanner, umfassend einer einzelnen Facette mit einer einzigen reflektierenden Oberfläche und mit einer Rotationsachse 124 in Längsrichtung, die mit der Rotationsachse eines Spinnmotors 125 ausgerichtet sein kann oder nicht. Der Spinnmotor 125 kann jede Art von Rotationsmotor sein, z. B. ein Schrittmotor, Gleichstrommotor oder Servomotor. Die Rotationsachse 124 in Längsrichtung darf nicht auf die Achse des Spinnmotors 125 ausgerichtet sein, wenn die Achsen über einen Riemen oder ein Getriebesystem verbunden sind. Die Rotationsachse 124 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 104 kann senkrecht zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 und/oder parallel zu einer ersten Ebene verlaufen, in der die Emitteranordnung 10 liegt. Die optische Achse OA kann in einer zweiten Ebene liegen, die senkrecht zur ersten Ebene und senkrecht oder normal zur Rotationsachse 124 verläuft. Der Spinnmotor 125 kann durch ein elektrisches Signal angetrieben werden, das eine Dreieckswelle umfasst, d.h. er beginnt mit einer minimalen Spannung (Strom) bei einem maximalen Rotationswinkel, steigt im Wesentlichen linear bis zu einer maximalen Spannung an (wenn der Spiegel im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse OA steht und fällt dann im Wesentlichen linear bis zum anderen maximalen Rotationswinkel ab. Der rotierende Spiegel 104 kann mit etwa 2.5 Hz bis 50 Hz, vorzugsweise mit etwa 20 Hz, schwingen. Der rotierende Spiegel 104 kann eine Breite aufweisen, die so konfiguriert ist, dass er 16-256, vorzugsweise 32, Ausgangslichtstrahlen 5o und Eingangslichtstrahlen 5i empfangen kann. Alternativ kann der rotierende Spiegel 104 eine Vorrichtung aus einem mikroelektromechanischen System (MEMS) umfassen, wobei der Motor 125 z. B. einen elektrostatischen, elektromagnetischen oder Piezo-Aktor umfasst.The rotating mirror 104 may comprise an oscillating mirror, e.g., an optical galvanometer scanner comprising a single facet with a single reflective surface and having a longitudinal axis of rotation 124 that may or may not be aligned with the axis of rotation of a spinning motor 125. The spinning motor 125 may be any type of rotating motor, e.g., a stepper motor, DC motor, or servo motor. The longitudinal axis of rotation 124 may not be aligned with the axis of the spinning motor 125 if the axes are connected via a belt or gear system. The longitudinal axis of rotation 124 of the rotating mirror 104 may be perpendicular to the optical axis OA of the lens system 3 and/or parallel to a first plane in which the emitter assembly 10 lies. The optical axis OA may lie in a second plane that is perpendicular to the first plane and perpendicular or normal to the axis of rotation 124. The spinning motor 125 may be driven by an electrical signal comprising a triangular wave, i.e. it starts with a minimum voltage (current) at a maximum angle of rotation, increases substantially linearly to a maximum voltage (when the mirror is substantially perpendicular to the optical axis OA and then decreases substantially linearly to the other maximum angle of rotation. The rotating mirror 104 may oscillate at about 2.5 Hz to 50 Hz, preferably at about 20 Hz. The rotating mirror 104 may have a width configured to receive 16-256, preferably 32, output light beams 5 o and input light beams 5 i . Alternatively, the rotating mirror 104 may comprise a microelectromechanical system (MEMS) device, wherein the motor 125 comprises, for example, an electrostatic, electromagnetic or piezo actuator.

Eine direkte Reflexion des Ausgangsstrahls 5o direkt zurück in den Punktemitter 61 bis 6n, d.h. die Endfeuer-Verjüngung 9, kann verhindert, und das Sichtfeld (FOV) vergrößert werden, indem die Rotationsachse 124 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 104 um den Abstand t versetzt zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 angeordnet wird, d.h. die Rotationsachse 124 darf sich nicht mit der optischen Achse OA kreuzen. Im Allgemeinen beginnt der Bereich des ungehinderten Sichtfeldes an einer Position, an der der Ausgangsstrahl 5o das Linsensystem 3 verfehlt (rückreflektiert) und endet, wenn der Ausgangsstrahl 5o beginnt, die Ränder der Spiegelfacette zu beschneiden.A direct reflection of the output beam 5 o directly back into the point emitter 6 1 to 6 n , ie the end-fire taper 9, can be prevented and the field of view (FOV) can be increased by the rotation axis 124 is arranged in the longitudinal direction of the rotating mirror 104 offset by the distance t from the optical axis OA of the lens system 3, ie the axis of rotation 124 must not intersect with the optical axis OA. In general, the region of the unobstructed field of view begins at a position where the output beam 5 o misses the lens system 3 (is reflected back) and ends when the output beam 5 o begins to clip the edges of the mirror facet.

Wie oben beschrieben, um die Anzahl der erforderlichen Lichtquellen und Photodetektoren zu verringern und gleichzeitig eine maximalen oder gewünschten optische Schwellenleistung beizubehalten, kann die Steuerung 20 auch durch eine Gruppe der Punktemitter, z. B. 61 bis 64 durchlaufen, die optisch mit einem der Transceiver, z. B. dem Transceiver 111, gekoppelt sind, indem ausgewählte Schalter 14 ein- und ausgeschaltet werden, um nacheinander einen anderen Ausgangsstrahl 5o an jeden der Punktemitter, z. B. 61 bis 64, in der Gruppe zu übertragen. Einige oder alle Lichtquellen, z. B. einige oder alle Transceiver 111 bis 11m, können mit einer anderen Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 optisch gekoppelt sein, wodurch eine erste Teilmenge von Ausgangsstrahlen 5o gleichzeitig miteinander übertragen werden kann, d.h. ein Ausgangsstrahl 5o von jeder Lichtquelle, der über eine der Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 übertragen wird, die mit ihr gekoppelt sind. Unter der Steuerung der Steuerung 20 durchläuft dann jede Lichtquelle nacheinander jeden der Wellenleiter-Kerne 8 in der entsprechenden Gruppe der damit gekoppelten Wellenleiter-Kerne 8, wobei sie mindestens eine einzige Umlaufperiode zu jedem Emitter, z. B. 61 - 64, geschaltet ist. Die Umlaufzeit sollte mindestens so lang sein wie die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Lichtquelle des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zum Ziel und zurück zum Photodetektor des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zu gelangen. Dementsprechend kann nur ein Teil der Gesamtzahl der Ausgangsstrahlen 5o (und der Eingangsstrahlen 5i), die den gesamten Bereich der Strahlwinkel α abdecken, auf einmal übertragen werden. Die Steuerung 20 kann die Lichtquellen, die Schaltmatrix 16, eine Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 und die Photodetektoren koordinieren, um jeden Ausgangsstrahl 5o und jeden Eingangsstrahl 5i nacheinander über die erste Schaltmatrix 16 und die Vielzahl an ersten Punktemittern 6i - 6n zu senden und zu empfangen.As described above, to reduce the number of light sources and photodetectors required while maintaining a maximum or desired optical threshold power, the controller 20 may also cycle through a group of the point emitters, e.g., 6 1 through 6 4 , that are optically coupled to one of the transceivers, e.g., transceiver 11 1 , by turning selected switches 14 on and off to sequentially transmit a different output beam 5 o to each of the point emitters, e.g., 6 1 through 6 4 , in the group. Some or all of the light sources, e.g., 6 1 through 6 4 , may be selectively coupled to one of the transceivers, e.g., transceiver 11 1 . Some or all of the transceivers 11 1 to 11 m may be optically coupled to another group of waveguide cores 8, whereby a first subset of output beams 5 o may be transmitted simultaneously with one another, i.e., one output beam 5 o from each light source transmitted through one of the group of waveguide cores 8 coupled to it. Under the control of the controller 20, each light source then sequentially passes through each of the waveguide cores 8 in the corresponding group of waveguide cores 8 coupled thereto, being switched to each emitter, e.g., 6 1 - 6 4 , for at least a single round trip period. The round trip time should be at least as long as the time it takes for the light to travel from the point emitter light source, e.g., 6 1 to 6 4 , to the target and back to the point emitter photodetector, e.g., 6 1 to 6 4 . Accordingly, only a portion of the total number of output beams 5 o (and input beams 5 i ) covering the entire range of beam angles α can be transmitted at one time. The controller 20 can coordinate the light sources, the switching matrix 16, an angular position of the rotating mirror 4, and the photodetectors to transmit and receive each output beam 5 o and each input beam 5 i sequentially via the first switching matrix 16 and the plurality of first point emitters 6 i - 6 n .

Es kann tote Zonen geben, in denen keine genauen Transmissions-/Return-Messungen möglich sind, die entstehen, wenn der rotierende Spiegel 104 einen maximalen Rotationswinkel von der OA erreicht oder überschreitet, an wessen Punkten der rotierende Spiegel 104 beginnt, sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, um die Punktemitter 61 bis 6n in die entgegengesetzte Richtung abzutasten. Der rotierende Spiegel 104 kann in entgegengesetzten Richtungen um die Rotationsachse 124 um einen Winkel von etwa 45° hin- und her oszillieren, so dass sich ein Abtastbereich von etwa 90° ergibt, mit einer Nennposition, in der der rotierende Spiegel 104 in einem Winkel von etwa -45° zur OA steht (CW ist +), und eine Normale N in einem Winkel von etwa +45° zur OA steht, wobei die Ausgangsstrahlen 5o in einem Winkel von etwa 90° zur OA gelenkt werden, z. B. aus der Seite von 10 heraus. An den Enden der Bewegung EOT1 (english: end of travel) und EOT2 kann sich der rotierende Spiegel 104 in einem Winkel von - 67.5° und -22.5° jeweils zum OA befinden, während der normale N in einem Winkel von +22.5° bzw. +67.5° zum OA steht (+/- 22.5° vom 45°-Mittelpunkt), wie in 11. Dementsprechend kann der Steuerungsprozessor 20 die Schalter 14 aktivieren, um durch die verschiedenen Wellenleiter-Kerne 8 in jeder Gruppe von Punktemittern, z. B. 6i - 64 durchlaufen, während der Zeiträume, in denen sich der rotierende Spiegel 104 in einer Totzone oder nahe dem Ende seines Bewegungsbereichs befindet. Die Aktivierung der Schalter 14 kann annähernd mit der Verlangsamung und Beschleunigung des rotierenden Spiegels 104 an den Enden seines Bewegungsbereichs synchronisiert werden.There may be dead zones where accurate transmission/return measurements are not possible, which arise when the rotating mirror 104 reaches or exceeds a maximum angle of rotation from the OA, at which points the rotating mirror 104 begins to rotate in the opposite direction to scan the point emitters 6 1 to 6 n in the opposite direction. The rotating mirror 104 may oscillate back and forth in opposite directions about the axis of rotation 124 by an angle of about 45°, giving a scanning range of about 90°, with a nominal position where the rotating mirror 104 is at an angle of about -45° to the OA (CW is +), and a normal N is at an angle of about +45° to the OA, with the output beams 5 o directed at an angle of about 90° to the OA, e.g. out of the side of 10 At the ends of the movement EOT1 (end of travel) and EOT2, the rotating mirror 104 can be at an angle of - 67.5° and -22.5° to the OA, respectively, while the normal N is at an angle of +22.5° and +67.5° to the OA, respectively (+/- 22.5° from the 45° center), as in 11 Accordingly, the control processor 20 may activate the switches 14 to cycle through the various waveguide cores 8 in each group of point emitters, e.g., 6 i - 6 4 , during periods when the rotating mirror 104 is in a dead zone or near the end of its range of motion. The activation of the switches 14 may be approximately synchronized with the deceleration and acceleration of the rotating mirror 104 at the ends of its range of motion.

Der Steuerungsprozessor 20 kann außerdem alternieren lassen während welchem Durchgang (im oder gegen den Uhrzeigersinn) die Lichtquelle jeden Punktemitter 61 bis 6n mit Licht versorgt, indem er nur einige, z. B. jeden zweite, der Lichtquellen und Schalter 14 aktiviert werden. Das Umschalten der alternierenden Kanäle kann auch während der Zeit erfolgen, in der sich der rotierende Spiegel 104 in einer toten Zone befindet. Jede Gruppe von Emittern 6i, die während eines bestimmten Spiegeldurchlaufs aktiv ist, erzeugt ein Teilbild der erfassten Pixel. Durch die Zusammenstellung mehrerer Sets von aktiven Emittern 61 bis 6n kann die gesamte Szene über mehrere im und gegen den Uhrzeigersinn laufende Durchläufe des rotierenden Spiegels 104 abgefragt werden.The control processor 20 can also alternate during which pass (clockwise or counterclockwise) the light source illuminates each point emitter 6 1 to 6 n by activating only some, e.g. every other one, of the light sources and switches 14. The switching of the alternating channels can also occur during the time that the rotating mirror 104 is in a dead zone. Each group of emitters 6 i that is active during a particular mirror pass produces a partial image of the captured pixels. By assembling multiple sets of active emitters 6 1 to 6 n, the entire scene can be interrogated over multiple clockwise and counterclockwise passes of the rotating mirror 104.

Die Oszillationsrate (Zyklen pro Sekunde oder cps) des rotierenden Spiegels 104 hängt von dem Schaltschema ab; die Oszillationsrate kann jedoch die gleiche oder eine geringere Geschwindigkeit haben wie die LIDAR-Bildrate, d.h. wie lange es dauert, den gesamten Scanbereich abzutasten. Zum Beispiel, bei 3 Bildern/Sekunde multipliziert mit der Anzahl der Teilbilder (d.h. Gruppen von Emittern 6i, zwischen denen umgeschaltet wird), z. B. 2 Teilbilder, ergibt dies 6 Abtastungen im oder gegen den Uhrzeigersinn pro Sekunde oder eine Oszillationsrate von 3 Zyklen pro Sekunde. Die Anzahl der Teilbilder kann je nach Anwendung variiert werden oder vom Benutzer während des Betriebs gewählt werden. Die momentane Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels 104 wird vorzugsweise unter einer Schwellengeschwindigkeit gehalten, bei der es zu Fehlern kommen kann, wenn der Sweep zu schnell ist, so dass der Eingangsstrahl 5i nicht zum gleichen Punktemitter 61 - 6n zurückreflektiert wird (oder sogar ins Leere trifft). Im Idealfall bedeutet dies, dass die Winkelgeschwindigkeit des Motors (in Grad pro Sekunde), z. B. zwischen 360 und 18000 Grad pro Sekunde, kleiner ist als die Divergenz des Eingangsstrahls 5i (in Grad), z. B. zwischen 0.2° und 0.002°, geteilt durch die Umlaufzeit, die das Licht für den Weg vom Linsensystem 3 zum Ziel und zurück benötigt (in Sekunden). Zum Beispiel, bei einer Strahldivergenz von 0.02° und einem 500 m entfernten Ziel beträgt die Umlaufzeit beispielsweise 3.33 µs, so dass sich der Spiegel idealerweise langsamer als 0.02 Grad/3.33 µs, d.h. 6000°/s, dreht.The oscillation rate (cycles per second or cps) of the rotating mirror 104 depends on the switching scheme; however, the oscillation rate may be the same or lower than the LIDAR frame rate, i.e. how long it takes to scan the entire scan area. For example, at 3 frames/second multiplied by the number of sub-images (i.e. groups of emitters 6 i being switched between), e.g. 2 sub-images, this gives 6 clockwise or counter-clockwise scans per second, or an oscillation rate of 3 cycles per second. The number of sub-images may be varied depending on the application or selected by the user during operation. The instantaneous rotation speed of the mirror 104 is preferably kept below a threshold speed at which errors can occur if the sweep is too fast, so that the input beam 5 i is not reflected back to the same point emitter 6 1 - 6 n (or even hits nothing). Ideally, this means that the angular velocity of the motor (in degrees per second), e.g. between 360 and 18000 degrees per second, is smaller than the divergence of the input beam 5 i (in degrees), e.g. between 0.2° and 0.002°, divided by the round trip time that the light needs to travel from the lens system 3 to the target and back (in seconds). For example, with a beam divergence of 0.02° and a target 500 m away, the round trip time is 3.33 µs, so the mirror ideally rotates slower than 0.02 degrees/3.33 µs, i.e. 6000°/s.

Mit Bezugnahme auf die 12 und 13 können einige oder alle der oben genannten beispielhaften optischen Vorrichtungen ein Polarisationsduplexsystem 200 zur Messung beider Polarisationsmodus-Komponenten der zurückkehrenden Eingangsstrahlen 5i enthalten. Die Ausgangsstrahlen 5o können mit einem einzigen Polarisationsmodus, z.B. TE (transversaler elektrischer) Modus, ausgesandt werden; aufgrund unterschiedlicher Oberflächentexturen des Hindernisses können die Eingangsstrahlen 5i jedoch mit einer ersten Komponente des TE-Modus und einer zweiten Komponente der orthogonalen Polarisation, d.h. TM (transversaler magnetischer) Modus, zurückkehren. In einigen konventionellen LIDAR-Systemen würde die zweite Komponente einfach gestreut werden oder verloren gehen, was je nach Oberfläche des Hindernisses einen großen Teil der Eingangsstrahlen 5i ausmachen kann.With reference to the 12 and 13 some or all of the above example optical devices may include a polarization duplex system 200 for measuring both polarization mode components of the returning input beams 5 i . The output beams 5 o may be emitted with a single polarization mode, e.g. TE (transverse electric) mode; however, due to different surface textures of the obstacle, the input beams 5 i may return with a first component of TE mode and a second component of orthogonal polarization, e.g. TM (transverse magnetic) mode. In some conventional LIDAR systems, the second component would simply be scattered or lost, which may constitute a large portion of the input beams 5 i depending on the surface of the obstacle.

Jeder der vorgenannten Transceiver 111 bis 11m kann eine Laserquelle 201 enthalten, um den Ausgangsstrahl 5o mit einem einzigen Polarisationsmodus, z. B. TE-Modus, zu versenden. Der Ausgangsstrahl 5o kann durch einen Strahlenteiler 202 übertragen werden, so dass ein Teil, z.B. 40%-60%, vorzugsweise 50%/50%, abgezweigt wird, um lokales Oszillatorlicht (LO) 5LO für die ersten Photodetektoren 203 in einer ersten Photodetektor-Schaltung 204 bereitzustellen. Der Ausgangsstrahl 5o gelangt zur Schaltmatrix 16, zum ausgewählten Lichtwellenleiter-Kern 8, zu den ausgewählten Punktemittern 61 bis 6n, zum Linsensystem 3 und zum rotierenden Spiegel 4 oder 104. Der Eingangslichtstrahl 5i kehrt von dem rotierenden Spiegel 4 oder 104 durch das Linsensystem 3 zu den ausgewählten Punktemittern 61 bis 6n, dem ausgewählten Lichtwellenleiter-Kern 8, der Schaltmatrix 16, zu dem Strahlenteiler 202 zurück, der einen Teil des Eingangslichtstrahls 5i zu den Photodetektoren 203 in der ersten Photodetektorschaltung 204 umlenkt.Each of the aforementioned transceivers 11 1 to 11 m may include a laser source 201 to transmit the output beam 5 o with a single polarization mode, e.g. TE mode. The output beam 5 o may be transmitted through a beam splitter 202 so that a portion, e.g. 40%-60%, preferably 50%/50%, is branched off to provide local oscillator light (LO) 5 LO to the first photodetectors 203 in a first photodetector circuit 204. The output light beam 5 o passes to the switching matrix 16, the selected optical fiber core 8, the selected point emitters 6 1 to 6 n , the lens system 3 and the rotating mirror 4 or 104. The input light beam 5 i returns from the rotating mirror 4 or 104 through the lens system 3 to the selected point emitters 6 1 to 6 n , the selected optical fiber core 8, the switching matrix 16, to the beam splitter 202 which redirects a portion of the input light beam 5 i to the photodetectors 203 in the first photodetector circuit 204.

Das Polarisations-Duplexsystem 200 enthält einen Polarisations-Strahlenteiler 210, der zwischen den Punktemittern, z.B. 61 bis 611, und den Transceivern 111 bis 11m angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er den Eingangsstrahl 5i in eine erste, z.B. TE-Modus, Komponente 211, und eine zweite, z.B. TM-Modus, Komponente 212 aufteilt. Die erste Komponente 211 kann an die ersten Photodetektoren 203 in der ersten Photodetektor-Schaltung 204 (wie zuvor hierin offenbart) übertragen werden, die ein erstes elektrisches Signal an den Steuerungsprozessor 20 liefert, das der optischen Leistung in der ersten Komponente 211 entspricht. Die zweite Komponente 212 kann an zweite Photodetektoren 205 in einer zweiten Photodetektor-Schaltung 206 übertragen werden, die ein zweites elektrisches Signal an den Steuerungsprozessor 20 liefert, das der optischen Leistung in der zweiten Komponente entspricht. Idealerweise kann der Polarisationsmodus der zweiten Komponente in den selben Polarisationsmodus der ersten Komponente umgewandelt, z. B. rotiert, werden, z. B. in den TE-Modus, um die Übertragung in den On-Chip-Wellenleiter-Kernen 8 und der Schaltmatrix 16 zu erleichtern. Dementsprechend kann der Polarisations-Strahlenteiler 210 einen Polarisations-Strahlenteiler/Rotator umfassen, wie er aus der Technik bekannt ist.The polarization duplex system 200 includes a polarization beam splitter 210 disposed between the point emitters, e.g., 6 1 through 6 11 , and the transceivers 11 1 through 11 m and configured to split the input beam 5 i into a first, e.g., TE mode, component 211 and a second, e.g., TM mode, component 212. The first component 211 may be transmitted to first photodetectors 203 in the first photodetector circuit 204 (as previously disclosed herein), which provides a first electrical signal to the control processor 20 corresponding to the optical power in the first component 211. The second component 212 may be transmitted to second photodetectors 205 in a second photodetector circuit 206, which provides a second electrical signal to the control processor 20 corresponding to the optical power in the second component. Ideally, the polarization mode of the second component may be converted, e.g. rotated, to the same polarization mode of the first component, e.g. to the TE mode, to facilitate transmission in the on-chip waveguide cores 8 and the switching matrix 16. Accordingly, the polarization beam splitter 210 may comprise a polarization beam splitter/rotator as is known in the art.

13 zeigt ein detaillierteres Beispiel des Polarisations-Duplex-Systems 200, in dem vier der optischen Lichtwellenleiter-Kerne 8 dargestellt sind, jeweils mit einem Polarisations-Strahlenteiler 210 mit der Fähigkeit zum Rotieren der Polarisation. Wie in den vorgenannten Beispielen hat jede Gruppe, z.B. zwei Paare, von Lichtwellenleiter-Kernen 8 einen ersten Schalter 14, der es dem Steuerungsprozessor 20 ermöglicht, zwischen den beiden Paaren von Lichtwellenleiter-Kernen 8 zu wählen, und einen zweiten und einen dritten Schalter 14, die es dem Steuerungsprozessor 20 ermöglichen, zwischen den Lichtwellenleiter-Kernen 8 in jedem Paar, d.h. dem entsprechenden Punktemitter 61 bis 6n, zu wählen. Für das Polarisations-Duplexsystem 200 kann ein zweiter Satz von Schaltern 214 auf der Schaltmatrix 16 vorgesehen werden und ein zweiter Satz von Lichtwellenleiter-Kernen 208 kann auf der optischen Emitteranordnung 10 vorgesehen sein, um auszuwählen, welche der zweiten Komponenten aus den Eingangslichtstrahlen 5i zurück zum zweiten Photodetektor-Schaltung 206 übertragen werden, der den ersten Komponenten entspricht, die durch den ersten Satz von Schaltern 14 ausgewählt wurden. Weil der physikalische Abstand eines ersten (TE) optischen Pfades TE Sig zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler 210 und der ersten Photodetektor-Schaltung 204 für die erste Komponente 211 anders sein kann als der physikalische Abstand eines zweiten (TM) optischen Pfades TM Sig zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler 210 und der zweiten Photodetektor-Schaltung 206 für die zweite Komponente 212, kann eine zusätzliche Länge, z. B. eine Schleife, des Lichtwellenleiters 221 in einem der ersten oder zweiten optischen Pfade TE Sig oder TM Sig oder in den optischen Pfaden des Lokaloszillators TM LO und TE LO zwischen dem Strahlenteiler 202 und den entsprechenden ersten und zweiten Photodetektor-Schaltungen 204 und 206 vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein Phasenschieber-Tuner 222 in der zusätzlichen Länge 221 (die sich auf TE Sig auswirkt) oder in einem der ersten oder zweiten optischen Pfade TE Sig oder TM Sig vorgesehen sein, der so konfiguriert ist, dass er die optische Pfadlänge des ersten oder zweiten optischen Pfads TE Sig oder TM Sig abstimmt, um sicherzustellen, dass die an den Photodetektor-Schaltungen 204 und 206 empfangenen Schwebungstöne phasengleich sind. Dies kann insbesondere dann gewährleistet werden, wenn die relative Phase zwischen TE Sig und TE LO gleich der Phase zwischen TM Sig und TM LO ist, bis zu einem Faktor von 2 pi. Die Anpassung der relativen Phasen ermöglicht eine genauere Messung, wenn die ersten und zweiten elektrischen Signale, die von den Photodetektor-Schaltungen 204 und 206 erzeugt werden, verglichen oder kombiniert werden, oder wenn die elektrischen Signale nach den Photodetektor-Schaltungen 204 und 206 direkt addiert werden. Ein Phasenschieber-Tuner 222 kann alternativ oder auch in den Lokaloszillatoren in den Photodetektor-Schaltungen 204 und 206 oder in den Lokaloszillatorpfaden TM LO und TE LO zum gleichen Zweck angeordnet werden. 13 shows a more detailed example of the polarization duplex system 200 in which four of the optical fiber cores 8 are shown, each with a polarization beam splitter 210 with the ability to rotate the polarization. As in the previous examples, each group, e.g. two pairs, of fiber cores 8 has a first switch 14 which allows the control processor 20 to select between the two pairs of fiber cores 8, and a second and a third switch 14 which allows the control processor 20 to select between the fiber cores 8 in each pair, e.g. the corresponding point emitter 6 1 to 6 n . For the polarization duplex system 200, a second set of switches 214 may be provided on the switch matrix 16 and a second set of optical fiber cores 208 may be provided on the optical emitter assembly 10 to select which of the second components from the input light beams 5 i are transmitted back to the second photodetector circuit 206 corresponding to the first components selected by the first set of switches 14. Because the physical distance of a first (TE) optical path TE Sig between the polarization beam splitter 210 and the first photodetector circuit 204 for the first component 211 may be different than the physical distance of a second (TM) optical path TM Sig between the polarization beam splitter 210 and the second photodetector circuit 206 for the second component 212, an additional length, e.g., a loop, of the optical fiber 221 may be provided in one of the first or second optical paths TE Sig or TM Sig or in the local oscillator optical paths TM LO and TE LO between the beam splitter 202 and the respective first and second photodetector circuits 204 and 206. In addition, a phase shift tuner 222 may be provided in the additional length 221 (affecting TE Sig) or in one of the first or second optical paths TE Sig or TM Sig, configured to tune the optical path length of the first or second optical path TE Sig or TM Sig to ensure that the beat tones received at the photodetector circuits 204 and 206 are in phase. This can be ensured in particular if the relative phase between TE Sig and TE LO is equal to the phase between TM Sig and TM LO, up to a factor of 2 pi. The adjustment of the relative phases enables a more accurate measurement when the first and second electrical signals generated by the photodetector circuits 204 and 206 are compared or combined, or when the electrical signals after the photodetector circuits 204 and 206 are added directly. A phase shift tuner 222 can alternatively be arranged in the local oscillators in the photodetector circuits 204 and 206 or in the local oscillator paths TM LO and TE LO for the same purpose.

Das durch den Strahlenteiler 202 aufgespaltene lokale Oszillatorlicht 5LO, kann entlang eines geeigneten Lichtwellenleiters zu einem Teiler 225 übertragen werden, wobei ein erster Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO mit der ersten Komponente 211 in einem ersten Mischer 231 zur Übertragung zu den ersten Photodetektoren 203 kombiniert wird, und ein zweiter Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO mit der zweiten Komponente 212 in einem zweiten Mischer 232 zur Übertragung zu den zweiten Photodetektoren 205 kombiniert wird. Ein variabler Abschwächer oder ein Paar variabler Abschwächer 235 kann zwischen dem Strahlenteiler 202 und den ersten und zweiten Mischern 231 und 232 vorgesehen werden zur Abschwächung des lokalen Oszillatorlichts 5LO, um sicherzustellen, dass das lokale Oszillatorlicht 5LO die ersten Photodetektoren 203 und/oder die zweiten Photodetektoren 205 nicht überstrahlt. Im gezeigten Beispiel ist nach dem Teiler 225 ein Paar von variablen Abschwächer 235 vorgesehen, wobei ein variabler Abschwächer 235 für den ersten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO vorgesehen ist und ein zweiter variabler Abschwächer 235 für den zweiten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO vorgesehen ist.The local oscillator light 5 LO split by the beam splitter 202 may be transmitted along a suitable optical fiber to a splitter 225, wherein a first portion of the local oscillator light 5 LO is combined with the first component 211 in a first mixer 231 for transmission to the first photodetectors 203, and a second portion of the local oscillator light 5 LO is combined with the second component 212 in a second mixer 232 for transmission to the second photodetectors 205. A variable attenuator or a pair of variable attenuators 235 may be provided between the beam splitter 202 and the first and second mixers 231 and 232 for attenuating the local oscillator light 5 LO to ensure that the local oscillator light 5 LO does not overexpose the first photodetectors 203 and/or the second photodetectors 205. In the example shown, a pair of variable attenuators 235 is provided after the divider 225, wherein a variable attenuator 235 is provided for the first part of the local oscillator light 5 LO and a second variable attenuator 235 is provided for the second part of the local oscillator light 5 LO .

Ein erster Abgriff 2411, z.B. ein optischer Teiler von 1%-5%, und ein erster Überwachungs-Photodetektor 2421 können in einem der ersten oder zweiten optischen Pfade, z.B. in einem der Lichtwellenleiter-Kerne 8 vorgesehen sein, zur Überwachung des Ausgangsstrahls 5o und/oder des Eingangsstrahls 5i. Ein erstes elektrisches Überwachungssignal kann von dem ersten Überwachungs-Photodetektor 2421 an den Steuerungsprozessor 20 gesendet werden, wodurch der Steuerungsprozessor 20 den Ausgangsstrahl 5o und/oder den Eingangsstrahl 5i überwachen kann und eine Anpassung an anderen Komponenten, z. B. die Lichtquelle 201 oder die Schalter 14, vornehmen kann. In ähnlicher Weise können ein zweiter Abgriff 2412, z. B. ein optischer Teiler von 1 % bis 5 %, und ein zweiter Überwachungs-Photodetektor 2422 vor und/oder nach einem oder mehreren der variablen Abschwächer 235 vorgesehen sein zur Überwachung des ersten Teils des lokalen Oszillatorlichts 5LO und/oder des zweiten Teils des lokalen Oszillatorlichts 5LO. Zweite und/oder dritte elektrische Überwachungssignale können von dem zweiten Überwachungs-Photodetektor 2421 an den Steuerungsprozessor 20 gesendet werden, wodurch der Steuerungsprozessor 20 den ersten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO und/oder den zweiten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO überwachen kann und eine Anpassung des/der variablen Abschwächer 235 vornehmen kann.A first tap 241 1 , e.g. a 1%-5% optical splitter, and a first monitoring photodetector 242 1 may be provided in one of the first or second optical paths, e.g. in one of the optical fiber cores 8, for monitoring the output beam 5 o and/or the input beam 5 i . A first electrical monitoring signal may be sent from the first monitoring photodetector 242 1 to the control processor 20, whereby the control processor 20 can monitor the output beam 5 o and/or the input beam 5 i and make adjustments to other components, e.g. the light source 201 or the switches 14. Similarly, a second tap 241 2 , e.g. B. an optical splitter of 1% to 5%, and a second monitoring photodetector 242 2 may be provided before and/or after one or more of the variable attenuators 235 for monitoring the first part of the local oscillator light 5 LO and/or the second part of the local oscillator light 5 LO . Second and/or third electrical monitoring signals may be sent from the second monitoring photodetector 242 1 to the control processor 20, whereby the control processor 20 can monitor the first part of the local oscillator light 5 LO and/or the second part of the local oscillator light 5 LO and can make an adjustment of the variable attenuator(s) 235.

Der Steuerungsprozessor 20 kann einfach die optische Leistung der ersten Komponente, z. B. des ersten elektrischen Signals, zur optischen Leistung der zweiten Komponente, z. B. des zweiten elektrisches Signals, addieren, um eine Gesamtsumme der optischen Leistung (kombiniertes elektrisches Signal) des Eingangsstrahls 5i zu erhalten. Zusätzlich oder alternativ kann der Steuerungsprozessor 20 das zweite elektrische Signal oder einen Vergleich des zweiten elektrischen Signals mit dem ersten elektrischen Signal verwenden, um die Oberfläche, von der der Eingangsstrahl 5i reflektiert wird, zu überwachen oder zu charakterisieren. Beispielsweise können Fahrzeuge und Schilder, die stark reflektierende, z. B. metallische, Oberflächen enthalten, relativ kleine Teile des Lichts reflektieren, die in den zweiten Polarisations-Modus umgewandelt werden. Dementsprechend kann die stark reflektierende Oberfläche durch ein zweites elektrisches Signal mit relativ niedriger Größenordnung oder ein Verhältnis von zweitem elektrischen Signal zu erstem elektrischen Signal mit relativ niedriger Größenordnung gekennzeichnet sein. Im Gegensatz dazu können Betongebäude oder Asphaltstraßen, die raue und schwach reflektierende Oberflächen enthalten, relativ größere Teile des Lichts reflektieren, die in den zweiten Polarisationsmodus umgewandelt werden. Dementsprechend kann die schlecht reflektierende Oberfläche durch ein zweites elektrisches Signal mit relativ hoher Größenordnung oder ein Verhältnis von zweitem elektrischen Signal zu erstem elektrischen Signal mit relativ hoher Größenordnung gekennzeichnet sein.The control processor 20 may simply add the optical power of the first component, e.g., the first electrical signal, to the optical power of the second component, e.g., the second electrical signal, to obtain a total optical power (combined electrical signal) of the input beam 5 i . Additionally or alternatively, the control processor 20 may use the second electrical signal, or a comparison of the second electrical signal to the first electrical signal, to monitor or characterize the surface from which the input beam 5 i is reflected. For example, vehicles and signs containing highly reflective, e.g., metallic, surfaces may reflect relatively small portions of the light that are converted to the second polarization mode. Accordingly, the highly reflective surface may be characterized by a relatively low magnitude second electrical signal or a relatively low magnitude ratio of second electrical signal to first electrical signal. In contrast, concrete buildings or asphalt roads, which contain rough and poorly reflective surfaces, may reflect relatively larger portions of the light that are converted to the second polarization mode. Accordingly, the poorly reflective surface may be characterized by a second electrical signal of relatively high magnitude or a ratio of second electrical signal to first electrical signal of relatively high magnitude.

Mit Bezugnahme auf 14, kann ein beispielhaftes Linsensystem 3 zur Verwendung in einigen oder allen Beispielen, in denen die Endfeuer-Verjüngungen 9 so angeordnet sind, dass jeder Punktemitter 61 bis 6n im Wesentlichen entlang oder in der Nähe einer gekrümmten Brennebene F liegt, aus einer Einzelelementlinse 303 mit gekrümmter Facette bestehen. Die Einzelelementlinse 303 kann überwiegend meniskusförmig sein, wobei sowohl eine vordere Oberfläche 311 als auch eine hintere Oberfläche 312 asphärisch ist.With reference to 14 , an exemplary lens system 3 for use in some or all examples in which the endfire tapers 9 are arranged such that each point emitter 6 1 - 6 n lies substantially along or near a curved focal plane F may consist of a single element curved facet lens 303. The single element lens 303 may be predominantly meniscus-shaped with both a front surface 311 and a back surface 312 being aspherical.

Ein optischer Anschlag 315 vor der Linse 303 ist vorzugsweise >7 mm, vorzugsweise zwischen 7 mm und 30 mm und noch bevorzugter zwischen 12 mm und 16 mm Abstand zwischen dem Anschlag 315 und der Linse 303 entfernt, um ein mechanisches Spiel für den rotierenden Spiegel 4 oder 104 zu schaffen.An optical stop 315 in front of the lens 303 is preferably >7 mm, preferably between 7 mm and 30 mm and more preferably between 12 mm and 16 mm distance between the stop 315 and the lens 303 to create a mechanical clearance for the rotating mirror 4 or 104.

Die vordere Oberfläche 311 (in der Nähe des Anschlags 315) kann stark asphärisch, in der Nähe der optischen Achse OA im Wesentlichen flach und in der Nähe der äußeren Ränder konkav sein. Die vordere Oberfläche 311 kann als im Wesentlichen flach angesehen werden, auch wenn sie an einigen Punkten nahe der optischen Achse OA eine lokal konvexe Krümmung aufweist. Die hintere Oberfläche 312 (dem Bild am nächsten) erzeugt den größten Teil der optischen Leistung und ist stark konvex mit einem Krümmungsradius von 10 mm - 20 mm, vorzugsweise etwa 15 mm. Die Oberfläche des Bildes, d.h. die Brennebene F, ist zur Linse 303 hin konkav.The front surface 311 (near the stop 315) may be highly aspherical, substantially flat near the optical axis OA, and concave near the outer edges. The front surface 311 may be considered substantially flat, although it may have a locally convex curvature at some points near the optical axis OA. The rear surface 312 (nearest the image) produces most of the optical power and is highly convex with a radius of curvature of 10 mm - 20 mm, preferably about 15 mm. The surface of the image, i.e. the focal plane F, is concave toward the lens 303.

Die Mittendicke der Linse 303 kann größer als 10 mm sein, vorzugsweise zwischen 15 mm und 25 mm, besonders bevorzugt etwa 19 mm. Bei unzureichender Mittendicke lassen sich Abbildungsfehler nur schwer korrigieren, insbesondere bei weiten Sichtfeldern, und die erforderliche Krümmung der vorderen Oberfläche 311 und der hinteren Oberfläche 312 wird extrem und schwierig herzustellen.The center thickness of the lens 303 may be greater than 10 mm, preferably between 15 mm and 25 mm, more preferably about 19 mm. If the center thickness is insufficient, aberrations are difficult to correct, especially in wide fields of view, and the required curvature of the front surface 311 and the rear surface 312 becomes extreme and difficult to manufacture.

Die hier beschriebenen Dicken, Abstände und Radien gelten vorzugsweise für ein Linsensystem mit einer Gesamtbrennweite von 22 mm und würden bei anderen Entwurfs-Brennweiten linear mit der Brennweite skalieren, z. B. kann die Mittendicke größer als 5 mm sein und vorzugsweise zwischen 7.5 mm und 12.5 mm bei einer Systembrennweite von 11 mm. Die Mittendicke kann gleich oder größer als die Hälfte der Brennweite der ersten Linse 303 sein.The thicknesses, spacings and radii described here preferably apply to a lens system with a total focal length of 22 mm and would scale linearly with focal length for other design focal lengths, e.g., the center thickness may be greater than 5 mm and preferably between 7.5 mm and 12.5 mm for a system focal length of 11 mm. The center thickness may be equal to or greater than half the focal length of the first lens 303.

Das optische Material der Linse 303 kann Glas oder Kunststoff sein, vorzugsweise mit einem negativen thermooptischen Koeffizienten, z. B. dn/dt ca. -5×10-6 / °C. Die Linse 303 kann einen Brechungsindex von n > 1.6, vorzugsweise n > 1.75 und noch bevorzugter zwischen 1.7 und 1.8 haben. Das Gehäuse der Linse kann einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, z. B. Aluminium, 23.6×10-6 /°C. Dementsprechend führt die Kombination aus dem Material mit negativem thermooptischem Koeffizienten in der Linse 303 und dem Material mit positivem thermooptischem Koeffizienten im Gehäuse dazu, dass die Brennpunktverschiebung der Linse 303 über einen gewünschten Temperaturbereich, z. B. von -40 °C bis 105 °C, annähernd Null ist. Dementsprechend wird sich die Brennebene F bei Temperaturänderungen nicht wesentlich verschieben.The optical material of the lens 303 may be glass or plastic, preferably with a negative thermo-optic coefficient, e.g. dn/dt approximately -5×10 -6 / °C. The lens 303 may have a refractive index of n > 1.6, preferably n > 1.75, and more preferably between 1.7 and 1.8. The housing of the lens may have a positive thermal expansion coefficient, e.g. aluminum, 23.6×10 -6 / °C. Accordingly, the combination of the material with a negative thermo-optic coefficient in the lens 303 and the material with a positive thermo-optic coefficient in the housing results in the focal point shift of the lens 303 being approximately zero over a desired temperature range, e.g. from -40 °C to 105 °C. Accordingly, the focal plane F will not shift significantly with temperature changes.

Die Einzelelementlinse 303 kann ohne Rücksicht auf Dispersion oder chromatische Aberration entworfen werden, wenn die optische Emittervorrichtung 1, 1', 1" oder 101 bei einer einzigen Wellenlänge oder einem kleinen Wellenlängenbereich im nahen IR, z. B. zwischen 1200 und 1700 nm, arbeitet.The single element lens 303 can be designed without regard to dispersion or chromatic aberration when the optical emitter device 1, 1', 1" or 101 operates at a single wavelength or a small range of wavelengths in the near IR, e.g. between 1200 and 1700 nm.

Es ist wünschenswert, eine optische Emittervorrichtung 1, 1', 1" oder 101 so zu entwerfen, dass ein Einzellinsenelement 303 anstelle einer Vielzahl von Elementen verwendet wird, weil dadurch mechanische Zwänge in der Vorrichtung reduziert werden, z. B. die Ausrichtung und Zentrierung mehrerer optischer Elemente und die Präzisionsbearbeitung eines Gehäuses, um diese Ausrichtung zu erreichen. Die Beseitigung optischer Aberrationen, insbesondere der sphärischen Aberration und der Koma, ist jedoch mit weniger Oberflächen schwieriger. Die Verwendung asphärischer Oberflächen in einem Entwurf, der ungefähr konzentrisch um den Anschlag 315 ist, ermöglicht die Minimierung dieser Aberrationen. Die gekrümmte Brennebene F beseitigt auch die Notwendigkeit, die Feldkrümmung des optischen Systems zu korrigieren, wofür sonst in der Regel mehr Linsenelemente erforderlich wären.It is desirable to design an optical emitter device 1, 1', 1" or 101 using a single lens element 303 rather than a plurality of elements because it reduces mechanical constraints in the device, such as aligning and centering multiple optical elements and precision machining of a housing to achieve this alignment. However, eliminating optical aberrations, particularly spherical aberration and coma, is more difficult with fewer surfaces. Using aspherical surfaces in a design that is approximately concentric about the stop 315 allows these aberrations to be minimized. The curved focal plane F also eliminates the need to correct the field curvature of the optical system, which would otherwise typically require more lens elements.

Nachstehend sind die numerischen Daten einer beispielhaften Einzelelementlinse 303 in Einheiten von mm unter Bezugnahme auf 14 dargestellt, wobei die Koeffizienten A2, A4, A6, A8, A10 und A12 asphärische Koeffizienten für den Oberflächen-Durchhang z (d.h. die Verschiebung in Richtung der optischen Achse) für einen gegebenen radialen Abstand von der optischen Achse r sind, wobei c der Kehrwert des sphärischen Krümmungsradius ist und k die Kegelkonstante ist, gemäß der Gleichung z = c r 2 1 + 1 ( 1 + k ) c 2 r 2 + A 2 r 2 + A 4 r 4 + A 6 r 6 + A 8 r 8 + A 10 r 10 + A 12 r 12

Figure DE112023000936T5_0002
Beispiel Linsensystem-Daten Brennweite 22 mm f/# 2.2 Voll-Winkel Sichtfeld 30 Grad Entwurfs-Wellenlänge 1550 nm Beispiel Oberfläche Daten Oberfläche 315 (Stop) 311 312 6 (Bild) Radius 105.38 -17.69 -37.24 Abstand zur nächsten Oberfläche 14 18.72 20.32 Index (nd) 1.778 Abbe-Zahl (vd) 23.91 k 0 0 A2 6.07E-05 -5.85E-06 A4 -6.07E-05 4.90E-06 A6 -2.59E-07 -1.43E-08 A8 3.71E-10 -4.41E-11 A10 -3.26E-11 -1.30E-13 A12 0 1.23E-15 The following are the numerical data of an exemplary single element lens 303 in units of mm with reference to 14 where the coefficients A 2 , A 4 , A 6 , A 8 , A 10 and A 12 are aspherical coefficients for the surface sag z (ie the displacement in the direction of the optical axis) for a given radial distance from the optical axis r, where c is the inverse of the spherical radius of curvature and k is the cone constant, according to the equation z = c r 2 1 + 1 ( 1 + k ) c 2 r 2 + A 2 r 2 + A 4 r 4 + A 6 r 6 + A 8 r 8 + A 10 r 10 + A 12 r 12
Figure DE112023000936T5_0002
Example lens system data focal length 22 mm f/# 2.2 full-angle field of view 30 degrees design wavelength 1550 nm Example Surface Data surface 315 (Stop) 311 312 6 (picture) radius 105.38 -17.69 -37.24 distance to the nearest surface 14 18.72 20:32 Index (n d ) 1,778 Abbe number (v d ) 23.91 k 0 0 A 2 6.07E-05 -5.85E-06 A 4 -6.07E-05 4.90E-06 A 6 -2.59E-07 -1.43E-08 A 8 3.71E-10 -4.41E-11 A 10 -3.26E-11 -1.30E-13 A 12 0 1.23E-15

Die oben beschriebenen Abmessungen des Linsensystems sind für eine Brennweite von 22 mm geeignet.The dimensions of the lens system described above are suitable for a focal length of 22 mm.

Die vorstehende Beschreibung einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die genaue Form zu beschränken, die offenbart wurde. Viele Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Es ist beabsichtigt, den Umfang der Offenbarung nicht durch diese detaillierte Beschreibung zu begrenzen.The foregoing description of one or more exemplary embodiments has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above teachings. It is intended not to limit the scope of the disclosure by this detailed description.

Claims (20)

Eine optische Emittervorrichtung, die Folgendes umfasst: eine erste Emitteranordnung, die eine Vielzahl von ersten Punktemittern umfasst, wobei jeder jeweilige erste Punktemitter so konfiguriert ist, dass er einen jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl emittiert, und so konfiguriert ist, dass er einen jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl empfängt; ein erstes Linsensystem, das so konfiguriert ist, dass es jeden jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl und jeden jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl basierend auf einer Position jedes jeweiligen ersten Punktemitters relativ zu einer ersten optischen Achse des ersten Linsensystems formt und lenkt; und einen rotierenden Reflektor, der so konfiguriert ist, dass er jeden jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl in einem Winkel zu der ersten optischen Achse nach außen umlenkt, und der so konfiguriert ist, dass er jeden jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl auf die erste Emitteranordnung umlenkt.An optical emitter device comprising: a first emitter assembly comprising a plurality of first point emitters, each respective first point emitter configured to emit a respective first output light beam and configured to receive a respective first input light beam; a first lens system configured to shape and direct each respective first output light beam and each respective first input light beam based on a position of each respective first point emitter relative to a first optical axis of the first lens system; and a rotating reflector configured to redirect each respective first output light beam outward at an angle to the first optical axis and configured to redirect each respective first input light beam onto the first emitter assembly. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Emitteranordnung in einer ersten Ebene liegt, die im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse des rotierenden Reflektors verläuft.The optical emitter device according to claim 1 , wherein the first emitter arrangement lies in a first plane which is substantially parallel to an axis of rotation of the rotating reflector. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste optische Achse des ersten Linsensystems in einer zweiten Ebene liegt, die senkrecht zu der ersten Ebene und normal zu der Rotationsachse des rotierenden Reflektors verläuft.The optical emitter device according to claim 2 , wherein the first optical axis of the first lens system lies in a second plane which is perpendicular to the first plane and normal to the axis of rotation of the rotating reflector. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der rotierende Reflektor eine oszillierende reflektierende Oberfläche aufweist, die um eine Rotationsachse in einer ersten Richtung und in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung rotiert.The optical emitter device according to claim 1 , wherein the rotating reflector has an oscillating reflective surface that rotates about an axis of rotation in a first direction and in a second direction opposite to the first direction. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der rotierende Reflektor um etwa 45° in der ersten Richtung und um etwa 45° in der zweiten Richtung rotiert.The optical emitter device according to claim 4 , wherein the rotating reflector rotates by approximately 45° in the first direction and by approximately 45° in the second direction. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Rotationsachse gegenüber der ersten optischen Achse versetzt ist.The optical emitter device according to claim 4 , wherein the rotation axis is offset from the first optical axis. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Rotationsachse senkrecht zu der ersten optischen Achse des ersten Linsensystems verläuft.The optical emitter device according to claim 4 , wherein the axis of rotation is perpendicular to the first optical axis of the first lens system. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens eine Lichtquelle zur Erzeugung der jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen; eine erste Photodetektorschaltung zum Detektieren der ersten Eingangslichtstrahlen, die von der Vielzahl von Punktemittern empfangen werden; und einen Strahlenteiler, um die jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen auf die Vielzahl von Punktemittern und die jeweiligen ersten Eingangslichtstrahlen auf die erste Photodetektorschaltung zu lenken.The optical emitter device according to claim 1 , further comprising: at least one light source for generating the respective first output light beams; a first photodetector circuit for detecting the first input light beams received from the plurality of point emitters; and a beam splitter for directing the respective first output light beams to the plurality of point emitters and the respective first input light beams to the first photodetector circuit. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Strahlenteiler auch so konfiguriert ist, dass er einen Teil der jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen als lokales Oszillatorlicht auf die erste Photodetektorschaltung lenkt.The optical emitter device according to claim 8 , wherein the beam splitter is also configured to direct a portion of the respective first output light beams as local oscillator light to the first photodetector circuit. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 8, die ferner eine erste Schaltmatrix umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen selektiv auf einen der Vielzahl von Punktemittern lenkt, und die so konfiguriert ist, dass sie die jeweiligen ersten Eingangslichtstrahlen selektiv auf die erste Photodetektorschaltung lenkt.The optical emitter device according to claim 8 further comprising a first switching matrix configured to selectively direct the respective first output light beams to one of the plurality of point emitters and configured to selectively direct the respective first input light beams to the first photodetector circuit. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Steuerung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die mindestens eine Lichtquelle, die erste Schaltmatrix, eine Winkelposition des rotierenden Reflektors und die erste Photodetektorschaltung koordiniert zum Senden von jeden ersten Ausgangslichtstrahls und zum Empfangen von jeden ersten Eingangslichtstrahls nacheinander über die erste Schaltmatrix und die Vielzahl von ersten Punktemittern.The optical emitter device according to claim 10 further comprising a controller configured to coordinate the at least one light source, the first switching matrix, an angular position of the rotating reflector, and the first photodetector circuit to transmit each first output light beam and receive each first input light beam sequentially via the first switching matrix and the plurality of first point emitters. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend: eine zweite Photodetektorschaltung; und einen Polarisationsstrahlenteiler zum Teilen der ersten Eingangslichtstrahlen in einen ersten Teilstrahl mit einem ersten Polarisationsmodus zur Übertragung an die erste Photodetektorschaltung und in einen zweiten Teilstrahl mit einem zweiten Polarisationsmodus zur Übertragung an die zweite Photodetektorschaltung.The optical emitter device according to claim 8 , further comprising: a second photodetector circuit; and a polarization beam splitter for splitting the first input light beams into a first sub-beam having a first polarization mode for transmission to the first photodetector circuit and into a second sub-beam having a second polarization mode for transmission to the second photodetector circuit. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 12, die ferner einen Polarisationsrotator zur Umwandlung des zweiten Polarisationsmodus des zweiten Teilstrahls in den ersten Polarisationsmodus umfasst.The optical emitter device according to claim 12 , further comprising a polarization rotator for converting the second polarization mode of the second partial beam into the first polarization mode. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 12, die ferner umfasst: eine erste Schaltmatrix, die so konfiguriert ist, dass sie die jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen selektiv auf einen der Vielzahl von Punktemittern lenkt, und die so konfiguriert ist, dass sie die ersten Teilstrahlen selektiv auf die erste Photodetektorschaltung lenkt; eine zweite Schaltmatrix, die so konfiguriert ist, dass sie die zweiten Teilstrahlen selektiv auf die zweite Photodetektorschaltung lenkt; eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie die mindestens eine Lichtquelle, die erste Schaltmatrix, die zweite Schaltmatrix, eine Winkelposition des rotierenden Reflektors, die erste Photodetektorschaltung und die zweite Photodetektorschaltung koordiniert, um jeden ersten Ausgangslichtstrahl an die Vielzahl von ersten Punktemittern zu übertragen und um jeden ersten Teilstrahl an der ersten Photodetektorschaltung und jeden zweiten Teilstrahl an der zweiten Photodetektorschaltung zu empfangen.The optical emitter device according to claim 12 , further comprising: a first switching matrix configured to selectively direct the respective first output light beams to one of the plurality of point emitters and configured to selectively direct the first sub-beams to the first photodetector circuit; a second switching matrix configured to selectively direct the second sub-beams to the second photodetector circuit; a controller configured to coordinate the at least one light source, the first switching matrix, the second switching matrix, an angular position of the rotating reflector, the first photodetector circuit, and the second photodetector circuit to transmit each first output light beam to the plurality of first point emitters and to receive each first sub-beam at the first photodetector circuit and each second sub-beam at the second photodetector circuit. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 12, die ferner eine zusätzliche Länge eines Lichtwellenleiters in einem ersten optischen Pfad zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler und der ersten Photodetektorschaltung oder in einem zweiten optischen Pfad zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler und der zweiten Photodetektorschaltung umfasst, um sicherzustellen, dass der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad einen gleichen Abstand haben.The optical emitter device according to claim 12 further comprising an additional length of optical fiber in a first optical path between the polarization beam splitter and the first photodetector circuit or in a second optical path between the polarization beam splitter and the second photodetector circuit to ensure that the first optical path and the second optical path are equidistant. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Strahlenteiler auch so konfiguriert ist, dass er einen ersten Teil der jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen als erstes lokales Oszillatorlicht auf die erste Photodetektorschaltung und einen zweiten Teil der jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahlen als zweites lokales Oszillatorlicht auf die zweite Photodetektorschaltung lenkt; und die des Weiteren einen Phasenschieber in mindestens einem der folgenden Elemente umfasst: dem ersten lokalen Oszillator, dem zweiten lokalen Oszillator, einem dritten optischen Pfad zwischen dem Strahlenteiler und der ersten Photodetektorschaltung oder in einem vierten optischen Pfad zwischen dem Strahlenteiler und der zweiten Photodetektorschaltung, der konfiguriert ist um eine erste relative Phase zwischen dem ersten Teilstrahl und dem ersten lokalen Oszillatorlicht und eine zweite relative Phase zwischen dem zweiten Teilstrahl und dem zweiten lokalen Oszillatorlicht im Wesentlichen auszugleichen.The optical emitter device according to claim 12 , wherein the beam splitter is also configured to direct a first portion of the respective first output light beams as first local oscillator light to the first photodetector circuit and a second portion of the respective first output light beams as second local oscillator light to the second photodetector circuit; and further comprising a phase shifter in at least one of the first local oscillator, the second local oscillator, a third optical path between the beam splitter and the first photodetector circuit, or in a fourth optical path between the beam splitter and the second photodetector circuit, configured to substantially equalize a first relative phase between the first sub-beam and the first local oscillator light and a second relative phase between the second sub-beam and the second local oscillator light. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein äußeres Ende von mindestens einigen der Vielzahl von ersten Punktemittern im Wesentlichen in einer ersten Brennebene des ersten Linsensystems angeordnet sind.The optical emitter device according to claim 1 wherein an outer end of at least some of the plurality of first point emitters are disposed substantially in a first focal plane of the first lens system. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste Brennebene des ersten Linsensystems einen im Wesentlichen gekrümmten Abschnitt umfasst, und wobei das äußere Ende von mindestens einigen der Vielzahl von ersten Punktemittern in der Nähe der ersten Brennebene angeordnet ist.The optical emitter device according to claim 17 , wherein the first focal plane of the first lens system includes a substantially curved portion, and wherein the outer end of at least some of the plurality of first point emitters is disposed proximate the first focal plane. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 18, wobei das erste Linsensystem aus einer einzigen Linse besteht, die Folgendes umfasst: eine vordere asphärische Oberfläche und eine hintere, im Wesentlichen konvexe asphärische Oberfläche, und eine Mittendicke von mehr als einer Hälfte einer Brennweite des ersten Linsensystems.The optical emitter device according to claim 18 wherein the first lens system consists of a single lens comprising: a front aspherical surface and a rear substantially convex aspherical surface, and a center thickness of more than one-half a focal length of the first lens system. Die optische Emittervorrichtung nach Anspruch 19, wobei das erste Linsensystem ein Material mit einem negativen thermooptischen Koeffizienten und ein Linsengehäuse mit einer positiven thermischen Ausdehnung umfasst, so dass sich die Brennebene nicht wesentlich mit der Temperatur bewegt.The optical emitter device according to claim 19 wherein the first lens system comprises a material having a negative thermo-optic coefficient and a lens housing having a positive thermal expansion such that the focal plane does not move significantly with temperature.
DE112023000936.8T 2022-02-15 2023-02-09 Hybrid Two-Dimensional Steering Lidar Pending DE112023000936T5 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/672,162 US20220244360A1 (en) 2020-08-26 2022-02-15 Hybrid two-dimensional steering lidar
US17/672,162 2022-02-15
PCT/US2023/062242 WO2023158957A2 (en) 2022-02-15 2023-02-09 Hybrid two-dimensional steering lidar

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112023000936T5 true DE112023000936T5 (en) 2025-02-20

Family

ID=87578944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112023000936.8T Pending DE112023000936T5 (en) 2022-02-15 2023-02-09 Hybrid Two-Dimensional Steering Lidar

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN118647903A (en)
DE (1) DE112023000936T5 (en)
WO (1) WO2023158957A2 (en)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006083998A2 (en) * 2005-02-03 2006-08-10 Pd-Ld, Inc. High-power, phased-locked, laser arrays
JP5137428B2 (en) * 2007-03-13 2013-02-06 キヤノン株式会社 Optical scanning device and image forming apparatus using the same
US11353556B2 (en) * 2017-12-07 2022-06-07 Ouster, Inc. Light ranging device with a multi-element bulk lens system
CA3226819A1 (en) * 2018-08-10 2020-02-13 Aurora Operations, Inc. Method and system for scanning of coherent lidar with fan of collimated beams
US20220003842A1 (en) * 2020-07-02 2022-01-06 Robert Bosch Gmbh Lidar Module With Monolithic Array
US20220065999A1 (en) * 2020-08-26 2022-03-03 Voyant Photonics Inc. Hybrid two-dimensional steering lidar
US20220244360A1 (en) * 2020-08-26 2022-08-04 Voyant Photonics, Inc. Hybrid two-dimensional steering lidar

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023158957A2 (en) 2023-08-24
CN118647903A (en) 2024-09-13
WO2023158957A3 (en) 2023-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112021004479T5 (en) Hybrid two-dimensional steering LIDAR
DE102021206974B4 (en) LIDAR MODULE WITH MONOLITHIC ARRAY
DE112017000127B4 (en) High-precision 2D lidar scanning with a rotatable concave mirror and a beam steering device
DE69220716T2 (en) Optical beamformer with time delay for a phase controlled group antenna
DE112021005950T5 (en) LIGHT DIRECTION WITH OPTICAL PHASED ARRAY
DE69915648T2 (en) Beam deflector and scanner
DE69126793T2 (en) OPTICAL ARRANGEMENT
DE112019000517B4 (en) Lidar device, driver assistance system and vehicle
US20220244360A1 (en) Hybrid two-dimensional steering lidar
EP3673290A1 (en) Transmitting device for a lidar scanner having a scanning mirror covered by a cover element
EP0735397A2 (en) Micro-optical device for transforming beams of a laser diode array and method for the production of such a device
EP0631163A1 (en) Bidirectional optical transceiver
EP3832344B1 (en) Optoelectronic sensor and method for detecting an object
EP4162289B1 (en) Lidar system with coarse angle control
EP0992141B1 (en) Device for transmitting optical signals having different frequencies
WO2019115782A1 (en) Device for deflecting laser beams
DE102016221806A1 (en) Optical components for wavelength division multiplexing with high density optical interconnect modules
DE112021003699T5 (en) emitter array
WO2024133312A1 (en) Device for generating and displaying an image on a monitoring field using a refractive waveguide
EP1601072B1 (en) Beam shaping optics and module for a diode laser assembly
DE112022005013T5 (en) OPTICAL PHASE ARRAY LIGHT SHAPING
DE69323536T2 (en) Optical method for heterodyne detection and device for its practical application
DE112023000936T5 (en) Hybrid Two-Dimensional Steering Lidar
US7548375B2 (en) Method and device for influencing light
DE112021003714T5 (en) emitter array