用于激光雷达系统的光学元件技术方案

一种用于激光雷达系统(200)的光学元件(100)，所述光学元件具有：扩展光学器件(MLA)和投影透镜(PL)，其中，所述扩展光学器件(MLA)和/或所述投影透镜(PL)通过全息光学元件(HOE)构造。

Optical elements for lidar systems

An optical element (100) for a lidar system (200) has an extended optical element (MLA) and a projection lens (PL), in which the extended optical element (MLA) and/or the projection lens (PL) are constructed by a holographic optical element (HOE).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光雷达系统的光学元件
本专利技术涉及一种用于激光雷达系统的光学元件。此外，本专利技术涉及一种用于制造用于激光雷达系统的光学元件的方法。
技术介绍
在现有技术中，在机动车领域中例如已知以所谓的TOF(英语timeofflight，飞行时间)传感器的形式的激光雷达传感器，所述激光雷达传感器通过转向镜或透射光学器件将发送光引导到周围环境中并且在此检测经反射的辐射。对于这种激光雷达传感器存在不同的技术方案。一方面，使用所谓的“宏观扫描仪”，其中，例如旋转的宏观镜具有厘米范围内的直径。由此，在发送路径中可以通过旋转的宏镜引导具有厘米范围内的直径的射束。大的射束直径具有在保持眼睛安全的方面的优点，因为在相关的标准(IEC60825-1)中假设的7mm的人瞳孔直径仅仅能够捕获射束的一小部分。此外，较大的射束直径可以更稳健地抵抗干扰，例如雨或灰尘。一种替代的系统方案在于使用所谓的“微扫描仪”。该微扫描仪涉及具有毫米范围内——通常为约1mm至约3mm——的直径的小的镜，该镜以MEMS技术制成并且可以以一个或两个几何轴线振荡，以便以这种方式实现射束偏转。在微扫描仪的情况下，微扫描仪的小的结构尺寸和宏观上运动的元件的缺少是有利的。然而不利地，小的镜直径可能对眼睛安全性和稳健性产生影响。此外，仅仅非常难地能够实现：使这些基于微镜的系统同轴地、即具有用于发送和接收路线的相同的光学路径构造，因为微镜过强地限制接收光圈并且因此不能够收集足够的光子。
技术实现思路
本专利技术的任务是，提供一种用于激光雷达系统的改善的光学元件。根据第一方面，本专利技术提供一种用于激光雷达系统的光学元件，所述光学元件具有：扩展光学器件；和投影透镜，其中，所述扩展光学器件和/或所述投影透镜通过全息光学元件构造。根据第二方面，该任务借助一种用于制造用于激光雷达系统的光学元件的方法来解决，所述方法具有以下步骤：提供扩展光学器件；以及提供投影透镜；其中，通过全息光学元件构造扩展光学器件和/或投影透镜。有利地，以这种方式提供一种用于激光雷达系统的紧凑的光学元件，该激光雷达系统例如可以用于汽车领域内的紧凑的激光雷达传感器。有利地，由此可以以其他方式使用机动车中的结构空间。此外，借助所提出的用于进行扫描的激光雷达系统的光学元件可以实现更大的偏转角。用于激光雷达系统的光学元件的优选的实施方式是从属权利要求的主题。光学元件的一个有利的扩展方案的特征在于，所述扩展光学器件的全息光学元件和/或所述投影透镜的全息光学元件如此构造，使得所述投影透镜的光圈数小于1。由此，结果，可以有利地实现用于激光雷达系统的紧凑地构造的光学器件。光学元件的另一有利的扩展方案设置，全息光学元件每层构造有一个光学功能。通过这种所谓的非多路复用的全息图可以实现：从扫描激光定向的射束以不同的入射角入射到全息图上，其中，全息图的每个像素仅仅必须实现一个所定义的方向。结果，由此借助全息图提供简化的光学功能，借助该光学功能，全息图聚束入射的激光。光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，扩展光学器件的和投影透镜的全息光学元件如此构造，使得扩展光学器件与投影透镜之间的间距最小。以这种方式，可以实现紧凑地构造的激光雷达系统。光学元件的另一有利的扩展方案设置，全息光学元件每层构造有所定义的数目的多个光学功能。结果，借助这种所谓的多路复用全息图——其中多个光学功能写入体积中——可以实现扩展光学器件与投影透镜之间的缩短的间距。在扩展光学器件的像素的这种情况下，光可以在多个方向上分布。光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，全息材料是基于聚合物的材料。以这种方式，在机动车的周围环境的情况下可以有利地满足对于全息图的要求，所述要求尤其通过高的例如在约-40℃至约+120℃的范围内的温度波动表征。光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，扩展光学器件的和投影透镜的全息光学元件构造为全息膜。由此，可以有利地借助已知的制造方法高效地制造全息元件，并且，所述全息元件适合于进一步加工。光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，全息膜层压在载体材料的相对置的表面上。以这种方式，可以提供光学元件的特别紧凑的实现。附图说明下面根据多个附图以另外的特征和优点详细地描述本专利技术。在此，相同的或功能相同的构件具有相同的附图标记。附图尤其旨在阐述本专利技术本质的原理并且不一定按照比例实施。为了清楚起见可以设置：并非在所有附图中绘出所有的附图标记。所公开的设备特征类似地由相应公开的方法特征得出，反之亦然。这尤其意味着，由用于制造激光雷达系统的光学元件的方法的相应的实施、特征和优点以类似的方式得出关于用于激光雷达系统的光学元件的特征、技术优点和实施，反之亦然。附图示出：图1示出光学透镜的作用原理的示意图；图2示出具有平面的参考波和来自点的发散的对象波的全息凹面镜的记录配置的示意图；图3示出光学系统的射束路径的一部分的示意图；图4示出另外的光学系统的射束路径的一部分的示意图；图5例如根据光学元件的不同参数示出射束的最大可实现的光学偏转角的示例性的变化过程；图6示出具有全息元件的图4的光学系统的示意图；图7和8示出借助两个全息图实现的用于激光雷达系统的光学元件的作用原理；图9示出用于激光雷达系统的全息图堆叠的作用原理的原理图；图10例如示出全息式实现的光学元件的可实现的偏转角；图11示出具有光学元件的激光雷达系统的示意图；以及图12示出用于制造用于激光雷达系统的光学元件的方法的一种实施方式的流程的原理图。具体实施方式本专利技术的核心构想在于，对于同轴的激光雷达系统设置至少一个全息光学器件，在所述激光雷达系统的情况下构造用于发送和接收路线的共同的光学路径。以这种方式可以消除传统的光学器件的限制，并且可以缩小整个系统的结构空间，或者可以增大进行扫描的激光束的偏转角。为此目的，优选地使用基于聚合物材料的全息材料，所述全息材料在红外光谱范围内用作衍射光栅。所提及的聚合物材料具有用于在机动车领域中的应用的有利的特征，因为所述聚合物材料非常耐受在那里存在的周围环境影响(例如温度波动、湿度波动等)。图1原则上示出具有透镜的传统光学器件，该透镜具有直径D、焦距f和焦点F。在此，以下数学关系或条件适用于可以以合理的开销制造的透镜：f/D>1(1)也可以以大的开销实现具有小于1的光圈数的透镜。“光学器件的或光学系统的光圈数”完全一般性地理解为光学器件的或光学系统的有效入射光瞳的焦距f和直径D之间的比例关系。与此不同，在全息光学元件的情况下，不存在光学器件的关于光圈数和/或折光力的限制。即，全息透镜的或全息凹面镜的焦距f和全息图的直径仅仅通过点光源的位置以及通过在全息透镜记录时的照亮的区域来限定。图2示出用于全息凹面镜的记录配置。所示的是平面的参考波RW和来自对象点P的发散的对象波OW的特殊情况，它们在全息光学元件HOE的高度上进行干涉。由对象点P的间距和对象波OW的张开角ΩObj得出全息光学元件HOE的直径D和焦距fP。两个参数彼此独立，由此可以避开经典的光学器件的在等式(1)中描述的限制。全息光学器件基于衍射成型光，反之，传统透镜基于折射使光转向。图3示意性地示出具有微透镜阵列MLA和投影透镜PL的光学系统的射束路径的一部分。在此，已经做出如下简化的假设：微透镜阵列的射束垂直地射到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光雷达系统(200)的光学元件(100)，所述光学元件具有：扩展光学器件(MLA)；和投影透镜(PL)，其中，所述扩展光学器件(MLA)和/或所述投影透镜(PL)通过全息光学元件(HOE)构造。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.17 DE 102016220232.41.一种用于激光雷达系统(200)的光学元件(100)，所述光学元件具有：扩展光学器件(MLA)；和投影透镜(PL)，其中，所述扩展光学器件(MLA)和/或所述投影透镜(PL)通过全息光学元件(HOE)构造。2.根据权利要求所述1的光学元件(100)，其特征在于，所述扩展光学器件(MLA)的全息光学元件(HOE)和/或所述投影透镜(PL)的全息光学元件(HOE)如此构造，使得所述投影透镜(PL)的光圈数(k2)小于1。3.根据权利要求1或2所述的光学元件(100)，其特征在于，所述全息光学元件(HOE)每层构造有一个光学功能。4.根据权利要求中1或2所述的光学元件(100)，其特征在于，所述扩展光学器件(MLA)的和所述投影透镜(PL)的全息光学元件(HOE)如此构造，使得所述扩展光学器件(MLA)与所述投影透镜(PL)之间的间距最小。5.根据权利要求4所述的光学元件(100)，其特征在于，所述全息光学元件(HOE)每层构造有所定义的数目的多个光学功能。6.根据以上权利要求中任一项所述的光学元件(100)，其特征在于，所述全息材料是基于聚合物的材料。7.根据以上权利要求中任一项所述的光学元件(100)，其特征在于，所述扩展光学器件(MLA)的和...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·迈尔，A·弗雷泽里克森，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE