DE102018202898A1

DE102018202898A1 - Beamforming module for multidimensional beamforming, lidar system, method for multidimensional beamforming, method and apparatus for driving a beamforming module and method for producing a beamforming module

Info

Publication number: DE102018202898A1
Application number: DE102018202898.2A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Eugen Baumgart; Tobias Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-08-29
Also published as: WO2019166488A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlformungsmodul (100) zur mehrdimensionalen Strahlformung. Das Strahlformungsmodul (100) umfasst zumindest ein phasengesteuertes Array (102) mit einer Mehrzahl von Emitterelementen (104) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung und zumindest einem Phasenschieberelement (106) zum Aufprägen eines definierten Phasenprofils auf die Strahlung sowie zumindest ein dem Array (102) nachgeschaltetes Ablenkelement (108) zum Ablenken einer vom Array (102) emittierten und das Phasenprofil aufweisenden Emissionsstrahlung in eine von einer Emissionsrichtung der Emissionsstrahlung abweichende Ablenkrichtung.

The invention relates to a beam-shaping module (100) for multidimensional beamforming. The beamforming module (100) comprises at least one phased array (102) having a plurality of emitter elements (104) for generating electromagnetic radiation and at least one phase shifter element (106) for impressing a defined phase profile on the radiation and at least one downstream of the array (102) Deflection element (108) for deflecting an emission radiation emitted by the array (102) and having the phase profile in a deflection direction deviating from an emission direction of the emission radiation.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.

In der Veröffentlichung „Integrated phased array for wide-angle beam steering“ (Yaacobi et al., Optics Letters, Vol. 39, No. 15, 2014) ist beschrieben, dass ein eindimensionales optisches phasengesteuertes Array, auch optical phased array oder kurz OPA bzw. 1D-OPA genannt, zur Strahlablenkung in Lidar-Anwendungen geeignet ist. Durch das Anordnen mehrerer solcher 1D-OPAs auf einem Chip mit verschiedenen Gitterperioden können mehrere Scanebenen realisiert werden. Somit wird ein zweidimensionales Scannen ermöglicht.The publication "Integrated phased array for wide-angle beam steering" (Yaacobi et al., Optics Letters, Vol. 39, No. 15, 2014) describes that a one-dimensional optical phased array, also called optical phased array, or OPA for short or 1D-OPA, which is suitable for beam deflection in lidar applications. By arranging several such 1D OPAs on a chip with different grating periods, several scan lines can be realized. Thus, a two-dimensional scanning is possible.

Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen von Lichtquellen, beispielsweise von Oberflächenemittern, auch VCSEL genannt, auf einem rechteckigen Gitter oder Raster in Matrixanordnung bekannt, die durch die Positionierung in einer Brennebene einer Linse eine kontrollierte Strahlablenkung erlauben, beispielsweise in Lidarsystemen (Lidar = light detection and ranging). Geometrisch-optisch kann die Strahlformung durch die Wirkungsweise einer fokussierenden Linse auf kollimierte Strahlenbündel und Punktquellen in einer Brennebene erklärt werden. Parallel einfallende Strahlen werden in der Brennebene fokussiert. Die Lage in der Brennebene hängt dabei vom Einfallswinkel des Strahlenbündels ab. Umgekehrt erzeugt eine Punktquelle in der Brennebene ein kollimiertes Strahlenbündel. Der Austrittswinkel hängt vom lateralen Versatz der (Punkt-)Quelle von der optischen Achse ab.Arrangements of light sources, for example surface emitters, also called VCSELs, on a rectangular grid or grid in matrix arrangement are known from the prior art which permit controlled beam deflection by positioning in a focal plane of a lens, for example in lidar systems (lidar = light detection and ranging). Geometrically-optically, the beam shaping can be explained by the effect of a focusing lens on collimated beams and point sources in a focal plane. Parallel incident rays are focused in the focal plane. The position in the focal plane depends on the angle of incidence of the beam. Conversely, a point source in the focal plane produces a collimated beam. The exit angle depends on the lateral offset of the (point) source from the optical axis.

Zudem sind (optische) phasengesteuerte Arrays bekannt, die es erlauben, eine Strahlformung, in Lidarsystemen vorzugsweise eine Strahlablenkung, nicht mittels reflektiver optischer Elemente wie etwa Spiegeln oder refraktiver optischer Elemente wie etwa Linsen, sondern aufgrund von Beugung an diffraktiven optischen Elementen vorzunehmen. Durch den Einsatz von Phasenschiebern ist es möglich, dem ausgesendeten Licht ein Phasenprofil aufzuprägen, das ein gewünschtes Intensitätsprofil im Fernfeld hervorruft.In addition, (optical) phased arrays are known which make it possible to perform beam shaping, preferably a beam deflection in lidar systems, not by means of reflective optical elements such as mirrors or refractive optical elements such as lenses, but due to diffraction at diffractive optical elements. Through the use of phase shifters, it is possible to impose on the emitted light a phase profile which causes a desired intensity profile in the far field.

Die Wirkungsweise eines phasengesteuerten Arrays ist vergleichbar mit der eines diffraktiven optischen Elements. Im Fall eines phasengesteuerten Arrays wird durch unterschiedliche Phasenlevel in den einzelnen Emittern eine Strahlformung im Fernfeld möglich. Bei konstanter Phase ergibt sich ein zentrales Intensitätsmaximum im Fernfeld in der nullten Beugungsordnung, je nach Abstand und Periodizität der Anordnung der Phasenschieber mit zusätzlichen Gitterkeulen in der positiven oder negativen ersten Beugungsordnung und weiteren Nebenkeulen.The mode of action of a phased array is comparable to that of a diffractive optical element. In the case of a phased array, different phase levels in the individual emitters enable beamforming in the far field. At a constant phase results in a central intensity maximum in the far field in the zeroth diffraction order, depending on the distance and periodicity of the arrangement of the phase shifter with additional grating lobes in the positive or negative first diffraction order and other sidelobes.

Eine einfache Strahlauslenkung ist beispielsweise durch Anlegen eines linearen Phasenprofils möglich. Durch entsprechende Gestaltung der Phasenverteilung, beispielsweise mit dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus, im Zusammenhang mit diffraktiven optischen Elementen auch iterativer Fourier-Transform-Algorithmus oder kurz IFTA genannt, sind nahezu beliebige Fernfeldintensitätsverteilungen realisierbar.A simple beam deflection is possible for example by applying a linear phase profile. By appropriate design of the phase distribution, for example with the Gerchberg-Saxton algorithm, in connection with diffractive optical elements also called iterative Fourier transform algorithm or IFTA short, almost any far field intensity distributions can be realized.

Eine weitere Möglichkeit der Strahlablenkung besteht im Einsatz von Prismen oder diffraktiver Strukturen wie beispielsweise Blazegitter. Der Vorteil diffraktiver Strukturen besteht darin, dass diese auch auf programmierbaren optischen Elementen wie Flächenlichtmodulatoren, auch spatial light modulator oder kurz SLM genannt, dargestellt werden können.Another possibility of beam deflection is the use of prisms or diffractive structures such as Blazegitter. The advantage of diffractive structures is that they can also be represented on programmable optical elements such as area light modulators, also called spatial light modulator or SLM for short.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Strahlformungsmodul zur mehrdimensionalen Strahlformung, ein Lidarsystem, ein Verfahren zur mehrdimensionalen Strahlformung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Strahlformungsmoduls, ein entsprechendes Computerprogramm und ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlformungsmoduls gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, a beamforming module for multidimensional beamforming, a lidar system, a method for multidimensional beamforming, a method and a device for driving a beamforming module, a corresponding computer program and a method for producing a beamforming module according to the main claims are presented with the approach presented here. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Kombination eines optischen phasengesteuerten Arrays, beispielsweise eines eindimensionalen Arrays, mit einer Ablenkstruktur, die beispielsweise Prismen oder Beugungsgitter umfassen kann, eine mehrdimensionale Strahlformung erreicht werden kann. Entsprechende optische Aufbauten und Strahlformungsmethoden für Anordnungen solcher optischer Phasenarrays können vorteilhafterweise zur mehrdimensionalen Strahlformung und -auslenkung in Lidarsystemen eingesetzt werden, etwa durch orthogonale Strahlablenkung der vom Phasenarray emittierten Strahlung.The approach presented here is based on the knowledge that by combining an optical phased array, for example a one-dimensional array, with a deflection structure, which may comprise, for example, prisms or diffraction gratings, multidimensional beamforming can be achieved. Corresponding optical constructions and beam shaping methods for arrangements of such optical phase arrays can advantageously be used for multi-dimensional beam shaping and deflection in lidar systems, for example by orthogonal beam deflection of the radiation emitted by the phase array.

Die Winkelauflösung in herkömmlichen Anordnungen von Lichtquellen mit nachgeschalteter Linse ist in der Regel durch die Anzahl und Packungsdichte der Lichtquellen in der Matrixanordnung beschränkt. Zudem limitieren die numerische Apertur der Lichtquellen und die Brennweite der Linse den minimalen Strahldurchmesser der ausgesendeten Strahlenbündel. Die Matrixanordnung gibt zudem eine zwingende Diskretisierung des Winkelraums vor, in dem Licht ausgesendet werden kann.The angular resolution in conventional arrangements of lens-down light sources is typically limited by the number and packing density of the light sources in the array. In addition, the numerical aperture of the light sources and the focal length of the lens limit the minimum beam diameter of the emitted beams. The matrix arrangement gives In addition, a compelling discretization of the angular space in which light can be emitted.

Durch Verwendung lithografischer Herstellungsverfahren für integrierte optische Komponenten wie beispielsweise Wellenleiter können bei optischen phasengesteuerten Arrays sehr kleine Emitterabstände erreicht werden. In diesem Fall kann der minimale Emitterabstand ein begrenzender Faktor für den maximal möglichen Beugungswinkel und damit für die maximal mögliche Strahlablenkung darstellen. Optische phasengesteuerte Arrays bieten prinzipiell die Möglichkeit einer fast beliebigen Strahlformung, ähnlich den sogenannten Flächenlichtmodulatoren, auch spatial light modulator oder kurz SLM genannt. Insbesondere die Herstellung integrierter optischer zweidimensionaler Phasenarrays kann zu großer Komplexität beim Systemdesign und zu hohen Kosten und Ausfallrisiken bei der Fertigung führen.By using lithographic fabrication techniques for integrated optical components, such as waveguides, very small emitter spacings can be achieved in optical phased arrays. In this case, the minimum emitter spacing can be a limiting factor for the maximum possible diffraction angle and thus for the maximum possible beam deflection. In principle, optical phased arrays offer the possibility of almost any beam shaping, similar to the so-called area light modulators, also called spatial light modulator or SLM for short. In particular, the production of integrated optical two-dimensional phase arrays can lead to great complexity in system design and to high costs and failure risks during production.

Demgegenüber schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Möglichkeit einer zweidimensionalen Strahlablenkung mittels einer Anordnung eindimensionaler Phasenarrays. Dies ist besonders vorteilhaft, da eindimensionale Arrays vergleichsweise einfach und kostengünstig zu fertigen sind. Vorteile ergeben sich auch dann, wenn beispielsweise die Strahlauslenkung in den beiden transversalen Dimensionen unterschiedlichen Anforderungen genügen soll, wie es etwa in Lidarsystemen für Anwendungen im Automobilbereich der Fall ist, wo sich die Anforderungen an Blickfeld und Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung stark voneinander unterscheiden können. Dabei bieten OPA-Anordnungen deutlich mehr Möglichkeiten zur adaptiven Strahlformung als einfache Matrixarrays von Lichtquellen.In contrast, the approach presented here creates a possibility of a two-dimensional beam deflection by means of an arrangement of one-dimensional phase arrays. This is particularly advantageous because one-dimensional arrays are comparatively easy and inexpensive to manufacture. Advantages also arise if, for example, the beam deflection in the two transverse dimensions should meet different requirements, as is the case in lidar systems for applications in the automotive sector, for example, where the requirements for field of view and resolution in the horizontal and vertical directions can differ greatly , OPA arrangements offer significantly more possibilities for adaptive beam shaping than simple matrix arrays of light sources.

Je nach Ausführungsform ist es zudem möglich, die Intensität relativ zur maximalen Intensität eines einzelnen optischen phasengesteuerten Arrays, mit der das Gesamtsystem einen vorgegebenen Winkelbereich beleuchtet, über die Anzahl der aktiven optischen phasengesteuerten Arrays zu regeln und damit beispielsweise höhere Intensitäten in großen Ablenkwinkeln zu erreichen.Depending on the embodiment, it is also possible to regulate the intensity relative to the maximum intensity of a single optical phased array, with which the entire system illuminates a predetermined angular range, on the number of active optical phased arrays and thus, for example, to achieve higher intensities at large deflection angles.

Zudem besteht gemäß einer Ausführungsform die Möglichkeit, durch entsprechende Regelung der einzelnen optischen phasengesteuerten Arrays das gesamte Blickfeld in mehreren Richtungen gleichzeitig zu überwachen, wenn ein entsprechender Empfänger verwendet wird.In addition, according to one embodiment, it is possible to monitor the entire field of view in several directions simultaneously by appropriate regulation of the individual optical phased arrays, if a corresponding receiver is used.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch eine Überlagerung von Strahlkeulen mehrerer optischer phasengesteuerter Arrays möglich, was zu einer höheren Fernfeldintensität und damit zu einer höheren Reichweite in der entsprechenden Raumrichtung führt.According to a further embodiment, a superimposition of beam lobes of a plurality of optical phased array is possible, resulting in a higher far field intensity and thus to a higher range in the corresponding spatial direction.

Ferner umfasst der hier vorgestellte Ansatz Methoden für eine besonders günstige und einfach zu realisierende Auslenkung orthogonal zur Auslenkung des optischen phasengesteuerten Arrays mithilfe schaltbarer Komponenten wie Flächenlichtmodulatoren oder schaltbarer Hologramme mit angepasster Auflösung und angepasstem Winkelbereich.Furthermore, the approach presented here comprises methods for a particularly favorable and easy to implement deflection orthogonal to the deflection of the optical phased array using switchable components such as surface light modulators or switchable holograms with adapted resolution and adapted angle range.

Durch eine weitere Ausführungsform wird eine flexible Auslenkung mit feiner, beispielsweise nur durch die Strahldivergenz begrenzter Auflösung durch optische phasengesteuerte Arrays ermöglicht. Die Erzeugung zweidimensionaler Fernfeldverteilungen kann beispielsweise durch Kombination mehrerer optischer phasengesteuerter Arrays, insbesondere mit nicht parallelen, im einfachsten Fall senkrecht zueinander stehenden Auslenkachsen, realisiert werden.By a further embodiment, a flexible deflection with fine, for example, limited only by the beam divergence resolution is made possible by optical phased arrays. The generation of two-dimensional far-field distributions can be achieved, for example, by combining a plurality of optical phased arrays, in particular with non-parallel, in the simplest case mutually perpendicular deflection axes.

Zudem besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, verschiedene Interferenzmuster mit überlappenden Intensitätsbereichen zu überlagern, um verschiedene Intensitätsstufen zu erzeugen. Dies kann beispielsweise hilfreich sein, um in gewissen Winkelbereichen die Beugungseffizienz im ausgelenkten Strahl zu erhöhen, da diese üblicherweise, beispielsweise aufgrund der Sinc-Modulation im Fernfeld bzw. allgemeiner durch den Elementfaktor der Einzelemitter, für größere Ablenkwinkel abnimmt.In addition, for example, it is also possible to superimpose different interference patterns with overlapping intensity ranges in order to generate different intensity levels. This may be helpful, for example, in order to increase the diffraction efficiency in the deflected beam in certain angular ranges, since this usually decreases, for example due to the sinc modulation in the far field or more generally by the element factor of the individual emitter, for larger deflection angles.

Es wird ein Strahlformungsmodul zur mehrdimensionalen Strahlformung vorgestellt, wobei das Strahlformungsmodul folgende Merkmale aufweist:

zumindest ein phasengesteuertes Array mit einer Mehrzahl von Emitterelementen zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung und zumindest einem Phasenschieberelement zum Aufprägen eines definierten Phasenprofils auf die Strahlung; und
zumindest ein dem Array nachgeschaltetes Ablenkelement zum Ablenken einer vom Array emittierten und das Phasenprofil aufweisenden Emissionsstrahlung in eine von einer Emissionsrichtung der Emissionsstrahlung abweichende Ablenkrichtung.

A beamforming module for multidimensional beamforming is presented, wherein the beamforming module has the following features:

at least one phased array having a plurality of emitter elements for generating an electromagnetic radiation and at least one phase shifter element for impressing a defined phase profile on the radiation; and
at least one deflection element connected downstream of the array for deflecting an emission radiation emitted by the array and having the phase profile in a deflection direction deviating from an emission direction of the emission radiation.

Unter einer mehrdimensionalen Strahlformung kann eine Strahlformung und/oder -auslenkung in zumindest zwei Dimensionen, beispielsweise in zwei transversalen Dimensionen, verstanden werden. Unter einem phasengesteuerten Array kann ein optoelektronisches Bauelement, auch optisches phasengesteuertes Array oder kurz OPA genannt, zur Strahlformung mittels veränderbarer Oberflächenelemente ohne bewegliche Teile wie etwa Linsen oder Spiegel verstanden werden. Beispielsweise kann das Array als eindimensionales Array ausgeführt sein. Unter einer elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise eine Laserstrahlung verstanden werden. Unter dem Begriff Strahlung kann dabei zumindest ein (idealisierter linienförmiger) Strahl oder zumindest ein Strahlenbündel verstanden werden. Ein Ausgangsstrahl, der von einem LiDAR-System ausgesendet wird, hat hierbei einen endlichen Durchmesser. Es handelt sich also im geometrisch optischen Sinne beispielsweise um eine Strahlenbündel, wie auch ein Laserstrahl (engl.: laser beam) geometrisch optisch als Bündel paralleler Strahlen (engl.: rays) modelliert wird. Unter einem Emitterelement kann beispielsweise eine Laserquelle verstanden werden. Ein optical phase array als Emitterelement basiert beispielsweise darauf, dass kohärentes Licht von mehreren Emittern ausgesendet wird und im Fernfeld interferiert. Das Interferenzmuster hängt dann beispielsweise vom Phasenversatz zwischen den einzelnen Emittern ab. Um eine günstige Kohärenz zu erreichen, werden beispielsweise nicht einzelnen Laserelemente direkt als Emitter verwendet, sondern ein Laserelement wird in einen photonischen Chip integriert oder eingekoppelt, um das kohärente Licht über Welleinleiterstrukturen aufzuteilen und den einzelnen Phasenschiebern und nachfolgenden Emittern (z. B. Gitterstrukturen zur Auskopplung oder einfache Kantenemitter) zuzuführen. An den Emittern wird das Licht dann aus dem Phase-Array-Chip ausgekoppelt und interferiert während der anschließenden Freiraumpropagation, was beispielsweise zu einem entsprechenden Interferenzmuster im Fernfeld führt. Bei dem Phasenschieberelement kann es sich etwa um ein diffraktives optisches Element zur Phasenverschiebung mittels Beugung handeln. Die Phasenverschiebung in optischen Phasenarrays erfolgt beispielsweise mittels thermo-optischer oder elektro-optischer Effekte. In Flüssigkristall-basierten SLMs wird der Brechungsindex durch die Ausrichtung der Kristalle gesteuert. Die meisten diffraktiven optischen Elemente beruhen darauf, dass mittels eines Oberflächenprofils, einer Indexmodulation, durch thermische Effekte oder angelegte Spannungen der Brechungsindex lokal ändert, was zu einer Änderung des Interferenzmusters im Fernfeld gegenüber einem konstanten Brechungsindex führt. In der Regel ist es also günstig, eine Phasenverschiebung zu erzeugen, die ein gewünschtes Beugungsbild erzeugt. Das Phasenschieberelement kann beispielsweise ausgebildet sein, um das Phasenprofil so aufzuprägen, dass im Fernfeld des Strahlformungsmoduls eine bestimmte Intensitätsverteilung erzeugt wird. In integrierten, optischen Phasen Arrays sollten in der Regel mehrere Phasenschieber vorhanden sein, z. B. für jeden Emitter-Kanal (mindestens) einer. Andererseits kann natürlich ein Flüssigkristall-basierter SLM als ein einzelnes Phasenschieber-Element betrachtet werden.Unter einem Ablenkelement kann beispielsweise eine refraktive, reflektive oder diffraktive Fläche, ein diffraktives optisches Element, ein holografisch-optisches Element, ein Flächenlichtmodulator, ein Prisma, ein Beugungsgitter oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten optischen Elemente verstanden werden, beispielsweise in Form einer Ablenkstruktur oder eines Ablenkarrays.A multidimensional beamforming can be understood to mean beamforming and / or deflection in at least two dimensions, for example in two transverse dimensions. A phased array can be understood to mean an optoelectronic component, also known as an optical phased array or OPA, for beam shaping by means of changeable surface elements without moving parts such as lenses or mirrors. For example, the array may be implemented as a one-dimensional array. By an electromagnetic radiation, for example, a laser radiation can be understood. The term radiation can be understood to mean at least one (idealized line-shaped) beam or at least one beam. An output beam emitted by a LiDAR system has a finite diameter. It is therefore in the geometrically optical sense, for example, a beam, as well as a laser beam (English: laser beam) geometrically optically as a bundle of parallel rays (English: rays) is modeled. By an emitter element, for example, a laser source can be understood. An optical phase array as emitter element is based, for example, on the fact that coherent light is emitted by several emitters and interferes in the far field. The interference pattern then depends, for example, on the phase offset between the individual emitters. In order to achieve good coherence, for example, not individual laser elements are used directly as emitters, but a laser element is integrated or coupled into a photonic chip to divide the coherent light via wave initiator structures and the individual phase shifters and subsequent emitters (eg Output or simple edge emitter) supply. At the emitters, the light is then extracted from the phase-array chip and interferes during the subsequent free-space propagation, resulting, for example, in a corresponding interference pattern in the far-field. The phase shifter element may, for example, be a diffractive optical element for phase shifting by means of diffraction. The phase shift in optical phase arrays is effected for example by means of thermo-optical or electro-optical effects. In liquid crystal-based SLMs, the refractive index is controlled by the orientation of the crystals. Most diffractive optical elements rely on a surface profile, index modulation, thermal effects, or applied voltages to locally change the refractive index, resulting in a change in the far-field interference pattern versus a constant refractive index. In general, it is therefore advantageous to generate a phase shift which generates a desired diffraction pattern. The phase shifter element may be formed, for example, in order to impart the phase profile in such a way that a specific intensity distribution is generated in the far field of the beam shaping module. In integrated, optical phase arrays there should usually be several phase shifters, e.g. For each emitter channel (at least) one. On the other hand, of course, a liquid crystal-based SLM can be considered as a single phase shifter element. Below a deflecting element, for example, a refractive, reflective or diffractive surface, a diffractive optical element, a holographic-optical element, a surface light modulator, a prism, a diffraction grating or a combination of at least two of said optical elements are understood, for example in the form of a deflection structure or a deflection array.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Array eine Mehrzahl von je einem Emitterelement zugeordneten Emissionsflächen zum Emittieren der Emissionsstrahlung aufweisen. Dabei können die Emissionsflächen in einem definierten Abstand aneinandergereiht sein, um ein eindimensionales Array zu bilden. Durch Verwendung von beispielsweise lithografischen Verfahren für die Fertigung integrierter optischer Komponenten kann das Strahlformungsmodul besonders kostengünstig hergestellt werden.According to one embodiment, the array may have a plurality of emitting surfaces each assigned to an emitter element for emitting the emission radiation. In this case, the emission surfaces can be strung together at a defined distance in order to form a one-dimensional array. By using, for example, lithographic processes for the manufacture of integrated optical components, the beam-shaping module can be produced in a particularly cost-effective manner.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Ablenkelement ausgebildet sein, um die Emissionsstrahlung in eine zur Emissionsrichtung orthogonale Ablenkrichtung oder, zusätzlich oder alternativ, in unterschiedliche Ablenkrichtungen abzulenken. Dadurch kann das Strahlformungsmodul zur Strahlformung in Lidarsystemen eingesetzt werden.According to a further embodiment, the deflection element can be designed to deflect the emission radiation in a deflection direction orthogonal to the emission direction or, additionally or alternatively, in different deflection directions. As a result, the beam shaping module can be used for beam shaping in lidar systems.

Je nach Ausführungsform kann das Ablenkelement eine refraktive, reflektive oder diffraktive Fläche, ein diffraktives optisches Element, kurz DOE genannt, ein holografisch-optisches Element, kurz HOE genannt, einen Flächenlichtmodulator, kurz SLM genannt, ein Prisma, ein Beugungsgitter, etwa in Form eines Blazegitters, oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten optischen Elemente aufweisen. Dadurch kann das Ablenkelement verhältnismäßig kostengünstig bereitgestellt werden.Depending on the embodiment, the deflection element may be a refractive, reflective or diffractive surface, a diffractive optical element, called DOE for short, a holographic-optical element, called HOE for short, a surface light modulator, called SLM for short, a prism, a diffraction grating, approximately in the form of a Blazegitters, or a combination of at least two of said optical elements. As a result, the deflection element can be provided relatively inexpensively.

Das Strahlformungsmodul kann zudem ein zwischen das Array und das Ablenkelement geschaltetes Kollimationselement zum Kollimieren der Emissionsstrahlung aufweisen. Dabei kann das Ablenkelement ausgebildet sein, um eine vom Kollimationselement kollimierte Emissionsstrahlung abzulenken. Unter einem Kollimationselement kann ein optisches Element zum Gleichrichten mehrerer Lichtstrahlen verstanden werden. Beispielsweise kann das Kollimationselement als Linse oder Linsenarray ausgeführt sein. Dadurch kann die Fernfelddivergenz einzelner Emitterelemente kontrolliert werden.The beamforming module may also include a collimating element connected between the array and the deflection element for collimating the emission radiation. In this case, the deflection element can be designed to deflect an emission radiation collimated by the collimation element. A collimating element can be understood to mean an optical element for rectifying a plurality of light beams. For example, the collimating element can be designed as a lens or lens array. This allows the far-field divergence of individual emitter elements to be controlled.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Strahlformungsmodul mit zumindest einem weiteren phasengesteuerten Array mit einer Mehrzahl weiterer Emitterelemente zum Erzeugen einer weiteren elektromagnetischen Strahlung und zumindest einem weiteren Phasenschieberelement zum Aufprägen eines weiteren definierten Phasenprofils auf die weitere Strahlung und zumindest einem dem weiteren Array nachgeschalteten weiteren Ablenkelement zum Ablenken einer vom weiteren Array emittierten und das weitere Phasenprofil aufweisenden weiteren Emissionsstrahlung in eine von einer weiteren Emissionsrichtung der weiteren Emissionsstrahlung abweichende weitere Ablenkrichtung realisiert sein. Dadurch kann das Strahlformungsmodul mit einem zweidimensionalen optischen phasengesteuerten Array, das aus zwei eindimensionalen optischen phasengesteuerten Arrays zusammengesetzt ist, einfach und kostengünstig hergestellt werden. Zudem kann das Strahlformungsmodul dadurch mit einer Mehrzahl von OPA-Kanälen realisiert werden, durch die beispielsweise eine gleichzeitige Beleuchtung unterschiedlicher Winkelbereiche oder eine Überlagerung unterschiedlicher Interferenzmuster ermöglicht wird.According to a further embodiment, the beam-shaping module with at least one further phased array having a plurality of further emitter elements for generating a further electromagnetic radiation and at least one further phase shifter element for impressing a further defined phase profile on the further radiation and at least one further deflection element downstream of the further array for deflecting one of the further array emitted and the further phase profile having further emission radiation in a deviating from a further emission direction of the further emission radiation further deflection be realized. Thereby, the beamforming module can be easily and inexpensively manufactured with a two-dimensional optical phased array composed of two one-dimensional optical phased arrays. In addition, the beam-shaping module can thereby be realized with a plurality of OPA channels, by means of which, for example, a simultaneous illumination of different angular ranges or a superimposition of different interference patterns is made possible.

Gemäß einer Ausführungsform können das Array und das weitere Array senkrecht zueinander ausgerichtet sein und/oder aufeinandergestapelt sein und/oder zu einem Arrayverbund miteinander verbunden sein. Dadurch kann das Strahlformungsmodul unter anderem besonders kompakt ausgeführt werden.According to one embodiment, the array and the further array may be oriented perpendicular to one another and / or be stacked on one another and / or connected to one another in an array composite. As a result, the beam-shaping module can be made particularly compact, among other things.

Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem ein Lidarsystem mit zumindest einem Strahlformungsmodul gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen.The approach described here also provides a lidar system with at least one beam-shaping module according to one of the preceding embodiments.

Ferner schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zur mehrdimensionalen Strahlformung mittels eines Strahlformungsmoduls gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Emittieren der Emissionsstrahlung in die Emissionsrichtung; und
Ablenken der Emissionsstrahlung in die Ablenkrichtung, um die mehrdimensionale Strahlformung zu erreichen.

Furthermore, the approach described here provides a method for multidimensional beamforming by means of a beamforming module according to one of the preceding embodiments, the method comprising the following steps:

Emitting the emission radiation in the emission direction; and
Deflecting the emission radiation in the deflection direction to achieve the multidimensional beamforming.

Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Ansteuern eines Strahlformungsmoduls gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:

Ausgeben eines ersten Ansteuersignals zum Ansteuern des Arrays und/oder des Ablenkelements und eines zweiten Ansteuersignals zum Ansteuern des weiteren Arrays und/oder des weiteren Ablenkelements, um gleichzeitig unterschiedliche Winkelbereiche eines das Stahlformungsmodul umgebenden Raums zu beleuchten.

Furthermore, the approach described here provides a method for driving a beamforming module according to one of the preceding embodiments, wherein the method comprises the following step:

Outputting a first drive signal for driving the array and / or the deflection element and a second drive signal for driving the further array and / or the further deflection element in order simultaneously to illuminate different angular ranges of a space surrounding the steel forming module.

Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Ausgebens das erste Ansteuersignal und das zweite Ansteuersignal ausgegeben werden, um gleichzeitig zumindest teilweise überlappende Winkelbereiche zu beleuchten und/oder unterschiedliche Interferenzmuster zu überlagern. Dadurch kann die Beugungseffizienz der kombinierten Arrays in bestimmten Winkelbereichen deutlich erhöht werden.According to one embodiment, in the step of outputting, the first drive signal and the second drive signal may be output to simultaneously illuminate at least partially overlapping angular ranges and / or to superimpose different interference patterns. As a result, the diffraction efficiency of the combined arrays can be significantly increased in certain angular ranges.

Schließlich schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlformungsmoduls gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:

Kombinieren des Arrays mit dem Ablenkelement, sodass das Ablenkelement dem Array nachgeschaltet ist, um das Strahlformungsmodul herzustellen.

Finally, the approach presented here provides a method for producing a beam-shaping module according to one of the preceding embodiments, wherein the method comprises the following step:

Combining the array with the deflector such that the deflector is connected downstream of the array to produce the beam forming module.

Diese Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.These methods can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.

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.The approach presented here also creates a device that is designed to perform the steps of a variant of a method presented here in appropriate facilities to drive or implement. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

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.For this purpose, the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.

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 the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially discrete Consist of components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

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.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

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

1 eine schematische Darstellung eines Strahlformungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Strahlformungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Strahlformungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 3 in der Draufsicht;
5 eine schematische Darstellung eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 4 mit idealisierter Darstellung der Emitterelemente als Kugelwellenemitter;
6 Diagramme zur Darstellung eines Phasenprofils, von Emitteraperturen im Amplitudenprofil und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
7 Diagramme zur Darstellung eines Phasenprofils, von Emitteraperturen im Amplitudenprofil und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
8 Diagramme zur Darstellung eines Phasenprofils, von Emitteraperturen im Amplitudenprofil und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
9 Diagramme zur Darstellung einer Amplitude und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
10 Diagramme zur Darstellung einer Amplitude und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
11 Diagramme zur Darstellung einer Amplitude, einer Phase und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
12 Diagramme zur Darstellung einer Amplitude, einer Phase und einer Fernfeldintensität eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5;
13 ein Diagramm zur Darstellung eines Fernfelds eines horizontalen phasengesteuerten Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14 ein Diagramm zur Darstellung eines Fernfelds eines vertikalen phasengesteuerten Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
15 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur mehrdimensionalen Strahlformung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern eines Strahlformungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
17 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Strahlformungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
18 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
19 eine schematische Darstellung eines Lidarsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:

1 a schematic representation of a beam forming module according to an embodiment;
2 a schematic representation of a beam forming module according to an embodiment;
3 a schematic representation of a beam forming module according to an embodiment;
4 a schematic representation of a phased array of the 1 to 3 in the plan view;
5 a schematic representation of a phased array of the 1 to 4 with idealized representation of the emitter elements as spherical wave emitter;
6 Diagrams showing a phase profile, emitter apertures in the amplitude profile and a far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
7 Diagrams showing a phase profile, emitter apertures in the amplitude profile and a far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
8th Diagrams showing a phase profile, emitter apertures in the amplitude profile and a far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
9 Diagrams illustrating the amplitude and far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
10 Diagrams illustrating the amplitude and far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
11 Diagrams illustrating an amplitude, a phase and a far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
12 Diagrams illustrating an amplitude, a phase and a far field intensity of a phased array from the 1 to 5 ;
13 a diagram illustrating a far field of a horizontal phased array according to an embodiment;
14 a diagram illustrating a far field of a vertical phased array according to an embodiment;
15 a flowchart of a method for multi-dimensional beamforming according to an embodiment;
16 a flowchart of a method for driving a beamforming module according to an embodiment;
17 a flowchart of a method for manufacturing a beamforming module according to an embodiment;
18 a schematic representation of a device according to an embodiment; and
19 a schematic representation of a lidar system according to an embodiment.

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.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlformungsmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Strahlformungsmodul 100 umfasst ein optisches phasengesteuertes Array 102 mit einer Mehrzahl von Emitterelementen 104 zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung, etwa einer Laserstrahlung. Beispielhaft umfasst jedes der Emitterelemente 104 ein Phasenschieberelement 106 zum Aufprägen eines definierten Phasenprofils auf die von den Emitterelementen 104 erzeugte Strahlung durch Verschieben einer jeweiligen Phase φ. Dem Array 102 ist ein Ablenkelement 108 nachgeschaltet, das ausgebildet ist, um die vom Array 102 emittierte Strahlung mit dem definierten Phasenprofil in eine definierte Ablenkrichtung abzulenken. Auf diese Weise ist es möglich, die Strahlung mehrdimensional, hier zweidimensional, zu formen oder auszulenken. 1 shows a schematic representation of a beam forming module 100 according to an embodiment. The beamforming module 100 includes an optical phased array 102 with a plurality of emitter elements 104 for generating an electromagnetic radiation, such as a laser radiation. By way of example, each of the emitter elements comprises 104 a phase shifter element 106 for impressing a defined phase profile on that of the emitter elements 104 generated radiation by shifting a respective phase φ. The array 102 is a deflector 108 downstream, which is designed to be from the array 102 to deflect emitted radiation with the defined phase profile in a defined deflection direction. In this way it is possible to form or deflect the radiation in a multi-dimensional manner, here two-dimensional.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Array 102 als eindimensionales Array mit in einer Ebene aneinandergereihten Emitterelementen 104 realisiert, wie auch aus 4 ersichtlich. According to this embodiment, the array is 102 as a one-dimensional array with emitter elements lined up in one plane 104 realized, as well as out 4 seen.

Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Strahlformungsmodul 100 zusätzlich zum Array 102 eine Mehrzahl weiterer Arrays 110 auf, die analog zum Array 102 je als eindimensionales Array mit einer Mehrzahl weiterer Emitterelemente 112 zum Erzeugen einer weiteren elektromagnetischen Strahlung und einer Mehrzahl weiterer Phasenschieberelemente 114 zum Aufprägen eines weiteren Phasenprofils auf die weitere Strahlung realisiert sind. Jedem der weiteren Arrays 110 ist dabei ein weiteres Ablenkelement 116 nachgeschaltet, das analog zum Ablenkelement 108 ausgebildet ist, um die von den weiteren Arrays 110 emittierte Strahlung mit dem jeweiligen weiteren Phasenprofil in eine definierte weitere Ablenkrichtung abzulenken. Beispielhaft sind das Ablenkelement 108 und die weiteren Ablenkelemente 116 als Teilflächen einer flächigen Ablenkstruktur realisiert.According to the in 1 embodiment shown has the beam forming module 100 in addition to the array 102 a plurality of other arrays 110 on, which is analogous to the array 102 each as a one-dimensional array with a plurality of further emitter elements 112 for generating a further electromagnetic radiation and a plurality of further phase shifter elements 114 are implemented for impressing a further phase profile on the further radiation. Each of the other arrays 110 is another deflection element 116 downstream, the analogous to the deflection 108 is designed to be that of the other arrays 110 to deflect emitted radiation with the respective further phase profile in a defined further deflection direction. Exemplary are the deflection 108 and the other deflecting elements 116 implemented as partial surfaces of a planar deflection structure.

Je nach Ausführungsbeispiel sind die Arrays 102, 110 als Stapelanordnung mit Ablenkstrukturen wie etwa Prismen, Gitter, diffraktiven optischen Elementen, kurz DOE, oder Flächenlichtmodulatoren, kurz SLM, zur Strahlablenkung in einer komplementären Richtung realisiert.Depending on the embodiment, the arrays 102 . 110 as a stack arrangement with deflection structures such as prisms, gratings, diffractive optical elements, DOE for short, or surface light modulators, SLM for short, implemented for beam deflection in a complementary direction.

Bei dem Strahlformungsmodul 100 handelt es sich beispielsweise um eine Komponente eines Lidarsystems, wie es schematisch in 19 gezeigt ist.In the beam forming module 100 For example, it is a component of a lidar system, as shown schematically in FIG 19 is shown.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlformungsmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist die Stapelanordnung aus 1, hier mit optionaler Kollimationsoptik 200 zur Kontrolle der Fernfelddivergenz der einzelnen Emitterelemente 104, 112. 2 shows a schematic representation of a beam forming module 100 according to an embodiment. Shown is the stack arrangement 1 , here with optional collimation optics 200 for controlling the far-field divergence of the individual emitter elements 104 . 112 ,

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlformungsmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist die Stapelanordnung aus den 1 oder 2, hier mit einem zusätzlichen phasengesteuerten Array 300 und einem zusätzlichen Ablenkelement 302 zur Auslenkung in einer orthogonalen Ebene. Das zusätzliche Array 300 ist analog zu den Arrays 102, 110 als eindimensionales Array realisiert. Das zusätzliche Array 300 mit dem dazugehörigen Ablenkelement 302 ist beispielsweise an einander gegenüberliegenden Seiten der Stapelanordnung angeordnet. Die Arrays 102, 110, 300 sind beispielsweise als Arrayverbund realisiert. 3 shows a schematic representation of a beam forming module 100 according to an embodiment. Shown is the stack arrangement of the 1 or 2 , here with an additional phased array 300 and an additional deflector 302 for deflection in an orthogonal plane. The additional array 300 is analogous to the arrays 102 . 110 realized as a one-dimensional array. The additional array 300 with the associated deflection element 302 is for example arranged on opposite sides of the stack arrangement. The arrays 102 . 110 . 300 are realized, for example, as an array network.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines phasengesteuerten Arrays 102 aus den 1 bis 3 in der Draufsicht. 4 shows a schematic representation of a phased array 102 from the 1 to 3 in the plan view.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines phasengesteuerten Arrays 102 aus den 1 bis 4 mit idealisierter Darstellung der Emitterelemente 104 als Kugelwellenemitter. 5 shows a schematic representation of a phased array 102 from the 1 to 4 with idealized representation of the emitter elements 104 as a spherical wave emitter.

6 zeigt Diagramme zur Darstellung eines Phasenprofils 600, von Emitteraperturen 602 im Amplitudenprofil und einer Fernfeldintensität 604 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. Gezeigt ist die Modellierung und Simulation eines eindimensionalen Arrays mit idealisierter Darstellung der Emitter als Rechteckaperturen. Bei konstanter Phase bildet sich durch konstruktive Interferenz im Fernfeld ein Intensitätsmaximum in der nullten Beugungsordnung. 6 shows diagrams for the representation of a phase profile 600 , from emitter apertures 602 in the amplitude profile and a far field intensity 604 a phased array from the 1 to 5 , Shown is the modeling and simulation of a one-dimensional array with an idealized representation of the emitters as rectangular apertures. Constant phase causes an intensity maximum in the zeroth diffraction order due to constructive interference in the far field.

7 zeigt Diagramme zur Darstellung eines Phasenprofils 700, von Emitteraperturen 702 im Amplitudenprofil und einer Fernfeldintensität 704 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. Zu erkennen ist, dass ein lineares Phasenprofil einen Versatz im Fernfeldintensitätsprofil bewirkt. 7 shows diagrams for the representation of a phase profile 700 , from emitter apertures 702 in the amplitude profile and a far field intensity 704 a phased array from the 1 to 5 , It can be seen that a linear phase profile causes an offset in the far-field intensity profile.

8 zeigt Diagramme zur Darstellung eines Phasenprofils 800, von Emitteraperturen 802 im Amplitudenprofil und einer Fernfeldintensität 804 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. 8th shows diagrams for the representation of a phase profile 800 , from emitter apertures 802 in the amplitude profile and a far field intensity 804 a phased array from the 1 to 5 ,

9 zeigt Diagramme zur Darstellung einer Amplitude 900 und einer Fernfeldintensität 902 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. Eine Position der nullten Beugungsordnung ist durch ein Markierungskreuz angedeutet. 9 shows diagrams for showing an amplitude 900 and a far field intensity 902 a phased array from the 1 to 5 , A position of the zeroth diffraction order is indicated by a marker cross.

10 zeigt analog zu 9 Diagramme zur Darstellung einer Amplitude 1000 und einer Fernfeldintensität 1002 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. 10 shows analogously to 9 Diagrams showing an amplitude 1000 and a far field intensity 1002 a phased array from the 1 to 5 ,

11 zeigt Diagramme zur Darstellung einer Amplitude 1100, einer Phase 1102 und einer Fernfeldintensität 1104 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. 11 shows diagrams for showing an amplitude 1100 , a phase 1102 and a far field intensity 1104 a phased array from the 1 to 5 ,

12 zeigt Diagramme zur Darstellung einer Amplitude 1200, einer Phase 1202 und einer Fernfeldintensität 1204 eines phasengesteuerten Arrays aus den 1 bis 5. 12 shows diagrams for showing an amplitude 1200 , a phase 1202 and a far field intensity 1204 a phased array from the 1 to 5 ,

13 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Fernfelds 1300 eines horizontalen phasengesteuerten Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ferner ein dem Fernfeld 1300 zugeordneter ortsabhängiger Amplitudenverlauf 1304. 13 shows a diagram illustrating a far field 1300 a horizontal phased array according to one embodiment. Shown is also a far field 1300 associated location-dependent amplitude curve 1304 ,

14 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Fernfelds 1400 eines vertikalen phasengesteuerten Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ferner ein dem Fernfeld 1400 zugeordneter ortsabhängiger Amplitudenverlauf 1402. 14 shows a diagram illustrating a far field 1400 a vertical phased array according to one embodiment. Shown is also a far field 1400 associated location-dependent amplitude curve 1402 ,

15 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1500 zur mehrdimensionalen Strahlformung gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa mittels des vorangehend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Strahlformungsmoduls. Das Verfahren 1500 umfasst einen Schritt 1510, in dem die von den phasengesteuerten Arrays mit dem Phasenprofil versehene Strahlung emittiert wird. In einem weiteren Schritt 1520 wird die emittierte Strahlung in eine jeweils geeignete Ablenkrichtung abgelenkt, um die mehrdimensionale Strahlformung oder -auslenkung zu erreichen. 15 shows a flowchart of a method 1500 for multidimensional beamforming according to an exemplary embodiment, for example by means of the above with reference to FIG 1 to 5 described beam shaping module. The procedure 1500 includes a step 1510 in which the radiation provided by the phase-controlled arrays with the phase profile is emitted. In a further step 1520 the emitted radiation is deflected in a suitable deflection direction to achieve the multi-dimensional beam shaping or deflection.

16 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1600 zum Ansteuern eines Strahlformungsmoduls, etwa des vorangehend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Strahlformungsmoduls. Das Verfahren 1600 umfasst einen Schritt 1610, in dem ein erstes Ansteuersignal zum Ansteuern des Arrays und/oder des Ablenkelements und ein zweites Ansteuersignal zum Ansteuern des weiteren Arrays und/oder des weiteren Ablenkelements ausgegeben werden. Durch entsprechendes Ansteuern wird gewährleistet, dass gleichzeitig unterschiedliche Winkelbereiche eines das Stahlformungsmodul umgebenden Raums beleuchtet werden. 16 shows a flowchart of a method 1600 for driving a beam shaping module, such as that described above with reference to FIG 1 to 5 described beam shaping module. The procedure 1600 includes a step 1610 in which a first drive signal for driving the array and / or the deflection element and a second drive signal for driving the further array and / or the further deflection element are output. By appropriate control it is ensured that at the same time different angular ranges of a space surrounding the steel forming module are illuminated.

17 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1700 zum Herstellen eines Strahlformungsmoduls, etwa des vorangehend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Strahlformungsmoduls. Dabei werden in einem optionalen Schritt 1710 das phasengesteuerte Array und das Ablenkelement gebildet. In einem weiteren Schritt 1720 erfolgt das Kombinieren des Arrays mit dem Ablenkelement, wobei das Ablenkelement dem Array nachgeschaltet wird. 17 shows a flowchart of a method 1700 for producing a beam-shaping module, such as that described above with reference to FIG 1 to 5 described beam shaping module. In doing so, in an optional step 1710 formed the phased array and the deflection. In a further step 1720 the array is combined with the deflection element, wherein the deflection element is connected downstream of the array.

18 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1800 kann beispielsweise das vorangehend anhand von 16 beschriebene Verfahren ausführen. Dazu umfasst die Vorrichtung 1800 eine Ansteuereinheit 1810 zum Ausgeben des ersten Ansteuersignals 1812 und des zweiten Ansteuersignals 1814. 18 shows a schematic representation of a device 1800 according to an embodiment. The device 1800 For example, the above may be based on 16 perform the described method. This includes the device 1800 a drive unit 1810 for outputting the first drive signal 1812 and the second drive signal 1814 ,

19 zeigt eine schematische Darstellung eines Lidarsystems 1900 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Lidarsystem 1900, das beispielsweise als Umfeldsensor in einem Kraftfahrzeug dient, umfasst zumindest ein Strahlformungsmodul 100, wie es vorangehend anhand der 1 bis 18 beschrieben ist. 19 shows a schematic representation of a lidar system 1900 according to an embodiment. The lidar system 1900 , which for example serves as an environmental sensor in a motor vehicle, comprises at least one beam-shaping module 100 as previously stated by the 1 to 18 is described.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes nochmals mit anderen Worten zusammengefasst.Below, various embodiments of the approach presented here are summarized again in other words.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht das Strahlformungsmodul 100 aus einer Anordnung eindimensionaler optischer phasengesteuerter Arrays 102, 110, jeweils gefolgt von einem Auslenkelement 108, 116, das eine Ablenkung des Lichts in der transversalen Achse senkrecht zur Auslenkungsrichtung der jeweiligen Arrays ermöglicht. Die Ablenkung erfolgt dabei statisch mit festen Winkeln oder dynamisch mit programmierbaren Auslenkelementen.According to one embodiment, the beamforming module 100 from an array of one-dimensional optical phased arrays 102 . 110 , each followed by a deflecting element 108 . 116 which allows a deflection of the light in the transverse axis perpendicular to the deflection direction of the respective arrays. The deflection is done statically with fixed angles or dynamically with programmable deflection elements.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel basieren die phasengesteuerten Arrays 102, 110 auf integrierten optischen Komponenten für Wellenleiter, Phasenschieber und Emitter. Optional ist eine kollimierende Optik, insbesondere für die nicht phasenmodulierte Achse, integriert oder nachgeschaltet, beispielsweise um die Divergenz in dieser Achse zu reduzieren, wie es in 2 beispielhaft dargestellt ist.According to one embodiment, the phased arrays are based 102 . 110 on integrated optical components for waveguides, phase shifters and emitters. Optionally, a collimating optics, in particular for the non-phase-modulated axis, integrated or downstream, for example, to reduce the divergence in this axis, as in 2 is shown by way of example.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ablenkung in der zweiten Dimension über refraktive Flächen wie beispielsweise Prismen.According to one embodiment, the deflection in the second dimension takes place via refractive surfaces such as prisms.

Zusätzlich oder alternativ erfolgt die Ablenkung in der zweiten Dimension über reflektive Flächen.Additionally or alternatively, the deflection in the second dimension takes place via reflective surfaces.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ablenkung in der zweiten Dimension über diffraktive Flächen, beispielsweise Blazegitter, diffraktive optische Elemente oder holografisch-optische Elemente, erfolgt.It is particularly advantageous if the deflection in the second dimension takes place via diffractive surfaces, for example blazed gratings, diffractive optical elements or holographic-optical elements.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ablenkung in der zweiten Dimension über adaptive optische Komponenten wie beispielsweise Flächenlichtmodulatoren, auch spatial light modulator oder kurz SLM genannt, schaltbare holografische Elemente oder Ähnliches.According to one embodiment, the deflection in the second dimension takes place via adaptive optical components, such as area light modulators, also called spatial light modulator or SLM for short, switchable holographic elements or the like.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Strahlformungsmodul 100 mehrere OPA-Kanäle zur gleichzeitigen Beleuchtung unterschiedlicher Winkelbereiche auf.According to one embodiment, the beam-shaping module 100 several OPA channels for simultaneous illumination of different angle ranges.

Die OPA-Kanäle dienen beispielsweise zur gleichzeitigen Beleuchtung sich überlagernder Winkelbereiche. Dadurch kann die Intensität und damit die zu erwartende Reichweite erhöht werden.The OPA channels are used, for example, for the simultaneous illumination of overlapping angular ranges. As a result, the intensity and thus the expected range can be increased.

Beispielsweise ist es auch möglich, verschiedene Interferenzmuster mit überlappenden Intensitätsbereichen zu überlagern, um verschiedene Intensitätsstufen zu erzeugen. Dies ist beispielsweise hilfreich, um in gewissen Winkelbereichen die gesamte Beugungseffizienz des kombinierten Systems im ausgelenkten Strahl zu erhöhen, da diese üblicherweise, beispielsweise aufgrund der Sinc-Modulation im Fernfeld bzw. allgemeiner durch den Elementfaktor der Einzelemitter, für größere Ablenkwinkel abnimmt. Daher ist es von Vorteil, wenn bei großen Auslenkwinkeln mehrere der Arrays 102, 110 gleichzeitig in die entsprechende Richtung auslenken, sodass sich die einzelnen Fernfeldintensitäten inkohärent überlagern und dadurch die Gesamtintensität, die in einen Winkelbereich abgestrahlt wird, erhöht wird.For example, it is also possible to superimpose different interference patterns with overlapping intensity ranges to produce different intensity levels. This is helpful, for example, to increase the total diffraction efficiency of the combined system in the deflected beam in certain angular ranges, since this usually decreases, for example due to the sinc modulation in the far field or more generally by the element factor of the individual emitter, for larger deflection angles. Therefore, it is advantageous if at large deflection angles more of the arrays 102 . 110 simultaneously deflect in the appropriate direction, so that the individual far-field intensities overlap incoherently and thereby the total intensity, which is radiated in an angular range, is increased.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen OPA-Kanäle in unterschiedlichen Orientierungen, beispielsweise orthogonal zueinander, angeordnet. Dadurch können die Vorteile der OPA-Strahlformung in einem größeren Winkelbereich genutzt werden.According to one embodiment, the different OPA channels are arranged in different orientations, for example orthogonal to one another. This allows the benefits of OPA beamforming to be used over a wider range of angles.

Optional ist auch eine Matrixanordnung zweidimensionaler Arrays möglich, um die Flexibilität und Auflösung in einem von einem einzelnen Array vorgegebenen Winkelbereich durch Kombination über einen größeren Winkelbereich fortzusetzen.Optionally, a matrix arrangement of two-dimensional arrays is also possible in order to continue the flexibility and resolution in an angular range predetermined by a single array by combination over a larger angular range.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel mit zumindest zwei senkrecht zueinander angeordneten Arrays ist es möglich, verschiedene Interferenzmuster mit überlappenden Intensitätsbereichen zu überlagern. Dadurch können verschiedene Intensitätsstufen inkohärent überlagert werden. Wie bereits beschrieben, ist es damit möglich, in gewissen Winkelbereichen die gesamte Beugungseffizienz des kombinierten Systems im ausgelenkten Strahl zu erhöhen, da diese üblicherweise, beispielsweise aufgrund der Sinc-Modulation im Fernfeld bzw. allgemeiner durch den Elementfaktor der Einzelemitter, für größere Ablenkwinkel abnimmt.According to a particularly advantageous embodiment with at least two arrays arranged perpendicular to one another, it is possible to superimpose different interference patterns with overlapping intensity ranges. As a result, different intensity levels can be overlaid incoherently. As already described, it is thus possible to increase the entire diffraction efficiency of the combined system in the deflected beam in certain angular ranges, since this usually decreases, for example due to the sinc modulation in the far field or more generally by the element factor of the single emitter, for larger deflection angles.

Der besondere Vorteil bei Nutzung von senkrecht zueinander angeordneten Arrays besteht darin, dass das Streulicht sich nicht so sehr verstärkt wie im Fall parallel angeordneter Arrays, die gegebenenfalls identische Phasenprofile aufweisen, da die höheren Ordnungen jeweils auf zueinander senkrechten Achsen entstehen und sich somit auch nicht das Streulichtlevel aufgrund sich inkohärent überlagernder höherer Ordnungen erhöhen kann. Der Kontrast relativ zu den höheren Ordnungen kann in diesem Fall sogar noch verbessert werden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Fernfelddivergenz in den kurzen Arrayachsen, beispielsweise mittels einer Kollimationsoptik, reduziert wird.The particular advantage of using arrays arranged perpendicular to one another is that the scattered light is not amplified as much as in the case of arrays arranged in parallel, which optionally have identical phase profiles, since the higher orders each arise on mutually perpendicular axes and thus also not Can increase scattered light level due to incoherently superimposing higher orders. The contrast relative to the higher orders can even be improved in this case. However, this presupposes that the far-field divergence in the short array axes is reduced, for example by means of collimation optics.

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.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims

Beamforming module (100) for multidimensional beamforming, the beamforming module (100) having the following features: at least one phased array (102) having a plurality of emitter elements (104) for generating electromagnetic radiation and at least one phase shifter element (106) for impressing a defined phase profile on the radiation; and at least one deflection element (108) connected downstream of the array (102) for deflecting an emission radiation emitted by the array (102) and having the phase profile in a deflection direction deviating from an emission direction of the emission radiation.

Beam shaping module (100) according to Claim 1 in which the array (102) has a plurality of emission surfaces each emitting an emitter element (104) for emitting the emission radiation, wherein the emission surfaces are lined up at a defined distance to form a one-dimensional array (102).

Beamforming module (100) according to one of the preceding claims, wherein the deflection element (108) is designed to deflect the emission radiation in a direction of emission orthogonal deflection and / or in different deflection directions.

Beamforming module (100) according to one of the preceding claims, in which the deflection element (108) has a refractive and / or reflective and / or diffractive surface and / or a diffractive optical element and / or a holographic-optical element and / or a surface light modulator and / or or a prism and / or a diffraction grating.

Beamforming module (100) according to one of the preceding claims, comprising a collimating element (200) connected between the array (102) and the deflection element (108) for collimating the emission radiation, wherein the deflection element (108) is designed to move one from the collimation element (200). Distracting collimated emission radiation.

Beam shaping module (100) according to one of the preceding claims, with at least one further phased array (110; 300) having a plurality of further emitter elements (112) for generating a further electromagnetic radiation and at least one further phase shifter element (114) for impressing a further defined phase profile the further radiation and at least one further array (110; 300) connected downstream further deflecting element (116; 302) for deflecting a further of the further array (110; 300) emitted and the further phase profile having further emission radiation in a deviating from a further emission direction of the further emission radiation further deflection.

Beam shaping module (100) according to Claim 6 in which the array (102) and the further array (110; 300) are oriented perpendicular to one another and / or are stacked on one another and / or are connected to one another in an array composite.

Lidar system (1900) with at least one beam-shaping module (100) according to one of the preceding claims.

A method (1500) of multidimensional beamforming by means of a beamforming module (100) according to any one of Claims 1 to 7 wherein the method (1500) comprises the steps of: emitting (1510) the emission radiation in the emission direction; and deflecting (1520) the emission radiation in the deflection direction to achieve the multidimensional beamforming.

A method (1600) for driving a beamforming module (100) according to Claim 6 or 7 wherein the method (1600) comprises the step of: outputting (1610) a first drive signal (1812) for driving the array (102) and / or the deflection element (108) and a second drive signal (1814) for driving the further array (110 300) and / or the further deflecting element (116; 302) to simultaneously illuminate different angular ranges of a space surrounding the steel forming module (100).

Method (1600) according to Claim 10 in which, in the step of outputting (1610), the first drive signal (1812) and the second drive signal (1814) are output to simultaneously illuminate at least partially overlapping angular ranges and / or to superimpose different interference patterns.

A method (1700) of manufacturing a beamforming module (100) according to any one of Claims 1 to 7 wherein the method (1700) comprises the step of: combining (1720) the array (102) with the deflector (108) such that the deflector (108) is connected downstream of the array (102) to produce the beamforming module (100).

Apparatus (1800) comprising a unit (1810) adapted to perform the method (1600) of Claim 10 or 11 execute and / or control.

A computer program configured to perform the method (1600) Claim 10 or 11 execute and / or control.

Machine-readable storage medium on which the computer program is based Claim 14 is stored.