Title:
Verfahren zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays, Verfahren zum Erkennen eines Objekts mittels eines optischen Phasen-Arrays und optisches System
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays (102). Hierbei wird ein Messsignal (116) eingelesen, das eine Intensitätsverteilung und/oder eine Wellenfront eines von dem optischen Phasen-Array (102) ausgesandten Lichtsignals (104) repräsentiert. Das Messsignal (116) wird in einem weiteren Verfahrensschritt mit einem Referenzsignal verglichen, um einen Abweichungswert (120) einer Abweichung zwischen dem Messsignal (116) und dem Referenzsignal zu ermitteln. Schließlich wird unter Verwendung des Abweichungswertes (120) ein Steuersignal (124) zum Ansteuern des optischen Phasen-Arrays (102) erzeugt.




Inventors:
Caspers, Jan Niklas (70178, Stuttgart, DE)
Fiess, Reinhold (77770, Durbach, DE)
Graf, Tobias (70469, Stuttgart, DE)
Application Number:
DE102016216711A
Publication Date:
03/08/2018
Filing Date:
09/05/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Foreign References:
201002320072010-09-16
201601392662016-05-19
201602163702016-07-28
Claims:
1. Verfahren (500) zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays (102), wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst:
Einlesen (510) eines Messsignals (116), das eine Intensitätsverteilung und/oder eine Wellenfront eines von dem optischen Phasen-Array (102) ausgesandten Lichtsignals (104) repräsentiert;
Vergleichen (520) des Messsignals (116) mit einem Referenzsignal, um einen Abweichungswert (120) einer Abweichung zwischen dem Messsignal (116) und dem Referenzsignal zu ermitteln; und
Erzeugen (530) eines Steuersignals (124) zum Ansteuern des optischen Phasen-Arrays (102) unter Verwendung des Abweichungswertes (120).

2. Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Einlesens (510) ein Signal als das Messsignal (116) eingelesen wird, das eine Intensitätsverteilung des Lichtsignals (104) in einem Fernfeld des optischen Phasen-Arrays (102) repräsentiert.

3. Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Vergleichens (520) das Messsignal (116) mit einem eine Referenzintensitätsverteilung und/oder eine Referenzwellenfront repräsentierenden Signal als dem Referenzsignal verglichen wird, um einen lateralen Versatz zwischen der durch das Messsignal (116) repräsentierten Intensitätsverteilung und der Referenzintensitätsverteilung und/oder zwischen der durch das Messsignal (116) repräsentierten Wellenfront und der Referenzwellenfront als den Abweichungswert (120) zu ermitteln.

4. Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einlesens (510) ein Signal als das Messsignal (116) eingelesen wird, dessen Phasenverteilung im Wesentlichen gleich einer Phasenverteilung des Lichtsignals (104) ist.

5. Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Erzeugens (530) das Steuersignal (124) erzeugt wird, um die Abweichung zu korrigieren.

6. Verfahren (600) zum Erkennen eines Objekts (202) mittels eines optischen Phasen-Arrays (102), wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst:
Einlesen (610) eines Messsignals (116), das eine Intensitätsverteilung und/oder eine Wellenfront eines von dem optischen Phasen-Array (102) ausgesandten Lichtsignals (104) repräsentiert, und eines Detektorsignals (206), das einen durch das Objekt (202) reflektierten Anteil (204) des Lichtsignals (104) repräsentiert;
Vergleichen (620) des Messsignals (116) mit einem Referenzsignal, um einen Abweichungswert (120) einer Abweichung zwischen dem Messsignal (116) und dem Referenzsignal zu ermitteln; und
Auswerten (630) des Detektorsignals (206) unter Verwendung des Abweichungswertes (120), um das Objekt (202) zu erkennen.

7. Vorrichtung (112) mit Einheiten (114, 118, 122; 208), die ausgebildet sind, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder das Verfahren (600) gemäß Anspruch 6 auszuführen und/oder anzusteuern.

8. Optisches System (100) mit folgenden Merkmalen:
einem optischen Phasen-Array (102) zum Aussenden eines Lichtsignals (104);
einer Messeinrichtung (108) zum Messen einer Intensitätsverteilung und/oder einer Wellenfront des Lichtsignals (104); und
einer Vorrichtung (112) gemäß Anspruch 7.

9. Optisches System (100) gemäß Anspruch 8, mit einer optischen Einrichtung (126) zum Auskoppeln eines Rückkopplungssignals (130) aus dem Lichtsignal (104), wobei die optische Einrichtung (126) ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal (130) auf die Messeinrichtung (108) zu lenken, wobei die Messeinrichtung (108) ausgebildet ist, um die Intensitätsverteilung und/oder die Wellenfront unter Verwendung des Rückkopplungssignals (130) zu messen.

10. Optisches System (100) gemäß Anspruch 9, bei dem die optische Einrichtung (126) zumindest ein Strahlteilerelement (400) und/oder zumindest ein Spiegelelement (402) und/oder zumindest ein Linsenelement (404) aufweist.

11. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder das Verfahren (600) gemäß Anspruch 6 auszuführen und/oder anzusteuern.

12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.

Description:
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.

In der Radartechnologie gehören Gruppierungen einzelner Antennen mit individueller Phasen- oder auch Amplitudensteuerung, sogenannte Phasen-Array-Antennen, mittlerweile zum Stand der Technik. Auch in der Telekommunikation können Phasen-Array-Antennen eingesetzt werden, da sie eine bessere Performanz, ein geringes Gewicht, einen geringen Bauraum und eine flexible Formung eines Antennenprofils ermöglichen.

Im Bereich optischer Wellenlängen, vor allem im Infrarotbereich, besteht derzeit großes Forschungsinteresse an der Umsetzung optischer Phasen-Arrays mit integrierten photonischen Elementen. Mögliche Ansätze für die Herstellung optischer Phasen-Arrays mit CMOS-Prozessen (CMOS = complementary metal-oxide-semiconductor) oder SOI-Prozessen (SOI = silicon on insulator) wurden zum Beispiel im Rahmen des SWEEPER-Programms (SWEEPER = Short-Range, Wide Field-of-View Extremely agile, Electronically Steered Photonic Emitter) der DARPA untersucht.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays, ein Verfahren zum Erkennen eines Objekts mittels eines optischen Phasen-Arrays, weiterhin eine Vorrichtung, die zumindest eines dieser Verfahren verwendet, ein optisches System sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Es wird ein Verfahren zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Einlesen eines Messsignals, das eine Intensitätsverteilung und/oder eine Wellenfront eines von dem optischen Phasen-Array ausgesandten Lichtsignals repräsentiert;

Vergleichen des Messsignals mit einem Referenzsignal, um einen Abweichungswert einer Abweichung zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal zu ermitteln; und

Erzeugen eines Steuersignals zum Ansteuern des optischen Phasen-Arrays unter Verwendung des Abweichungswertes.

Unter einem optischen Phasen-Array kann ein Array aus einer Mehrzahl einzeln ansteuerbarer Antennenelemente zum Aussenden von Lichtstrahlen verstanden werden, wobei durch eine Überlagerung der von den Antennenelementen ausgesandten Lichtstrahlen eine bestimmte Abstrahlcharakteristik des optischen Phasen-Arrays realisiert werden kann. Die Abstrahlcharakteristik kann allein über die Ansteuerung der Antennenelemente veränderbar sein, etwa durch Ändern einer Amplituden- oder Phaseneinstellung einzelner Antennenelemente, ohne dass hierzu eine Bewegung des optischen Phasen-Arrays erforderlich ist. Das optische Phasen-Array kann beispielsweise in einem Prozess der Halbleitertechnologie, etwa auf Siliziumbasis, gefertigt sein.

Unter einem Messsignal kann beispielsweise ein von dem Lichtsignal mittels einer geeigneten optischen Einrichtung ausgekoppeltes Rückkopplungssignal verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Messsignal auch um ein Signal eines Wellenfrontsensors, auch Shack-Hartmann-Sensor genannt, handeln. Das Messsignal kann zudem ein mittels einer optischen Fourier-Transformation erzeugtes Signal repräsentieren. Unter einem Lichtsignal kann ein elektromagnetisches Signal im Bereich sichtbaren Lichts verstanden werden. Unter einem Referenzsignal kann beispielsweise ein Sollwert eines Strahlprofils des optischen Phasen-Arrays verstanden werden. Bei der Intensitätsverteilung kann es sich je nach Ausführungsform um eine Intensitätsverteilung in einem Nah- oder Fernfeld des optischen Phasen-Arrays handeln. Beispielsweise kann das Steuersignal erzeugt werden, um einzelne Antennenelemente des optischen Phasen-Arrays derart anzusteuern, dass die Abweichung kompensiert oder korrigiert wird.

Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass über eine geeignete Rückkopplung ein Strahlprofil oder eine Phasenverteilung eines optischen Phasen-Arrays direkt überwacht und gegebenenfalls aktiv korrigiert werden kann. Dadurch ist es möglich, Schwankungen des Strahlprofils oder der Phasenverteilung, etwa aufgrund von Umgebungseinflüssen oder einer betriebsbedingten Wärmeentwicklung, entgegenzuwirken. Die Rückkopplung kann beispielsweise über Fernfeldmessungen zur Bestimmung einer Fernfeldintensitätsverteilung oder, zusätzlich oder alternativ, über eine Wellenfrontmessung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass die emittierte Lichtverteilung im Betrieb effektiv überwacht werden kann und beispielsweise über eine Modifikation einer Phasenverteilung einzelner Antennen des optischen Phasen-Arrays korrigiert werden kann.

Beispielsweise kann eine derartige Korrektur unter Verwendung tabellierter Konfigurationen oder auch aktiv durch Optimierungsalgorithmen, etwa in Anlehnung an den Gerchberg-Saxton-Algorithmus für diffraktive Phasenelemente oder evolutionäre Algorithmen, erfolgen. Alternativ besteht anstelle einer aktiven Korrektur der Phasenelemente die Möglichkeit, die beobachteten Abweichungen von der Idealverteilung auf der Grundlage von Messergebnissen einer Kontrollschleife in der Datenauswertung zu kompensieren.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einlesens ein Signal als das Messsignal eingelesen werden, das eine Intensitätsverteilung des Lichtsignals in einem Fernfeld des optischen Phasen-Arrays repräsentiert. Dadurch können erforderliche Korrekturen in einer Phasenverteilung des optischen Phasen-Arrays aufgrund eines mathematischen Zusammenhangs zwischen Fourier-Transformation und Fraunhofer-Beugung besonders effizient berechnet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Vergleichens das Messsignal mit einem eine Referenzintensitätsverteilung repräsentierenden Signal als dem Referenzsignal verglichen werden, um einen lateralen Versatz zwischen der durch das Messsignal repräsentierten Intensitätsverteilung und der Referenzintensitätsverteilung zu ermitteln. Zusätzlich oder alternativ kann das Referenzsignal eine Referenzwellenfront repräsentieren, wobei das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen werden kann, um einen lateralen Versatz zwischen der durch das Messsignal repräsentierten Wellenfront und der Referenzwellenfront als den Abweichungswert zu ermitteln. Dadurch kann der Abweichungswert mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand präzise ermittelt werden.

Es ist vorteilhaft, wenn im Schritt des Einlesens ein Signal als das Messsignal eingelesen wird, dessen Phasenverteilung im Wesentlichen gleich einer Phasenverteilung des Lichtsignals ist. Dadurch können Ungenauigkeiten beim Vergleichen des Messsignals mit dem Referenzsignal möglichst gering gehalten werden. Somit kann eine hohe Genauigkeit des Verfahrens gewährleistet werden.

Des Weiteren kann im Schritt des Erzeugens das Steuersignal erzeugt werden, um die Abweichung zu korrigieren. Dadurch können Zielvorgaben bezüglich der von dem optischen Phasen-Array emittierten Lichtverteilung eingehalten werden.

Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Erkennen eines Objekts mittels eines optischen Phasen-Arrays, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen eines Messsignals, das eine Intensitätsverteilung und/oder eine Wellenfront eines von dem optischen Phasen-Array ausgesandten Lichtsignals repräsentiert, und eines Detektorsignals, das einen durch das Objekt reflektierten Anteil des Lichtsignals repräsentiert;
Vergleichen des Messsignals mit einem Referenzsignal, um einen Abweichungswert einer Abweichung zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal zu ermitteln; und

Auswerten des Detektorsignals unter Verwendung des Abweichungswertes, um das Objekt zu erkennen.

Unter einem Detektorsignal kann ein von einer Detektoreinrichtung, wie beispielsweise einem Lidar- oder Ladar-Sensor oder einem sonstigen optischen Sensor, erzeugtes Signal verstanden werden.

Diese Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.

Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung eines Fahrzeugs. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs. Zudem schafft der hier beschriebene Ansatz ein optisches System mit folgenden Merkmalen:
einem optischen Phasen-Array zum Aussenden eines Lichtsignals;
einer Messeinrichtung zum Messen einer Intensitätsverteilung und/oder einer Wellenfront des Lichtsignals des Lichtsignals; und
einer Vorrichtung gemäß einer vorstehenden Ausführungsform.

Bei der Messeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen optischen Sensor handeln.

Gemäß einer Ausführungsform kann das optische System eine optische Einrichtung zum Auskoppeln eines Rückkopplungssignals aus dem Lichtsignal aufweisen. Die optische Einrichtung kann ausgebildet sein, um das Rückkopplungssignal auf die Messeinrichtung zu lenken. Entsprechend kann die Messeinrichtung ausgebildet sein, um die Intensitätsverteilung und/oder die Wellenfront unter Verwendung des Rückkopplungssignals zu messen. Bei der optischen Einrichtung kann es sich beispielsweise um ein Strahlteilerelement, ein Linsenelement, insbesondere etwa eine Sammellinse, auch Fourier-Linse genannt, ein Spiegelelement, ein holografisches Element oder ein sonstiges refraktives, diffraktives oder reflexives Element oder eine Kombination aus mehreren optischen Bauelementen handeln. Beispielsweise kann es sich bei der optischen Einrichtung in einen Fraunhofer-Aufbau für die Beobachtung einer Fernfeldintensitätsverteilung des optischen Phasen-Arrays handeln. Durch diese Ausführungsform kann eine möglichst genaue Rückkopplung sichergestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die optische Einrichtung zumindest ein Strahlteilerelement, zumindest ein Spiegelelement, zumindest ein Linsenelement oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Elemente aufweisen. Unter einem Strahlteilerelement kann beispielsweise ein Strahlteilerwürfel oder ein halbdurchlässiger Spiegel verstanden werden. Unter einem Linsenelement kann beispielsweise eine Sammellinse verstanden werden. Insbesondere kann das Linsenelement als Fourieroptik fungieren. Durch diese Ausführungsform kann die optische Einrichtung kostengünstig und mit geringem Aufwand realisiert werden.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;

2 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;

3 eine schematische Darstellung einer Funktionsweise eines Fraunhofer-Aufbaus für die Beobachtung einer Fernfeldintensitätsverteilung;

4 eine schematische Darstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays; und

6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erkennen eines Objekts mittels eines optischen Phasen-Arrays.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Blockdiagramm für die Erkennung einer Abweichung eines von einem optischen Phasen-Array 102 ausgesandten Lichtsignals 104 von einem idealen Strahl. Das optische System 100 umfasst einen ersten Block 106 aus einer Sendeeinheit in Form des optischen Phasen-Arrays 102, kurz OPA, und einer Empfangseinheit in Form einer Messeinrichtung 108 zum Messen einer Intensitätsverteilung oder, zusätzlich oder alternativ, einer Wellenfront des Lichtsignals 104, etwa unter Verwendung einer Fresnel-Linse, und einen zweiten Block, der eine Vorrichtung 112 zur elektronischen Signalverarbeitung und Regelung des optischen Phasen-Arrays 102 repräsentiert.

Die Vorrichtung 112 umfasst eine Einleseeinheit 114 zum Einlesen eines von der Messeinrichtung 108 erzeugten Messsignals 116, das die Intensitätsverteilung bzw. die Wellenfront des Lichtsignals 104 repräsentiert. Die Einleseeinheit 114 leitet das Messsignal 116 an eine Vergleichseinheit 118 weiter, die ausgebildet ist, um das Messsignal 116 mit einem Referenzsignal zu vergleichen. Als Ergebnis des Vergleichs generiert die Vergleichseinheit 118 einen Abweichungswert 120, der eine Abweichung zwischen dem Messsignal 116 und dem Referenzsignal repräsentiert, d. h. zwischen einem Istwert und einem Sollwert des Ausgangssignals 104 des optischen Systems 100. Die Vergleichseinheit 118 sendet den Abweichungswert 120 an eine Erzeugungseinheit 122, die beispielsweise als eine Elektronikkomponente zur Regelung eines Phasenprofils des optischen Phasen-Arrays 102 realisiert ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vergleichseinheit 118 ausgebildet, um den Abweichungswert 120 unter Verwendung eines Algorithmus im Kontext eines Korrekturverfahrens zum Korrigieren der Abweichung zu generieren. Die Erzeugungseinheit 122 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Abweichungswertes 120 ein Steuersignal 124 zum Ansteuern des optischen Phasen-Arrays 102 zu erzeugen und an das optische Phasen-Array 102 zu übertragen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das optische System 100 mit einer optischen Einrichtung 126 ausgeführt, auch optisches Subsystem genannt. Die optische Einrichtung 126 ist ausgebildet, um das Lichtsignal 104 in ein Nutzlichtsignal 128, die eine bestimmte Nutzlichtverteilung repräsentiert, und ein Rückkopplungssignal 130 für den Regelkreislauf zum Regeln des optischen Phasen-Arrays 102 zu teilen, wobei das Rückkopplungssignal 130 durch die optische Einrichtung 126 auf die Messeinrichtung 108 gelenkt wird. Entsprechend ist die Messeinrichtung 108 ausgebildet, um das Messsignal 116 unter Verwendung des Rückkopplungssignals 130 zu erzeugen. Insbesondere ist die optische Einrichtung 126 ausgebildet, um das Rückkopplungssignal 130 derart aus dem Lichtsignal 104 auszukoppeln, dass eine Phasenverteilung des Messsignals 116 im Wesentlichen einer Phasenverteilung des Lichtsignals 104 entspricht.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das optische System 100 entspricht im Wesentlichen dem vorangehend anhand von 1 beschriebenen optischen System. Gezeigt ist ein Blockdiagramm einer Erkennung einer Abweichung des Strahlprofils des optischen Phasen-Arrays 102 und einer entsprechenden Korrektur in einer Objekterkennung und Detektorauswertung einer optionalen Detektoreinrichtung 200 des optischen Systems 100, etwa eines Lidar-Sensors. Das optische System 100 umfasst die Sende- und Empfangseinheit, das optische Subsystem für die Signalüberwachung sowie einen elektronischen Regelkreis für die Signalerzeugung und Regelung. Die Detektoreinrichtung 200 ist ausgebildet, um einen von einer Szenerie 202 reflektierten Anteil 204 des von dem optischen Phasen-Array 102 ausgesandten Lichtsignals 104, genauer des durch Aufspaltung des Lichtsignals 104 mittels der optischen Einrichtung 126 erhaltenen Nutzlichtsignals 128, zu detektieren. Hierbei erzeugt die Detektoreinrichtung 200 ein die Szenerie 202 repräsentierendes Detektorsignal 206 und sendet dieses an eine Auswerteeinheit 208 der Vorrichtung 112, die ferner den Abweichungswert 120 von der Vergleichseinheit 118 empfängt. Die Auswerteeinheit 208 ist ausgebildet, um zum Erkennen der Szenerie 202 das Detektorsignal 206 unter Verwendung des Abweichungswertes 120 auszuwerten.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Funktionsweise eines Fraunhofer-Aufbaus 300 für die Beobachtung einer Fernfeldintensitätsverteilung, wie sie beispielsweise von der vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Messeinrichtung gemessen werden kann. Der in 3 gezeigte Aufbau zeigt beispielsweise einen prinzipiellen Aufbau der vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen optischen Einrichtung. Der Fraunhofer-Aufbau 300 umfasst eine beugende Struktur 302 zum Beugen eines Lichtstrahls 304. Die beugende Struktur 302 ist in einem Abstand d zu einer Fourier-Linse 306 mit der Brennweite f angeordnet. Eine Brennebene 308 der Fourier-Linse 306 ist durch eine vertikale Linie angedeutet.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Einrichtung 126 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der optischen Einrichtung 126 kann es sich um die vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebene optische Einrichtung handeln. Gezeigt ist ein beispielhafter schematischer Aufbau zur Überwachung der Intensitätsverteilung im Fernfeld des optischen Phasen-Arrays 102, auch Fernfeldintensitätsverteilung genannt. Die optische Einrichtung 126 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel entsprechend dem vorangehend anhand von 3 beschriebenen Prinzip als Fraunhofer-Aufbau zur Durchführung einer optischen Fourier-Transformation realisiert. Hierzu umfasst die optische Einrichtung 126 beispielsweise ein Strahlteilerelement 400 zum Teilen des von dem optischen Phasen-Array 102 ausgesandten Lichtsignals 104 in das Rückkopplungssignal 130 und das Nutzlichtsignal 128 mit der entsprechenden Nutzlichtverteilung. Gegenüber dem Strahlteilerelement 400 ist ein Spiegelelement 402 angeordnet, das ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal 130 auf ein Linsenelement 404, hier eine Fourier-Linse, zu lenken. Das Linsenelement 404 ist ausgebildet, um das Rückkopplungssignal 130 auf die Detektoreinrichtung 200, die sich in der hinteren Brennebene des Linsenelements 404 befindet, zu lenken.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Aufbaus zur Regelung des optischen Phasen-Arrays 102 über Fernfeldmessungen anhand von 4 nochmals mit anderen Worten beschrieben.

Dem optischen Phasen-Array 102 ist eine optische Komponente, etwa das Strahlteilerelement 400, nachgeschaltet, die einen Teil des emittierten Lichts 104 aus dem Strahlengang auskoppelt. Optional erfolgt der Einsatz des Spiegelelements 402, das eben oder als Freiformfläche ausgebildet sein kann, um Unterschiede in der optischen Weglänge auszugleichen und den Phasenbezug für das Interferenzmuster weitestgehend zu erhalten. Die Erzeugung der Fernfeldverteilung erfolgt mittels einer Fourier-Linse als Linsenelement 404 auf der Detektoreinrichtung 200. Die Position der Nutzlichtverteilung wird beispielsweise mittels einer Kamera bestimmt. Laterale Verschiebungen erfolgen laut dem Verschiebungssatz etwa durch Nachregelung des Phasen-Arrays 102 mit einem linearen Phasenanteil, da die Fourier-Transformierte bezeichnet.

5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Ansteuern eines optischen Phasen-Arrays. Das Verfahren 500 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 510 das von der Messeinrichtung des optischen Systems erzeugte Messsignal eingelesen. Je nach Ausführungsbeispiel repräsentiert das Messsignal eine Intensitätsverteilung, insbesondere eine Fernfeldintensitätsverteilung, oder eine Wellenfront des von dem optischen Phasen-Array ausgesandten Lichts. In einem Schritt 520 wird das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen, um den Abweichungswert zu ermitteln. Schließlich wird in einem Schritt 530 das Steuersignal unter Verwendung des Abweichungswertes erzeugt.

6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 600 zum Erkennen eines Objekts mittels eines optischen Phasen-Arrays. Das Verfahren 600 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 610 das von der Messeinrichtung des optischen Systems erzeugte Messsignal sowie das von der Detektoreinrichtung erzeugte Detektorsignal eingelesen. Je nach Ausführungsbeispiel repräsentiert das Messsignal eine Intensitätsverteilung, insbesondere eine Fernfeldintensitätsverteilung, oder eine Wellenfront des von dem optischen Phasen-Array ausgesandten Lichts. In einem Schritt 620 wird das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen, um den Abweichungswert zu ermitteln. Schließlich wird in einem Schritt 630 das Detektorsignal unter Verwendung des Abweichungswertes ausgewertet, um das Objekt zu erkennen.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes anhand der 1 bis 6 nochmals mit anderen Worten zusammengefasst.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Anteil des vom Phasen-Array 102 emittierten Lichts 104 mittels des Strahlteilerelements 400, etwa eines durchlässigen Spiegels, eines Strahlteilerwürfels oder eines diffraktiven oder holografischen Elements, abgelenkt. Hierbei sollte allerdings auf die Erhaltung einer relativen Phasenverteilung geachtet werden, um eine Beeinflussung der Phasenverteilung durch die Auskopplung zu reduzieren. Die Erhaltung der relativen Phasenverteilung wird beispielsweise durch Verwendung des Spiegelelements 402 ermöglicht. In Abhängigkeit von Apertur und Divergenz des abgestrahlten Lichts 104 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel mittels eines Fraunhofer-Aufbaus, wie er beispielsweise in den 3 und 4 gezeigt ist, eine optische Fourier-Transformation zur Beobachtung der Fernfeldintensitätsverteilung in einer hinteren Brennebene der Fourier-Linse 404 realisiert. Anstelle einer klassischen refraktiven Linse kann auch ein diffraktives oder holografisches Element oder ein Mikrolinsen-Array als Linsenelement 404 eingesetzt werden. Beispielsweise ergeben sich durch die Verwendung eines Mikrolinsen-Arrays weitere Möglichkeiten für die Messung der Wellenfronten und die Bestimmung der Abweichung von der Zielvorgabe, etwa mittels eines Shack-Hartmann-Sensors.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Reflexionen, die an Optiken des optischen Systems 100 auftreten, genutzt. Dazu sollte zum einen sichergestellt werden, dass die Reflexionen die Phasenverteilung des ausgesandten Lichtsignals 104 aufrechterhalten. Zum anderen sollte sichergestellt werden, dass die Reflexionen nicht direkt auf das Phasen-Array 102, sondern auf die daneben liegende Detektoreinrichtung 200 treffen. Die Detektoreinrichtung 200 kann beispielsweise als Detektoren-Array realisiert sein.

Der Vorteil einer Messung der Fernfeldintensität besteht im mathematischen Zusammenhang von Fourier-Transformation und Fraunhofer-Beugung. So kann basierend auf dem vorangehend beschriebenen Fraunhofer-Aufbau für eine Fernfeldmessung eine erforderliche Korrektur in der Phasenverteilung mit verhältnismäßig geringem Aufwand rechnerisch ermittelt werden und beispielsweise die Phasenverteilung mittels eines geeigneten Algorithmus optimiert werden. Beispielsweise wird ein lateraler Versatz einer optischen Zielverteilung, also des optischen Strahls im Fernfeld, gegenüber einem Soll-Zustand durch den hier vorgeschlagenen Regelkreis erkannt und durch einen zusätzlichen linearen Phasenanteil korrigiert. Bei der direkten Bestimmung der Wellenfront, etwa mittels eines Hartmann-Shack-Sensors, erfolgt beispielsweise auch eine lokale Korrektur der Phasenverteilung im optischen Phasen-Array 102, um die gemessenen lokalen Wellenfrontabweichungen zu korrigieren.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das optische System 100 zusätzlich eine Detektorkomponente, etwa in Form der Detektoreinrichtung 200, um eine ermittelte Abweichung zwischen Soll- und Ist-Verteilung in einer Datenauswertung auf Detektorseite zu kompensieren.

Ein wichtiger Unterschied zu typischen Fraunhofer-Aufbauten für diffraktive optische Elemente besteht in der vergleichsweise großen Divergenz und der Kombination aus der Phase der sehr wahrscheinlich gekrümmten Wellenfronten der einzelnen Emitter und der induzierten Phasenverteilung des Phasen-Arrays 102.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.