DE102016220232A1 - Optisches Element für ein Lidar-System - Google Patents

Abstract

Optisches Element (100) für ein Lidar-System (200) aufweisend:eine Aufweitungsoptik (MLA), undeine Projektionslinse (PL), wobei

Description

• Die Erfindung betrifft ein optisches Element für ein Lidar-System. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements für ein Lidar-System.
• Stand der Technik
• Im Stand der Technik sind Lidarsensoren in Form von sogenannten TOF-Sensoren (engl. time of flight) zum Beispiel im Kraftfahrzeugbereich bekannt, die über einen Umlenkspiegel oder eine Transmissionsoptik Sendelicht in die Umgebung leiten und dabei reflektierte Strahlung erfassen. Für derartige Lidarsensoren gibt es unterschiedliche technische Konzepte. Zum einen kommen so genannte „Makroscanner“ zum Einsatz, bei denen ein beispielsweise rotierender Makrospiegel einen Durchmesser im Zentimeterbereich aufweist. Dadurch kann im Sendepfad ein Strahl mit einem Durchmesser im Zentimeterbereich über den rotierenden Makrospiegel geführt werden. Der große Strahldurchmesser hat Vorteile betreffend eine Einhaltung von Augensicherheit, da ein in einschlägigen Normen (IEC 60825-1) angenommener menschlicher Pupillendurchmesser von 7 mm nur einen Bruchteil des Strahls einfangen kann. Außerdem ist ein größerer Strahldurchmesser robuster gegenüber Störungen, wie beispielsweise Regen oder Staub.
• Ein alternatives Systemkonzept besteht in einer Verwendung von sogenannten „Mikroscannern“. Bei diesen handelt es sich um kleine Spiegel mit Durchmesser im Millimeterbereich, typischerweise ca. 1 mm bis ca. 3 mm, die in MEMS-Technologie gefertigt sind und in einer oder zwei geometrischen Achsen schwingen können, um auf diese Weise eine Strahlablenkung zu realisieren. Vorteilhaft sind bei den Mikroscannern ihre kleine Baugröße und das Fehlen von makroskopisch bewegten Elementen. Nachteilig kann sich der kleine Spiegeldurchmesser jedoch auf die Augensicherheit und auf die Robustheit auswirken.
• Ferner ist es nur sehr schwer möglich, diese mikrospiegelbasierten Systeme koaxial, d.h. mit einem identischen optischen Pfad für Sende- und Empfangsweg auszubilden, da der Mikrospiegel die Empfangsapertur zu stark beschränkt und daher nicht genügend Photonen gesammelt werden können.
• Offenbarung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes optisches Element für ein Lidar-System bereitzustellen.
• Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein optisches Element für ein Lidar-System, aufweisend:
• - eine Aufweitungsoptik, und
• - eine Projektionslinse, wobei
• - die Aufweitungsoptik und/oder die Projektionslinse durch ein holographisches optisches Element ausgebildet sind.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements für ein Lidar-System, aufweisend die Schritte:
• - Bereitstellen einer Aufweitungsoptik; und
• - Bereitstellen einer Projektionslinse;
• - wobei die Aufweitungsoptik und/oder die Projektionslinse durch ein holographisches optisches Element ausgebildet werden.
• Auf diese Weise wird vorteilhaft ein kompaktes optisches Element für ein Lidar-System bereitgestellt, welches z.B. für einen kompakten Lidar-Sensor im Automotive-Bereich verwendet werden kann. Vorteilhaft kann dadurch Bauraum im Kraftfahrzeug anderweitig genutzt werden. Ferner können mittels des vorgeschlagenen optischen Elements für scannende Lidar-Systeme größere Auslenkwinkel realisiert werden.
• Bevorzugte Ausführungsformen des optischen Elements für ein Lidar-System sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements zeichnet sich dadurch aus, dass das holographische Element der Aufweitungsoptik und/oder das holographische Element der Projektionslinse derart ausgebildet sind, dass eine Blendenzahl der Projektionslinse kleiner als eins ist. Dadurch kann im Ergebnis vorteilhaft eine kompakt bauende Optik für ein Lidar-System realisiert werden.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements sieht vor, dass das holographische optische Element mit einer optischen Funktion pro Schicht ausgebildet ist. Durch ein derartiges sogenanntes nicht-gemultiplextes Hologramm kann erreicht werden, dass die vom scannenden Laser gerichteten Strahlen unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Hologramm auftreffen, wobei jeder Pixel des Hologramms nur eine definierte Richtung realisieren muss. Im Ergebnis wird dadurch mit dem Hologramm eine vereinfachte optische Funktion bereitgestellt, mit der das Hologramm das auftreffende Laserlicht bündelt.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen optischen Elemente der Aufweitungsoptik und der Projektionslinse derart ausgebildet sind, dass ein Abstand zwischen der Aufweitungsoptik und der Projektionslinse minimiert ist. Auch auf diese Weise ist ein kompakt bauendes Lidar-System realisierbar.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements sieht vor, dass das holographische optische Element mit einer definierten Anzahl von mehreren optischen Funktionen pro Schicht ausgebildet ist. Mittels derartiger sogenannter Multiplex-Hologramme, bei denen mehrere optische Funktionen in ein Volumen eingeschrieben sind, kann im Ergebnis ein verkürzter Abstand zwischen der Aufweitungsoptik und der Projektionslinse erreicht werden. Licht kann in diesem Fall von einem Pixel der Aufweitungsoptik in mehrere Richtungen verteilt werden.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen Materialien polymerbasierte Materialien sind. Auf diese Weise lassen sich vorteilhaft Anforderungen an die Hologramme bei Umgebungen im Kraftfahrzeug erfüllen, die insbesondere durch hohe Temperaturschwankungen charakterisiert sind, beispielsweise in einem Bereich zwischen ca. -40°C und ca. +120°C.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements zeichnet sich dadurch aus, dass die holographischen optischen Elemente der Aufweitungsoptik und der Projektionslinse als holographische Folien ausgebildet sind. Dadurch lassen sich die holographischen Elemente vorteilhaft mittels bekannter Herstellungsverfahren effizient herstellen und sind für eine weitere Verarbeitung geeignet.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des optischen Elements zeichnet sich dadurch aus, dass die holographischen Folien auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Trägermaterials auflaminiert sind. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Realisierung des optischen Elements bereitgestellt werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
• Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das optische Element für ein Lidar-System in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Elements für ein Lidar-System ergeben und umgekehrt.
• In den Figuren zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer optischen Linse;
• 2 eine schematische Darstellung einer Aufnahmekonfiguration eines holographischen Hohlspiegels mit einer ebenen Referenzwelle und einer divergenten Objektwelle aus einem Punkt;
• 3 einen schematische Darstellung eines Teils eines Strahlengangs eines optischen Systems;
• 4 eine schematische Darstellung eines Teils eines Strahlengangs eines weiteren optischen Systems;
• 5 einen beispielhaften Verlauf eines maximal erreichbaren optischen Auslenkwinkels eines Strahls in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern eines optischen Elements;
• 6 eine schematische Darstellung des optischen Systems von 4 mit einem holographischen Element;
• 7 und 8 eine Funktionsweise eines mittels zweier Hologramme realisierten optischen Elements für ein Lidar-System;
• 9 eine prinzipielle Darstellung einer Funktionsweise eines Hologrammstapels für ein Lidar-System;
• 10 Beispiele für realisierbare Auslenkwinkel eines holographisch realisierten optischen Elements;
• 11 eine schematische Darstellung eines Lidar-Systems mit einem optischen Element; und
• 12 eine prinzipielle Darstellung des Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines optischen Elements für ein Lidar-System.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, für ein koaxiales Lidar-System, bei dem ein gemeinsamer optischer Pfad für Sende- und Empfangspfad ausgebildet ist, wenigstens eine holographische Optik vorzusehen. Auf diese Weise können Einschränkungen konventioneller Optiken behoben und ein Bauraum des Gesamtsystems verkleinert, bzw. Auslenkwinkel von scannenden Laserstrahlen vergrößert werden.
• Zu diesem Zweck werden vorzugsweise holographische Materialien basierend auf Polymermaterialien verwendet, die im infraroten Spektralbereich als Beugungsgitter wirken. Die genannten Polymermaterialien weisen günstige Eigenschaften zur Verwendung im Kraftfahrzeugbereich auf, da sie gegenüber dort herrschenden Umwelteinflüssen (z.B. Temperatur-, Feuchtigkeitsschwankungen, usw.) sehr widerstandsfähig sind.
• 1 zeigt prinzipiell eine konventionelle Optik mit einer Linse mit einem Durchmesser D, einer Brennweite f und einem Brennpunkt F. Dabei gilt für eine mit vertretbarem Aufwand herzustellende Linse folgende mathematische Beziehung bzw. Bedingung: $$\text{f/D}>1$$

  
• Mit großem Aufwand sind auch Linsen mit einer Blendenzahl < 1 zu realisieren.
• Unter der Blendenzahl einer Optik bzw. eines optischen Systems versteht man ganz allgemein das Verhältnis zwischen der Brennweite f und dem Durchmesser D der wirksamen Eintrittspupille der Optik bzw. des optischen Systems.
• Im Unterschied dazu existieren bei holographisch optischen Elementen keine Einschränkungen der Optik bezüglich der Blendenzahl und/oder der Brechkraft. Die Brennweite f einer holographischen Linse oder eines holographischen Hohlspiegels und der Durchmesser des Hologramms werden nämlich ausschließlich durch die Lage von Punktlichtquellen und durch einen ausgeleuchteten Bereich bei der Aufnahme der holographischen Linse definiert.
• 2 zeigt eine Aufnahmekonfiguration für einen holographischen Hohlspiegel. Angedeutet ist der spezielle Fall einer ebenen Referenzwelle RW und einer divergenten Objektwelle OW aus einem Objektpunkt P, die auf der Höhe des holographischen optischen Elements HOE zur Interferenz gebracht werden. Aus dem Abstand des Objektpunkts P und dem Öffnungswinkel Ω_Obj der Objektwelle OW ergeben sich der Durchmesser D und die Brennweite fp des holographischen optischen Elements HOE. Beide Parameter sind voneinander unabhängig, wodurch die in Gleichung (1) beschriebene Einschränkung der klassischen Optik umgangen werden kann. Holographische Optiken formen Licht auf Grundlage von Beugung, wohingegen herkömmliche Linsen Licht auf Grundlage von Brechung umlenken.
• 3 zeigt schematisch einen Teil eines Strahlengangs eines optischen Systems mit einem Mikrolinsenarray MLA und einer Projektionslinse PL. Dabei wurde die vereinfachende Annahme gemacht, dass der Strahl vom Mikrolinsenarray senkrecht auf die Projektionslinse PL trifft, was in der Realität nicht der Fall ist, wenn das Mikrolinsenarray eine strahlaufweitende Funktion aufweist.
• Es lässt sich zeigen, dass der halbe optische Ausgangswinkel α_out folgendem mathematischem Zusammenhang unterliegt: $${\alpha }_{out}=arctan\left(\frac{D_{ML\Lambda }}{2\cdot fPL}\right)$$

  

  mit:

D_PL

Durchmesser der Projektionslinse

D_MLA

Durchmesser Mikrolinsenarray

f_PL

Brennweite Projektionslinse

• Geht man weiterhin davon aus, dass die Blendenzahl k₂ der Projektionslinse PL minimal eins sein kann, folgt daraus, dass der Durchmesser D_MLA des Mikrolinsenarrays gleich der Brennweite f_PL der Projektionslinse PL ist. Daraus folgt wiederum, dass der maximale, ideale Auslenkwinkel 26,57° betragen kann, wobei der reale Wert kleiner ist, da hier idealisierte Annahmen getroffen wurden.
• Um, wie in 4 schematisch angedeutet, einen größeren Auslenkwinkel zu erzielen, müsste gelten: $${\text{D}}_{\text{PL}}<{\text{D}}_{\text{MLA}}$$

  
• Dazu müsste, wie in 4 erkennbar, die Projektionslinse PL bedeutend kleiner sein, was jedoch in der Praxis nicht realisierbar ist, da die Brennweite einer Linse nicht kleiner sein kann als ihr Durchmesser. Ferner ist das in 4 dargestellte Mikrolinsenarray MLA (ortsabhängiges Umlenken und Aufweiten) auch nicht durch ein konventionelles Mikrolinsenarray realisierbar.
• Ein aufgeweiteter Laserstrahl ist sendeseitig besonders vorteilhaft, da auf diese Weise mehr Leistung vom Laser ausgesendet werden kann. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass ein Durchmesser einer Pupille des menschlichen Auges mit sieben Millimetern angenommen wird und bei einem größeren Strahl nur anteilige Leistung vom Auge eingefangen werden kann (dies ist eine vereinfachte Darstellung, genaue Berechnungsvorschriften mit drei Pulskriterien können der Laserschutznorm IEC 60825-1 entnommen werden). Wird dieses Prinzip auch empfangsseitig verwendet, ist eine große Apertur für das Einsammeln möglichst vieler Photonen immer vorteilhaft.
• Mit klassischen Optiken gibt es Beschränkungen hinsichtlich der Bauräume, die sich durch die nachfolgenden mathematischen Beziehungen ausdrücken lassen: $$f_2=k_2\cdot D$$

  

  $$d_{Sp-PL-Näherung}=f_2+d_{Sp-MLA}$$

  

  $$D_{MLA}=\left(D-d_{Strahl2}\right)\cdot \frac{d_{Sp-MLA}}{d_{Sp-PL-Näherung}}$$

  

  $$D_{MLA-Linse}=\frac{D_{MLA}}{anz\_px}$$

  

  $$d_{Strahl1}=D_{MLA-Linse}$$

  

  $${\alpha }_{MLA}=arctan\left(\frac{d_{Strahl2}}{2\cdot f_2}\right)$$

  

  $$f_1=\frac{-d_{Strahl1}}{2\cdot tan\left({\alpha }_{MLA}\right)}$$

  

  $$d_{MLA-PL}=f_2+f_1$$

  

  $$d_{Sp-PL}=\left|-f_2-f_1-d_{Sp-MLA}\right|$$

  

  $${\alpha }_{Sp}=\text{arctan}\left(\frac{D/2-d_{Strahl2}/2}{d_{Sp-PL}}\right)$$

  

  $$D_{MLA}=2\cdot d_{Sp-MLA}\cdot \text{tan}\left({\alpha }_{Sp}\right)$$

  

  $${\alpha }_{MLA-oben}=\text{arctan}\left(\frac{\frac{d_{Strahl1}/2}{cos\left({\alpha }_{Sp}\right)}-f_1\cdot \text{tan}\left({\alpha }_{Sp}\right)}{-f_1}\right)$$

  

  $${\alpha }_{MLA-unten}=-\text{arctan}\left(\frac{\frac{d_{Strahl1}/2}{\text{cos}\left({\alpha }_{Sp}\right)}+f_1\cdot \text{tan}\left({\alpha }_{Sp}\right)}{-f_1}\right)$$

  

  $${\alpha }_{out}=\text{arctan}\left(\frac{\left(d_{Sp-MLA}+f_1\right)\cdot \text{tan}\left({\alpha }_{Sp}\right)}{f_2}\right)$$

  

  $$bb=D$$

  

  $$bl=d_{Sp-PL}$$

  

  mit den Parametern:

D

Durchmesser der Projektionslinse PL

k₂

Blendenzahl der Projektionslinse PL

f₂

minimale Brennweite der Projektionslinse PL

d_SP-MLA

Abstand zwischen Mikrospiegel SP und Mikrolinsenarray MLA

d_Strahl,2

Durchmesser des Strahls auf der Projektionslinse PL

d_SP-PL

Abstand zwischen Mikrospiegel SP und Mikrolinsenarray MLA

D_MLA

Größe des Mikrolinsenarrays MLA

anz_px

Anzahl der Pixel des Mikrolinsenarrays MLA

D_MLA-Linse

Durchmesser einer Linse des Mikrolinsenarrays MLA

d_Strahl,1

Durchmesser des Strahls auf dem Mikrolinsenarray MLA

α_MLA

Halber Winkel hinter dem Mikrolinsenarray MLA

f₁

Brennweite der Linsen des Mikrolinsenarrays MLA

d_MLA-PL

Abstand zwischen Mikrolinsenarray MLA und Projektionslinse PL

α_Sp

max. halber optischer Winkel nach dem Mikrospiegel SP

α_MLA-oben

Winkel nach dem Mikrolinsenarray MLA oben für oberen Strahl

α_MLA-unten

Winkel nach dem Mikrolinsenarray MLA unten für oberen Strahl

α_out

halber optischer Winkel hinter der Projektionslinse PL

• 5 zeigt beispielhafte Verläufe von erreichbaren Auslenkwinkeln α_out bei konventionellen Optiken in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern bei Verwendung der obengenannten mathematischen Formeln. Auf der y-Achse ist der maximal erreichbare Auslenkwinkel α_out, auf der x-Achse ist der Abstand d_SP-MLA zwischen dem Mikrospiegel SP des scannenden Lidar-Systems und einer Aufweitungsoptik MLA in Form eines Mikrolinsenarrays aufgetragen. Erkennbar ist, dass auf diese Weise bei brauchbaren Auslenkwinkeln α_out nur relativ große Abstände zwischen dem Mikrospiegel SP und der Aufweitungsoptik MLA realisierbar sind.
• Vorgeschlagen wird, dass die Aufweitungsoptik MLA und/oder die Projektionslinse PL holographisch realisiert sind. Im Unterschied zu konventionellen Optiken wird bei holographisch optischen Elementen als Volumenhologramme die Strahlumlenkung nicht durch Brechung vorgegeben, sondern durch Beugung am Volumengitter. Dies bietet die vorteilhafte Möglichkeit, optische Elemente mit einer Blendenzahl < 1 herzustellen. Die genannten holographisch optischen Elemente HOE lassen sich sowohl in Transmission als auch in Reflexion fertigen und erlauben durch eine freie Wahl von Einfalls- und Ausfalls- bzw. Beugungswinkel neue Bauformen. Das dazu erforderliche holographische Beugungsgitter wird dabei in eine dünne Folie belichtet.
• Dies kann auf ein beispielhaftes herkömmliches koaxiales optisches System für ein Lidar-System angewandt werden. Bekannte Systeme sind stark durch die in Gleichung (1) definierten Zusammenhänge eingeschränkt. Eine Aufweitungsoptik MLA in Form eines Mikrolinsenarrays besteht aus vielen kleinen Einzelspiegeln, die den Scanstrahl eines Lasers aufweiten und einer Projektionslinse PL zuführen.
• Durch die Verwendung wenigstens einer holographischen Linse wird ein neuer Ansatz betreffend eine Verwendung eines optischen Elements für ein scannendes Lidar-System vorgeschlagen. Zusätzlich ermöglichen die charakteristische Entkopplung von Einfallswinkel und Ausfallswinkel bei Hologrammen neue Designansätze. Auf diese Weise wird durch eine holographische Linse der Abstand zwischen der Aufweitungsoptik MLA und der Projektionslinse PL nicht mehr durch die in Gleichung (1) beschriebene Bedingung begrenzt.
• 6 zeigt einen Aufbau und eine Funktion einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen optischen Elements 100. Der Laserstrahl wird mittels eines in einer Achse oder in zwei Achsen schwingenden Mikrospiegels SP abgelenkt, wodurch die Laserstrahlen auf eine holographisch ausgebildete Aufweitungsoptik MLA in Form eines Mikrolinsenarrays treffen. Dabei sind ein Strahldurchmesser und ein Abstand zwischen dem Mikrospiegel SP und der Aufweitungsoptik MLA derart gewählt, dass die einzelnen Strahlen auf der holographischen Aufweitungsoptik MLA separiert sind. Dadurch kann gewährleistet werden, dass jeder einzelne Pixel der holographischen Aufweitungsoptik MLA nur eine einzige Strahlrichtung verarbeiten muss.
• Der auf das Hologramm der Aufweitungsoptik MLA auftreffende Strahl wird gebeugt, umgelenkt und aufgeweitet, wobei die Umlenkung ortsabhängig ist. Strahlen, die in der Mitte auf das Hologramm treffen, müssen nicht umgelenkt werden. Auf das Hologramm am oberen und unteren Rand auftreffende Laserstrahlen müssen hingegen maximal umgelenkt werden, sodass auch sie noch die Projektionslinse P_L ausleuchten. Auch die Ausleuchtung lediglich eines Teilbereichs der Projektionslinse P_L ist denkbar und kann in einer weiteren nicht in Figuren dargestellten Ausführungsform des optischen Elements 100 realisiert werden.
• Im Ergebnis sind die holographischen optischen Elemente HOE der Aufweitungsoptik MLA und/ oder der Projektionslinse PL derart ausgebildet, dass ein Durchmesser D_PL der Projektionslinse PL minimiert ist, wobei mittels der genannten Elemente ein gesamtes Sichtfeld (engl. field of view) abgescannt werden kann.
• Die Projektionslinse P_L ist in 6 als eine einzelne Linse vereinfacht dargestellt, es kann sich dabei aber auch um ein komplexes Objektiv mit mehreren Linsen handeln.
• Durch die freie Wahl von Einfalls- und Ausfallswinkel bei Hologrammen werden neue Off-Axis-Designansätze für optische Elemente ermöglicht, bei denen Strahlen unter unterschiedlichen Winkel vom Mikrospiegel SP auf die Aufweitungsoptik MLA auftreffen.
• Das holographische optische Element HOE kann dabei durch eine analoge Aufnahme einer herkömmlichen Optik hergestellt werden, kann aber auch mit einem holographischen Drucker pixelweise geschrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass jedem Pixel des holographischen optischen Elements HOE eine spezifische optische Funktion zugeordnet werden kann.
• Die sich aus den oben genannten Prinzipien ergebenden Vorteile für das optische Element 100 sind beispielsweise folgende:
• - Kleiner Bauraum, insbesondere muss die letzte Linse des optischen Elements 100 in Form der Projektionslinse PL nur so groß wie der verwendete Strahldurchmesser sein
• - Große Auslenkwinkel realisierbar
• - Höhere Sendeleistungen durch realisierte Augensicherheit aufgrund von aufgeweitetem Strahl
• - Die optische Funktion kann in einer holographischen Folie gespeichert werden, was Kosten und Platz spart
• - Platzsparende Bauweise durch Stapel aus holographischen Folien
• - Das holographische Element HOE kann pixelweise gedruckt werden
• - Jeder Pixel des holographischen Materials muss nur eine einzige Strahlrichtung verarbeiten, d.h. es muss nur eine einzige optische Funktion pro Schicht des Hologramms realisiert sein. Dies bedeutet, dass kein Multiplexen für das Erzeugen des Hologramms erforderlich ist und bedeutet eine hohe Beugungseffizienz
• - System kann auch empfangsseitig verwendet werden
• Um die genau definierten Anforderungen bezüglich Auflösung in einer bestimmten Entfernung an das Lidar-System zu erfüllen, gelten für die beschriebenen Hologramme einige Einschränkungen.
• Für den Abstand d_MLA-PL zwischen der Aufweitungsoptik MLA und dem Hologramm der Projektionslinse PL gelten folgende Bedingungen: $$\mathrm{\Omega }=2\ast \text{arctan}\left(\frac{d_{Strahl\mathrm{,2}}/2}{d_{MLA-PL}}\right)$$

  

  $$\frac{\mathrm{\Omega }}{d_{Strahl\mathrm{,2}}\ast D_{MLA}/anz\_px}>4°$$

  

  mit:

Ω

Raumwinkel

anz_px

Pixelanzahl des Mikrolinsenarrays

• Die 7 und 8 zeigen eine Funktionsweise eines optischen Elements 100 für ein Lidar-System mit einer holographischen Realisierung einer Aufweitungsoptik MLA in Form eines Mikrolinsenarrays und einer holographischen Realisierung einer Projektionslinse PL. Die Aufweitungsoptik MLA weitet den Scanstrahl auf, homogenisiert ihn und führt den homogenisieren Scanstrahl der Projektionslinse PL zu. Das holographische Element der Aufweitungsoptik MLA ist pixelweise gedruckt, wobei pro Pixel mehrere optische Funktionen gespeichert sind (gemultiplextes Hologramm). Beispielsweise kann dabei pro Pixel eine Winkelselektivität von ca. vier Grad realisiert sein. Dies ist in 7 angedeutet, in der ein Verlauf einer Beugungseffizienz über einem Rekonstruktionswinkel dargestellt ist.
• 8 deutet an, dass der gesamte Raumwinkel Ω in mehrere Segmente unterteilt ist, von denen jedes einzelne Segment durch ein Einzelhologramm (Pixel) realisiert ist, wobei jedes Einzelhologramm eine Winkelselektivität von vier Grad aufweist. Erkennbar ist, das der Raumwinkel Ω aufgefächert werden kann (8 oben), wodurch sich der Raumwinkel Ω mittels mehrerer Hologrammpixel realisieren lässt. Ferner ist erkennbar, dass der Raumwinkel Ω gespiegelt werden kann, wodurch sich der Raumwinkel Ω mit jedem Hologrammpixel realisieren lässt (8 unten).
• Im Beispiel von 7 und 8 sind sowohl die Aufweitungsoptik MLA als auch die Projektionslinse PL holographisch realisiert. Jedem Pixel der Aufweitungsoptik MLA wird dabei ein definierter Bereich der Projektionslinse PL zugeordnet, wobei alle Pixel zusammen einen Laserstrahl über den gewünschten Raumwinkel Ω ausleuchten. Durch die Aufweitung des Strahls mittels der Aufweitungsoptik MLA überlappen sich die von den Pixel der Aufweitungsoptik MLA abgelenkten Strahlen auf der Projektionslinse PL.
• Der besseren Übersichtlichkeit halber ist in 8 deshalb nur ein einzelner parallelisierter Strahl dargestellt, der von einem einzelnen Hologrammpixel des holographischen Mikrolinsenarrays MLA abgelenkt wird und von der Projektionslinse PL als Strahl d_Strahl,2 weitergeleitet wird. Vorgesehen ist natürlich, dass sämtliche Pixel der holographisch realisierten Projektionslinse PL sämtliche Strahlrichtungen, die sich durch den Raumwinkel Ω darstellen lassen, geeignet ablenken bzw. weiterleiten.
• Bei einem Strahldurchmesser d_Strahl,2 nach der Projektionslinse PL von sieben mm, einer Pixelanzahl anz_px der Aufweitungsoptik MLA von 400 und einem Durchmesser D_MLA der Projektionslinse PL von 200 mm ergibt sich aus der Gleichung (3) ein Abstand d_MLA-PL zwischen der Aufweitungsoptik MLA und der Projektionslinse PL von ca. 29 mm.
• Aufgrund der in 7 erkennbaren Winkelselektivität der „dicken“ Hologramme gibt es keine Wechselwirkung der einzelnen, in einem Volumen eingeschriebenen Hologramme. Allerdings müssen der Abstand zwischen der Aufweitungsoptik MLA und der Projektionslinse PL sowie der Pixelabstand bei der Aufweitungsoptik MLA und die Aufweitung des Scanstrahls derart eingestellt werden, dass der dargestellte Winkel α größer als vier Grad ist, wie obenstehend in Gleichung (3) definiert.
• Nur in diesem Fall ist nämlich gewährleistet, dass kein Übersprechen zwischen den örtlich überlappenden optischen Funktionen der einzelnen Hologrammpixel der Projektionslinse PL auftritt.
• Durch Multiplexing können in eine Schicht eines holographischen Materials mehrere optische Funktionen eingeschrieben werden. Wie viele Hologramme in ein holographisches Material geschrieben werden können, ist dabei materialabhängig, jedoch nimmt die Effizienz der Einzelhologramme mit der Zahl der gespeicherten optischen Funktionen ab. Aus diesem Grund kann auch vorgesehen sein, die optischen Funktionen in mehrere holographische, aufeinander laminierte Schichten zu speichern. Durch die Realisierung dieses Stacks bzw. Stapels kann im Vergleich zum Multiplex-Hologramm in einer einzelnen Schicht eine höhere Effizienz erreicht werden.
• Eine weitere Ausführungsform des optischen Elements kann somit vorsehen, dass die zwei durch das holographische optische Element HOE realisierten Funktionen (Aufweiten und Umlenken) nicht durch ein einzelnes holographisches optisches Element HOE, sondern durch zwei holographische optische Elemente HOE realisiert werden, die aufeinander laminiert sind. Da das holographische optische Element ortsabhängig eine unterschiedliche Funktion benötigt, kann die Aufnahme besonders gut durch einen holographischen Drucker realisiert werden, welcher das holographische optische Element pixelweise schreibt. Die minimale Pixelgröße darf dabei den Strahldurchmesser des Scanstrahls nicht überschreiten.
• Im Ergebnis sind die holographischen optischen Elemente HOE der Aufweitungsoptik MLA und/ oder der Projektionslinse PL derart ausgebildet, dass ein Abstand d_MLA-PL zwischen der Aufweitungsoptik MLA und der Projektionslinse PL minimiert ist.
• Im Ergebnis sind das holographische optische Element der Aufweitungsoptik MLA und/oder das holographische optische Element der Projektionslinse PL derart ausgebildet, dass ein Durchmesser der Projektionslinse PL minimiert ist.
• Im Ergebnis sind das holographische optische Element der Aufweitungsoptik MLA und/oder das holographische optische Element der Projektionslinse PL derart ausgebildet, dass eine Blendenzahl k₂ der Projektionslinse PL < 1 ist bzw. dass eine Brennweite der Projektionslinse PL kleiner ist als ein Durchmesser der Projektionslinse PL.
• Im Ergebnis sind das holographische optische Element der Aufweitungsoptik MLA und/oder das holographische optische Element der Projektionslinse PL ferner derart ausgebildet, dass Auslenkwinkel von Strahlen nach dem Mikrolinsenarray MLA und von Strahlen nach der Projektionslinse PL maximiert werden.
• 9 zeigt eine derartige vorteilhafte Ausführungsform eines optischen Elements 100 für ein Lidar-System. In diesem Fall sind sowohl die Aufweitungsoptik MLA als auch die Projektionslinse PL jeweils holographisch realisiert, wobei die entsprechenden holographischen optischen Elemente Folien sind, die beidseitig auf ein Trägermaterial (z.B. Glas) auflaminiert sind. Dabei werden, wie in 9 angedeutet, die beiden Folien auf jeweils eine Oberfläche des Trägers mit einer definierten Dicke aufgetragen bzw. auflaminiert.
• Erkennbar ist eine prinzipielle Funktionsweise eines Hologrammstapels am Beispiel eines ca. 30 mm großen Hologramm-Glas-Verbundes, der in einem Pixel mehrere optische Funktionen gespeichert hat. Erkennbar ist, dass ein einfallender Scanstrahl mit einem Durchmesser von ca. 2 mm auf ein holographisches Material der Aufweitungsoptik MLA auftrifft und von einer Projektionslinse PL auf einen Strahldurchmesser von ca. > 7 mm aufgeweitet wird. Vorteilhaft ist somit die gesamte optische Funktion des Hologrammstapels in einem einzigen optischen Element 100 zusammengefasst.
• Auf diese Weise kann durch die Verwendung eines holographischen optischen Elements für ein Mikrolinsenarray mit zusätzlicher strahlumlenkender Funktionalität realisiert werden, wodurch ein besonders kompaktes Lidar-System erreicht werden kann.
• 10 zeigt ein Diagramm mit realisierbaren Auslenkwinkeln α_out eines scannenden Lidar-Systems bei einer Blendenzahl k₂ = 0,5 der Projektionslinse PL, die mit einer konventionellen Optik nicht realisierbar ist. Man erkennt, dass im Vergleich zu den Verläufen von 5 ein wesentlich kleinerer Bauraum eines Lidar-Systems realisierbar ist, was vor allem durch den erheblich verringerten bzw. minimierten Abstand zwischen der Aufweitungsoptik MLA und der Projektionslinse PL ermöglicht wird.
• Auf der x-Achse ist der Abstand zwischen der Projektionslinse PL und der Aufweitungsoptik MLA in Millimetern aufgetragen, auf der y-Achse der Scanwinkel α_out des Lidar-Systems in Grad. Erkennbar sind vier Kennlinien, die in Abhängigkeit von verschiedenen Durchmessern D der Projektionslinse PL einen Scanwinkelverlauf repräsentieren. Für übliche Scanwinkel von ca. fünfzehn Grad ist erkennbar, dass ein geringer Abstand zwischen dem Mikrospiegel SP und der Aufweitungsoptik MLA des Lidar-Systems realisierbar ist.
• 11 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines scannenden Lidar-Systems 200 mit einer Ausführungsform des vorgeschlagenen optischen Elements 100.
• 12 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines optischen Elements 100 für ein Lidar-System.
• In einem Schritt 300 wird eine Aufweitungsoptik MLA bereitgestellt.
• In einem Schritt 310 wird eine Projektionslinse PL bereitgestellt, wobei die Aufweitungsoptik MLA und/oder die Projektionslinse PL durch ein holographisches optisches Element ausgebildet werden.
• Vorteilhaft ist die Reihenfolge der Schritte 300 und 310 beliebig.
• Im Ergebnis wird auf diese Weise eine verbesserte Sendeoptik für einen Lidarsensor bereitgestellt, wobei es sich von selbst versteht, dass für den Lidarsensor auch mehrere Sendeoptiken in Kombination verwendbar sind.
• Vorteilhaft kann das vorgeschlagene optische Element sowohl für mikrobasierte als auch für makrobasierte Spiegelsysteme verwendet werden.
• Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein verbessertes optisches Element für ein koaxiales, scannendes Lidar-System bereitgestellt. Ein mit dem vorgeschlagenen optischen Element realisierter Lidar-Sensor kann vorzugsweise im KFZ-Bereich zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten verwendet werden.
• Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (15)

1. Optisches Element (100) für ein Lidar-System (200) aufweisend: - eine Aufweitungsoptik (MLA), und - eine Projektionslinse (PL), wobei - die Aufweitungsoptik (MLA) und/oder die Projektionslinse (PL) durch ein holographisches optisches Element (HOE) ausgebildet sind.
2. Optisches Element (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische optische Element (HOE) der Aufweitungsoptik (MLA) und/oder das holographische optische Element (HOE) der Projektionslinse (PL) derart ausgebildet sind, dass eine Blendenzahl (k₂) der Projektionslinse (PL) kleiner als eins ist.
3. Optisches Element (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische optische Element (HOE) mit einer optischen Funktion pro Schicht ausgebildet ist.
4. Optisches Element (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen optischen Elemente (HOE) der Aufweitungsoptik (MLA) und der Projektionslinse (PL) derart ausgebildet sind, dass ein Abstand zwischen der Aufweitungsoptik (MLA) und der Projektionslinse (PL) minimiert ist.
5. Optisches Element (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische optische Element (HOE) mit einer definierten Anzahl von mehreren optischen Funktionen pro Schicht ausgebildet ist.
6. Optisches Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen Materialien polymerbasierte Materialien sind.
7. Optisches Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen optischen Elemente (HOE) der Aufweitungsoptik (MLA) und der Projektionslinse (PL) als holographische Folien ausgebildet sind.
8. Optisches Element (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen Folien auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Trägermaterials auflaminiert sind.
9. Lidar-System (200), aufweisend ein optisches Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements (100) für ein Lidar-System (200), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer Aufweitungsoptik (MLA); und - Bereitstellen einer Projektionslinse (PL); - wobei die Aufweitungsoptik (MLA) und/oder die Projektionslinse (PL) holographisch ausgebildet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein holographisches optisches Element (HOE) der Aufweitungsoptik (MLA) und/oder ein holographisches optisches Element der Projektionslinse (PL) derart ausgebildet wird, dass eine orthogonal zum Strahlengang ausgebildete Größe der Projektionslinse (PL) minimiert ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das holographische optische Element (HOE) mit einer optischen Funktion pro Schicht ausgebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die holographischen optischen Elemente (HOE) der Aufweitungsoptik (MLA) und der Projektionslinse (PL) derart ausgebildet werden, dass ein Abstand zwischen der Aufweitungsoptik (MLA) und der Projektionslinse (PL) minimiert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das holographische optische Element (HOE) mit einer definierten Anzahl von mehreren optischen Funktionen pro Schicht ausgebildet wird.
15. Verwendung wenigstens eines optischen Elements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Lidar-Sensor.

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