DE102018133302A1 - Optical device and optical sensor device with such a device and motor vehicle with such an optical sensor device - Google Patents

Optical device and optical sensor device with such a device and motor vehicle with such an optical sensor device Download PDF

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Lukas Carek
Ivo Sedlar
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung (9) für eine optische Sensoreinrichtung (8), insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug (21), zum Richten von Licht, das von mindestens einer Lichtquelle (29) emittiert wird, auf ein Sichtfeld und zum Richten von einfallendem Licht (27), das durch Reflexionen des von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittierten Lichts bewirkt wird, innerhalb des Sichtfelds auf mindestens eine Detektoreinheit (18), wobei die optische Vorrichtung (9) umfasst: eine innere optische Anordnung (10, 20) zum Richten des Lichts, das von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittiert wird, auf einen inneren Bereich (11) des Sichtfelds (12) und/oder zum Richten von einfallendem Licht (27) aus dem inneren Bereich (11) des Sichtfelds (12) auf die mindestens eine Detektoreinheit (18) und mindestens eine laterale optische Anordnung (13, 14, 17, 19) zum Richten des Lichts, das von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittiert wird, auf einen lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) und/oder zum Richten von einfallendem Licht (27) aus dem lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) auf die mindestens eine Detektoreinheit (18), wobei die mindestens eine laterale optische Anordnung (13, 14, 17, 19) umfasst: ein äußeres optisches Element (13, 14), das auf einer Objektseite der lateralen optischen Anordnung (13, 14, 17, 19) angeordnet ist, und ein äußeres diffraktives Element (17, 19), das auf einer Detektorseite der lateralen Anordnung (13, 14, 17, 19) angeordnet ist, wobei das äußere diffraktive Element (13, 14) das Licht, das von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittiert wird, auf eine Kontaktfläche (24) des äußeren optischen Elements (13, 14) richtet und das äußere optische Element (13, 14) das Licht von seiner Kontaktfläche (24) auf den lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) richtet und/oder wobei das äußere optische Element (13, 14) das einfallende Licht aus dem lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) auf die Kontaktfläche (24) richtet und das äußere diffraktive Element (17, 19) das einfallende Licht (27) von der Kontaktfläche (24) des äußeren optischen Elements (13, 14) auf die mindestens eine Detektoreinheit (18) richtet. Die Erfindung betrifft ferner eine optische Sensoreinrichtung (8) mit einer solchen optischen Vorrichtung (9), sowie ein Kraftfahrzeug (21) mit einer solchen optischen Vorrichtung (8).The invention relates to an optical device (9) for an optical sensor device (8), in particular for use in a motor vehicle (21), for directing light which is emitted by at least one light source (29) onto a field of view and for directing incident light (27), which is caused by reflections of the light emitted by the at least one light source (29), within the field of view of at least one detector unit (18), the optical device (9) comprising: an inner optical arrangement (10, 20) for directing the light which is emitted by the at least one light source (29) onto an inner region (11) of the field of view (12) and / or for directing incident light (27) from the inner region (11) of the Field of view (12) on the at least one detector unit (18) and at least one lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19) for directing the light emitted by the at least one light source (29) onto a lateral loading range (15, 16) of the field of view (12) and / or for directing incident light (27) from the lateral region (15, 16) of the field of view (12) onto the at least one detector unit (18), the at least one lateral unit Optical arrangement (13, 14, 17, 19) comprises: an outer optical element (13, 14), which is arranged on an object side of the lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19), and an outer diffractive element (17 , 19), which is arranged on a detector side of the lateral arrangement (13, 14, 17, 19), the outer diffractive element (13, 14) reducing the light which is emitted by the at least one light source (29) Contact surface (24) of the outer optical element (13, 14) and the outer optical element (13, 14) directs the light from its contact surface (24) onto the lateral region (15, 16) of the field of view (12) and / or wherein the outer optical element (13, 14) the incident light from the lateral area (15, 16) of the field of view (12) au f directs the contact surface (24) and the outer diffractive element (17, 19) directs the incident light (27) from the contact surface (24) of the outer optical element (13, 14) to the at least one detector unit (18). The invention further relates to an optical sensor device (8) with such an optical device (9) and a motor vehicle (21) with such an optical device (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung oder eine optische Einheit für eine optische Sensoreinrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.The present invention relates to an optical device or an optical unit for an optical sensor device, in particular for use in a motor vehicle.

Auch betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Sensoreinrichtung oder einen optischen Sensor, insbesondere einen LIDAR-Sensor, die bzw. der eine solche optische Vorrichtung umfasst, ebenso wie ein Kraftfahrzeug, d.h. insbesondere ein Automobil, mit einer solchen optischen Sensoreinrichtung.The present invention also relates to an optical sensor device or an optical sensor, in particular a LIDAR sensor, which comprises such an optical device, as well as a motor vehicle, i.e. in particular an automobile, with such an optical sensor device.

Systeme zum Abtasten des Nahbereichs oder der Umgebung eines Kraftfahrzeugs sind allgemein bekannt. Solche Einrichtungen können beispielsweise auf einer Laser-Abtasteinrichtung basieren, die einen Drehspiegel aufweist, so dass ein Laserstrahl auf eine gewünschte Stelle innerhalb eines von der Laser-Abtasteinrichtung abgedeckten Sichtfelds (field of view, FOV) gerichtet werden kann. Die Verwendung des Drehspiegels erlaubt ein FOV von 180° oder noch weiter. Jedoch sind bewegliche Teile wie der Drehspiegel anfällig für ein mechanisches Versagen, so dass es angezeigt ist, die Verwendung solcher Teile zu vermeiden.Systems for scanning the immediate vicinity or the surroundings of a motor vehicle are generally known. Such devices can be based, for example, on a laser scanning device that has a rotating mirror, so that a laser beam can be directed to a desired location within a field of view (FOV) covered by the laser scanning device. The use of the rotating mirror allows an FOV of 180 ° or even further. However, moving parts such as the rotating mirror are susceptible to mechanical failure, so it is advisable to avoid using such parts.

In diesem Zusammenhang offenbart EP 2 124 069 B1 ein LIDAR-System, für das ein MEMS-Spiegel verwendet wird, der so angeordnet ist, dass er in zwei verschiedenen Richtungen gekippt werden kann. Somit kann der MEMS-Spiegel um zwei Achsen gekippt werden (ein sogenannter Drehspiegel). Dieses LIDAR-System weist ferner eine speziell geformte „omnidirektionale“ Emissionslinse auf, die es möglich macht, den Emissionsstrahl in verschiedenen Raumrichtungen innerhalb einer gemeinsamen Ebene zu emittieren. Die Erfassung des Nahbereichs ist somit in diesem Fall auf einen horizontalen Abschnitt des dreidimensionalen Raums beschränkt, so dass eine Abtastung in der vertikalen Richtung nicht möglich ist.Revealed in this context EP 2 124 069 B1 a LIDAR system using a MEMS mirror that is arranged so that it can be tilted in two different directions. This means that the MEMS mirror can be tilted around two axes (a so-called rotating mirror). This LIDAR system also has a specially shaped “omnidirectional” emission lens, which makes it possible to emit the emission beam in different spatial directions within a common plane. In this case, the detection of the close range is limited to a horizontal section of the three-dimensional space, so that scanning in the vertical direction is not possible.

Dieses System weist ferner den Nachteil auf, dass im Falle einer omnidirektionalen Linse die Energie des Emissionsstrahls auf verschiedene Richtungen aufgeteilt werden muss und infolgedessen ein sehr empfindlicher Empfänger notwendig ist, der in der Lage sein muss, eine sehr niedrige Energie des Empfangsstrahls zu detektieren.This system also has the disadvantage that, in the case of an omnidirectional lens, the energy of the emission beam has to be divided into different directions and, consequently, a very sensitive receiver is required which must be able to detect a very low energy of the reception beam.

Ein Drehspiegel kann im Allgemeinen ein Sichtfeld (FOV) im Bereich von bis zu 180° oder sogar noch mehr ermöglichen, hat aber den Nachteil eines mehr oder weniger komplexen Designs mit einer Anzahl beweglicher Teile, was eine hohe Fehlerrate und hohe Produktionskosten mit sich bringen kann, was vermieden werden sollte.A rotating mirror can generally provide a field of view (FOV) in the range of up to 180 ° or even more, but has the disadvantage of a more or less complex design with a number of moving parts, which can result in a high error rate and high production costs what should be avoided.

1 zeigt ein anderes System des Standes der Technik mit einem Sichtfeld von etwa 70°. Das System verwendet ein erstes Linsenelement 1 und ein zweites Linsenelement 2, die jeweils eine optische Achse 3, 4 aufweisen. Die optischen Achsen 3, 4 des ersten und des zweiten Linsenelements 1, 2 sind koaxial angeordnet. Die Linsenelemente 1, 2 werden verwendet, um ankommendes Licht, das in 1 durch ankommende Lichtstrahlen 5 angegeben ist, ohne optische Aberration auf eine Detektionsfläche 6 eines Array-Detektors 7, der in einer Richtung des ankommenden Lichtes hinter der zweiten Linse 2 angeordnet ist, zu fokussieren. Ankommende Lichtstrahlen 5, die in das erste Linsenelement 1 fallen und einen Eintauchwinkel α zwischen +35° und -35° haben, werden von dem ersten und dem zweiten Linsenelement 1, 2 auf solche Weise gebrochen bzw. abgelenkt, dass sie auf den Array-Detektor 7 gerichtet werden, so dass sie vom Array-Detektor 7 detektiert werden können. Licht, das mit einem Eintauchwinkel von mehr als ±35° in die erste Linse 1 fällt, kann nicht auf den Array-Detektor 7 abgelenkt werden und kann daher nicht erfasst werden. In diesem Zusammenhang bezeichnet ein Eintauchwinkel von 0° eine Richtung der optischen Achsen 3, 4 des ersten und des zweiten Linsenelements 1, 2. Demgemäß weist das System von 1 einen Gesamt-Erfassungswinkel β von etwa 70° auf. 1 shows another system of the prior art with a field of view of about 70 °. The system uses a first lens element 1 and a second lens element 2nd each with an optical axis 3rd , 4th exhibit. The optical axes 3rd , 4th of the first and second lens elements 1 , 2nd are arranged coaxially. The lens elements 1 , 2nd are used to get incoming light into 1 by incoming light rays 5 is specified without optical aberration on a detection surface 6 an array detector 7 that is in a direction of the incoming light behind the second lens 2nd is arranged to focus. Incoming beams of light 5 that in the first lens element 1 fall and a plunge angle α between + 35 ° and -35 ° are from the first and the second lens element 1 , 2nd broken or deflected in such a way that it hits the array detector 7 be directed so that they are from the array detector 7 can be detected. Light entering the first lens with an angle of immersion of more than ± 35 ° 1 falls, can not fall on the array detector 7 are distracted and therefore cannot be detected. In this context, an immersion angle of 0 ° denotes a direction of the optical axes 3rd , 4th of the first and second lens elements 1 , 2nd . Accordingly, the system of 1 an overall detection angle β from about 70 °.

Andere Systeme des Standes der Technik, wie beispielsweise F-Theta-Linsen, sind auf ein relativ kleines Sichtfeld beschränkt, im Falle von F-Theta-Linsen typischerweise 70°, mit dem Nachteil, dass zum Abdecken eines weiten Sichtfelds eine große Zahl solcher Systeme an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs angeordnet werden und innerhalb eines Umgebungsüberwachungssystems des Fahrzeugs kombiniert werden muss. Fischaugenlinsen können ein Sichtfeld von bis zu 180° bereitstellen, aber sie bestehen typischerweise aus mehreren refraktiven Elementen, die eine erhebliche Tiefe in die optische Vorrichtung einbringen, was für die Verwendung in der Automobilindustrie nicht annehmbar ist.Other prior art systems, such as F-theta lenses, are limited to a relatively small field of view, typically 70 ° in the case of F-theta lenses, with the disadvantage that a large number of such systems cover a wide field of view must be arranged at different points in the vehicle and must be combined within an environmental monitoring system of the vehicle. Fisheye lenses can provide a field of view of up to 180 °, but they typically consist of several refractive elements that add significant depth to the optical device, which is unacceptable for use in the automotive industry.

Ferner offenbart DE 10 2012 025 281 A1 eine andere optische Objekterfassungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug. Diese Einrichtung umfasst eine Emittereinheit zum Emittieren eines Emissionslichtstrahls; eine Empfängereinheit zum Empfangen eines Empfangslichtstrahls; und eine elektronische Auswertungseinrichtung zum Detektieren eines Objekts außerhalb des Fahrzeugs in einem Nahbereich des Kraftfahrzeugs als Funktion des Empfangslichtstrahls. Die Emittereinheit umfasst einen Emitter zum Erzeugen des Emissionslichtstrahls, einen steuerbaren Mikrospiegel, anhand dessen der Emissionslichtstrahl zumindest in einer ersten Schwenkrichtung verschwenkt werden kann, und eine Emissionslinse, die im Weg des Emissionslichtstrahls hinter dem Mikrospiegel angeordnet ist. Die Emissionslinse ist zumindest entlang der ersten Schwenkrichtung als konkav-konvexe Linse gestaltet, mit einer konkav gekrümmten Oberfläche, die dem Mikrospiegel zugewandt ist, und mit einer konvex gekrümmten Oberfläche. Das System hat den Nachteil eines relativ beschränkten Sichtfelds.Also disclosed DE 10 2012 025 281 A1 another optical object detection device for a motor vehicle. This device comprises an emitter unit for emitting an emission light beam; a receiver unit for receiving a reception light beam; and an electronic evaluation device for detecting an object outside the vehicle in a vicinity of the motor vehicle as a function of the received light beam. The emitter unit comprises an emitter for generating the emission light beam, a controllable micromirror by means of which the emission light beam can be pivoted at least in a first pivoting direction, and an emission lens which is arranged behind the micromirror in the path of the emission light beam. The emission lens is designed at least along the first pivoting direction as a concave-convex lens, with a concavely curved surface that faces the micromirror, and with a convexly curved surface. The system has the disadvantage of a relatively limited field of vision.

Darüber hinaus betrifft WO 2017/005653 A1 eine Detektoreinheit für eine optische Sensoreinrichtung zum Detektieren mindestens eines optischen Signals, die ein optisches Kollimationselement umfasst, welches das mindestens eine optische Signal kollimiert, und die ein Detektionselement umfasst, um das empfangene kollimierte optische Signal zu detektieren. Das Detektionselement ist in einer Brennebene des Kollimationselements in zumindest manchen Regionen angeordnet, und das Detektionselement weist mindestens zwei Detektoroberflächen mit Pixelfeldern auf. Die Detektoroberflächen sind zumindest in manchen Regionen unterschiedlich ausgerichtet, um eine große Detektionsregion mit hoher Auflösung zu erhalten, während sie gleichzeitig einen geringen Rauschabstand für eine optische Sensoreinrichtung aufweisen.Beyond concerns WO 2017/005653 A1 a detector unit for an optical sensor device for detecting at least one optical signal, which comprises an optical collimation element which collimates the at least one optical signal and which comprises a detection element in order to detect the received collimated optical signal. The detection element is arranged in a focal plane of the collimation element in at least some regions, and the detection element has at least two detector surfaces with pixel fields. The detector surfaces are oriented differently, at least in some regions, in order to obtain a large detection region with high resolution, while at the same time they have a low signal-to-noise ratio for an optical sensor device.

Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu minimieren, insbesondere eine optische Vorrichtung anzugeben, die sich zum Richten von Licht, das von mindestens einer Lichtquelle emittiert wird, auf ein weites Sichtfeld und/oder für zum Richten von Reflexionen des Lichts aus dem weiten Sichtfeld auf mindestens eine Detektionseinheit eignet, wodurch die optische Vorrichtung einen einfachen Aufbau hat und robust, zuverlässig und kostengünstig ist. Ein weiteres Ziel ist es, eine optische Sensoreinrichtung anzugeben, die eine solche optische Vorrichtung umfasst.Starting from the above-mentioned prior art, the invention is therefore based on the object of minimizing the disadvantages of the prior art, in particular specifying an optical device which is suitable for directing light which is emitted by at least one light source Field of view and / or for directing reflections of light from the wide field of view to at least one detection unit, whereby the optical device has a simple structure and is robust, reliable and inexpensive. Another aim is to provide an optical sensor device that includes such an optical device.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird jeweils gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen durch eine optische Vorrichtung für eine optische Sensoreinrichtung, durch eine optische Sensoreinrichtung ebenso wie durch ein Kraftfahrzeug gelöst.The object according to the invention is achieved in each case according to the attached independent claims by an optical device for an optical sensor device, by an optical sensor device as well as by a motor vehicle.

Erfindungsgemäß ist somit eine optische Vorrichtung für eine optische Sensoreinrichtung angegeben, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, zum Richten von Licht, das von mindestens einer Lichtquelle emittiert wird, auf ein Sichtfeld und zum Richten von einfallendem Licht, das durch Reflexionen des von der mindestens einen Lichtquelle emittierten Lichts bewirkt wird, innerhalb des Sichtfelds auf mindestens eine Detektoreinheit, wobei die optische Vorrichtung umfasst: eine innere optische Anordnung zum Richten des Lichts, das von der mindestens einen Lichtquelle emittiert wird, auf einen inneren Bereich des Sichtfelds und/oder zum Richten von einfallendem Licht aus dem inneren Bereich des Sichtfelds auf die mindestens eine Detektoreinheit und mindestens eine laterale optische Anordnung zum Richten des Lichts, das von der mindestens einen Lichtquelle emittiert wird, auf einen lateralen Bereich des Sichtfelds und/oder zum Richten von einfallendem Licht aus dem lateralen Bereich des Sichtfelds auf die mindestens eine Detektoreinheit, wobei die mindestens eine laterale optische Anordnung umfasst: ein äußeres optisches Element, das auf einer Objektseite der lateralen optischen Anordnung angeordnet ist, und ein äußeres diffraktives Element, das auf einer Detektorseite der lateralen Anordnung angeordnet ist, wobei das äußere diffraktive Element das Licht, das von der mindestens einen Lichtquelle emittiert wird, auf eine Kontaktfläche des äußeren optischen Elements richtet und das äußere optische Element das Licht von seiner Kontaktfläche auf den lateralen Bereich des Sichtfelds richtet und/oder wobei das äußere optische Element das einfallende Licht aus dem lateralen Bereich des Sichtfelds auf die Kontaktfläche richtet und das äußere diffraktive Element das einfallende Licht von der Kontaktfläche des äußeren optischen Elements auf die mindestens eine Detektoreinheit richtet. According to the invention, an optical device for an optical sensor device is thus specified, in particular for use in a motor vehicle, for directing light which is emitted by at least one light source onto a field of view and for directing incident light which is caused by reflections of the at least one Light source emitted light is effected within the field of view to at least one detector unit, wherein the optical device comprises: an inner optical arrangement for directing the light emitted by the at least one light source to an inner region of the field of view and / or for directing incident light from the inner region of the field of view onto the at least one detector unit and at least one lateral optical arrangement for directing the light emitted by the at least one light source onto a lateral region of the field of view and / or for directing incident light from the lateral Area of the field of view of the at least one detector unit, the at least one lateral optical arrangement comprising: an outer optical element which is arranged on an object side of the lateral optical arrangement, and an outer diffractive element which is arranged on a detector side of the lateral arrangement, wherein the outer diffractive element directs the light emitted by the at least one light source onto a contact surface of the outer optical element and the outer optical element directs the light from its contact surface onto the lateral region of the field of view and / or the outer optical element directs incident light from the lateral area of the field of view onto the contact surface and the outer diffractive element directs the incident light from the contact surface of the outer optical element onto the at least one detector unit.

Erfindungsgemäß ist außerdem eine optische Sensoreinrichtung oder ein optischer Sensor angegeben, insbesondere ein LIDAR-Sensor, beispielsweise ein Flash-LIDAR-Sensor, der umfasst: eine optische Vorrichtung gemäß der Erfindung, insbesondere gemäß einem der beigefügten Ansprüche, mindestens eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht auf die optische Vorrichtung und mindestens eine Detektoreinheit zum Detektieren von einfallendem Licht, das aus der optischen Vorrichtung erhalten wird.According to the invention, an optical sensor device or an optical sensor is also specified, in particular a LIDAR sensor, for example a flash LIDAR sensor, which comprises: an optical device according to the invention, in particular according to one of the appended claims, at least one light source for emitting light on the optical device and at least one detector unit for detecting incident light obtained from the optical device.

Erfindungsgemäß wird schließlich ein Kraftfahrzeug angegeben, das eine wie oben genannte optische Sensoreinrichtung, insbesondere gemäß einem der beigefügten Ansprüche, aufweist.Finally, according to the invention, a motor vehicle is specified which has an optical sensor device as mentioned above, in particular according to one of the appended claims.

Grundidee der vorliegenden Erfindung ist also eine Art von Hybriddesign für die innere optische Anordnung zum Erfassen des inneren Bereichs des Sichtfelds und für die äußere optische Anordnung zum Erfassen des äußeren Bereichs des Sichtfeldes. Erfindungsgemäß ist auch die äußere optische Anordnung als eine Art von Hybridsystem gestaltet, was den Vorteil hat, dass die optische Anordnung der Erfindung sehr flach sein kann und gleichzeitig eine sehr gleichmäßige Auflösung über einem viel breiteren (weiteren) Sichtfeld bereitstellt als bekannte Einrichtungen mit ähnlichen Abmessungen. Insbesondere wird dies dadurch bewirkt, dass die äußere optische Anordnung das äußere optische Element, das auf der nach außen oder zum überwachenden Sichtfeld gewandten Seite der optischen Vorrichtung (im Folgenden „die Objektseite“) angeordnet ist, und das auf der entgegengesetzten Seite d.h. auf der Seite, die der Objektseite entgegengesetzt ist, liegende äußere diffraktive Element umfasst. Aufgrund der kombinierten Verwendung des äußeren optischen Elements und des äußeren diffraktiven Elements können die Abmessungen der optischen Vorrichtung in der Richtung der optischen Achse klein gehalten werden, während gleichzeitig durch Kombinieren der jeweiligen Sichtfelder der inneren optischen Anordnung und der äußeren optischen Anordnung adäquate optische Eigenschaften für die Detektion im lateralen Bereich des Sichtfelds bis zu 180° und noch darüber hinaus bereitgestellt werden können. Außerdem ist die optische Vorrichtung sehr einfach gestaltet und daher viel billiger als übliche Systeme und viel robuster als bekannte Systeme, die Drehspiegel oder Fischaugenlinsen verwenden, und ermöglicht eine einfachere Integration.The basic idea of the present invention is therefore a type of hybrid design for the inner optical arrangement for detecting the inner region of the field of view and for the outer optical arrangement for detecting the outer region of the field of view. According to the invention, the outer optical arrangement is also designed as a type of hybrid system, which has the advantage that the optical arrangement of the invention can be very flat and at the same time provides a very uniform resolution over a much wider (wider) field of view than known devices with similar dimensions . In particular, this is caused by the fact that the outer optical arrangement the outer optical element which is arranged on the side of the optical device facing the outside or towards the field of view to be monitored (hereinafter “the object side”) and that on the opposite side, ie on the side opposite to the object side outer diffractive element includes. Due to the combined use of the outer optical element and the outer diffractive element, the dimensions of the optical device in the direction of the optical axis can be kept small, while at the same time by combining the respective fields of view of the inner optical arrangement and the outer optical arrangement, adequate optical properties for the Detection in the lateral area of the field of view up to 180 ° and beyond can be provided. In addition, the optical device is very simple in design and therefore much cheaper than conventional systems and much more robust than known systems using rotating mirrors or fisheye lenses, and enables easier integration.

Die abhängigen Patentansprüche, die Beschreibung und die Figuren betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims, the description and the figures relate to advantageous embodiments of the invention.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das äußere optische Element ein äußeres refraktives Element, insbesondere ein optisches Prisma, oder ein äußeres objektseitiges diffraktives Element, insbesondere ein Hologramm, ein Photonensieb oder eine Zonenplatte. Jedes kann auf der Objektseite der Vorrichtung angeordnet sein und dient zum Lenken von einfallendem Licht, das aus dem äußeren Sichtfeld kommt, zum äußeren diffraktiven Element, das zwischen dem äußeren optischen Element und der mindestens einen Detektoreinheit liegt. Durch die Verwendung eines äußeren objektseitigen diffraktiven Elements kann die Vorrichtung in der Richtung der optischen Achse sehr flach gestaltet werden. Das äußere objektseitige diffraktive Element kann im Wesentlichen parallel zur optischen Achse angeordnet werden oder kann - falls nötig, um ein adäquates Sichtfeld bereitzustellen - schräg in Bezug auf die optische Achse angeordnet werden, d.h. der Winkel zwischen einem äußeren objektseitigen diffraktiven Element und der optischen Achse der Vorrichtung liegt im Bereich von 5° bis 45°, vorzugsweise von 10° bis 35° und stärker bevorzugt von 15° bis 25°.According to one embodiment of the invention, the outer optical element comprises an outer refractive element, in particular an optical prism, or an outer object-side diffractive element, in particular a hologram, a photon sieve or a zone plate. Each can be arranged on the object side of the device and serves to direct incident light coming from the outer field of view to the outer diffractive element which lies between the outer optical element and the at least one detector unit. By using an outer diffractive element on the object side, the device can be made very flat in the direction of the optical axis. The outer object-side diffractive element can be arranged essentially parallel to the optical axis or - if necessary to provide an adequate field of view - can be arranged obliquely with respect to the optical axis, i.e. the angle between an outer object-side diffractive element and the optical axis of the device is in the range from 5 ° to 45 °, preferably from 10 ° to 35 ° and more preferably from 15 ° to 25 °.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die innere optische Anordnung, die auch als zentrale optische Anordnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung bezeichnet werden könnte, ein inneres refraktives Element (ein zentrales refraktives Element) und ein inneres diffraktives Element (ein zentrales diffraktives Element). Was das emittierte Licht betrifft, so richtet das innere diffraktive Element das emittierte Licht von der mindestens einen Lichtquelle auf das innere refraktive Element, und das innere refraktive Element richtet das emittierte Licht auf den inneren Bereich des Sichtfelds. Was das einfallende Licht betrifft, so richtet außerdem oder alternativ dazu das innere refraktive Element das einfallende Licht, das aus dem inneren Bereich des Sichtfelds empfangen wird, auf das innere diffraktive Element, und das innere diffraktive Element richtet das einfallende Licht auf die mindestens eine Detektoreinheit. Das innere refraktive Element liegt auf der Objektseite der Vorrichtung, insbesondere zentral, und kann beispielsweise eine optische Linse oder eine Fresnel-Linse sein. Das innere diffraktive Element liegt zwischen dem inneren refraktiven Element und der Detektoreinheit und kann insbesondere ein Hologramm, ein Photonensieb oder eine Zonenplatte sein.According to a further embodiment, the inner optical arrangement, which could also be referred to as the central optical arrangement of the device according to the invention, comprises an inner refractive element (a central refractive element) and an inner diffractive element (a central diffractive element). As for the emitted light, the inner diffractive element directs the emitted light from the at least one light source to the inner refractive element, and the inner refractive element directs the emitted light to the inner region of the field of view. As for the incident light, moreover or alternatively, the inner refractive element directs the incident light received from the inner region of the field of view to the inner diffractive element, and the inner diffractive element directs the incident light to the at least one detector unit . The inner refractive element is located on the object side of the device, in particular centrally, and can be, for example, an optical lens or a Fresnel lens. The inner diffractive element lies between the inner refractive element and the detector unit and can in particular be a hologram, a photon sieve or a zone plate.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das äußere refraktive Element auf seiner Detektorseite die Kontaktfläche. Während es hinsichtlich des Platzbedarfs bevorzugt ist, dass das äußere refraktive Element und das äußere diffraktive Element einander an der Kontaktfläche berühren, liegt es im Bereich der Erfindung, dass das äußere diffraktive Element von der Kontaktfläche des äußeren refraktiven Elements beabstandet ist und dass nötigenfalls eine Lücke zwischen ihnen vorhanden ist. Außerdem kann das äußere refraktive Element eine Licht-Einlass-/Auslassfläche umfassen, die angrenzend an die detektorseitige Kontaktfläche angeordnet ist und geeignet sein kann, um einfallendes Licht aus dem lateralen Bereich des Sichtfelds zum äußeren diffraktiven Element und zur Detektoreinheit zu lenke, und die geeignet sein kann, um von der Lichtquelle emittiertes Licht, welches durch das äußere diffraktive Element tritt, direkt oder indirekt in den lateralen Bereich des Sichtfelds zu lenken. Insbesondere kann die Licht-Einlass-/Auslassfläche eine gekrümmte Oberfläche sein, die als Linse wirkt. Jedoch kann die Einlass-/Auslassfläche auf jede andere Weise ausgebildet sein, mit der die Eigenschaften einer Linse bereitgestellt werden, beispielsweise mit einer Frensnel-Linsenfläche. Durch die Krümmung der Einlass-/Auslassfläche kann der Winkelbereich des Sichtfelds der Vorrichtung geeignet gewählt werden.According to a further embodiment, the outer refractive element comprises the contact area on its detector side. While it is preferred in terms of the space requirement that the outer refractive element and the outer diffractive element touch each other at the contact surface, it is within the scope of the invention that the outer diffractive element is spaced apart from the contact surface of the outer refractive element and that if necessary a gap is between them. In addition, the outer refractive element may comprise a light inlet / outlet surface which is arranged adjacent to the detector-side contact surface and which may be suitable for guiding incident light from the lateral region of the field of view to the outer diffractive element and the detector unit, and which is suitable can be in order to direct or indirectly emit light emitted by the light source, which passes through the outer diffractive element, into the lateral region of the field of view. In particular, the light inlet / outlet surface can be a curved surface that acts as a lens. However, the inlet / outlet surface can be formed in any other way with which the properties of a lens are provided, for example with a Frensnel lens surface. Due to the curvature of the inlet / outlet surface, the angular range of the field of view of the device can be suitably selected.

Das äußere refraktive Element kann auch eine reflektive Oberfläche angrenzend an die Einfallslicht-Einlass-/Auslassfläche und angrenzend an die detektorseitige Kontaktfläche aufweisen. Die reflektive Oberfläche eignet sich zum Reflektieren von emittiertem Licht zwischen der Kontaktoberfläche und der Einlass-/Auslassfläche und/oder zum Reflektieren von einfallendem Licht zwischen der Einlass-/Auslassfläche und der Kontaktfläche. Ein solches äußeres refraktives Element kann als spezielle Art von Prisma bezeichnet werden und kann außerdem sehr klein, robust und kostengünstig sein. Insbesondere ist solch ein äußeres refraktives Element sehr verschleißfest, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung der Erfindung verbessert wird.The outer refractive element can also have a reflective surface adjacent to the incident light inlet / outlet surface and adjacent to the detector-side contact surface. The reflective surface is suitable for reflecting emitted light between the contact surface and the inlet / outlet surface and / or for reflecting incident light between the inlet / outlet surface and the contact surface. Such an external refractive element can be called a special type of prism and can also be very small, robust and inexpensive. In particular, such an external refractive element is very wear resistant, thereby improving the reliability of the device of the invention.

Insbesondere kann das äußere refraktive Element ein Prisma sein, insbesondere ein Prisma, das eine gekrümmte Einlass-/Auslassfläche aufweist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das äußere refraktive Element in Bezug auf die optische Achse des inneren refraktiven Elements lateral zum inneren refraktiven Element angeordnet sein, wodurch ein sehr kompaktes Design für die Vorrichtung der Erfindung bereitgestellt wird.In particular, the outer refractive element can be a prism, in particular a prism that has a curved inlet / outlet surface. Additionally or alternatively, the outer refractive element can be arranged laterally to the inner refractive element with respect to the optical axis of the inner refractive element, thereby providing a very compact design for the device of the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die optische Vorrichtung mindestens zwei äußere optische Elemente, insbesondere mindestens zwei Prismen, die auf einander entgegengesetzten Seiten des inneren refraktiven Elements angeordnet sind, insbesondere so, dass das innere refraktive Element und die beiden äußeren optischen Elemente in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Ein solches Design ermöglicht ein flaches, aber weites Sichtfeld, das in der gemeinsamen Ebene liegt, und bietet die Möglichkeit, Objekte zu detektieren, die auf beiden Seiten des inneren Bereichs des Sichtfelds liegen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung mehrere äußere optische Elemente umfassen, die im Umkreis um das innere refraktive Element angeordnet sind, wodurch ein im Wesentlichen halbkugelförmiges Sichtfeld bereitgestellt wird. Durch die Verwendung einer größeren Zahl äußerer optischer Elemente und äußerer diffraktiver Elemente lateral zum inneren refraktiven Element bzw. einem inneren diffraktiven Element kann das Sichtfeld bedarfsgemäß gestaltet werden, beispielsweise kann das Sichtfeld im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene erweitert werden, könnte aber auch in jeder Richtung erweitert werden, wodurch eine optische Vorrichtung/ein optischer Sensor bereitgestellt wird, die bzw. der sich für die Detektion von Objekten eignet, die im halbkugelförmigen Sichtfeld liegen, d.h. 180° in der horizontalen sowie 180° in der vertikalen Richtung. Die genannten Designs sind sehr kompakt und ermöglichen eine einfache Montage der optischen Vorrichtung sowie der optischen Sensoreinrichtung.According to a further embodiment, the optical device comprises at least two outer optical elements, in particular at least two prisms, which are arranged on opposite sides of the inner refractive element, in particular such that the inner refractive element and the two outer optical elements are arranged in a common plane are. Such a design enables a flat but wide field of view that lies in the common plane and offers the possibility of detecting objects that are located on both sides of the inner region of the field of view. According to a further embodiment, the device can comprise a plurality of outer optical elements which are arranged in the periphery around the inner refractive element, as a result of which a substantially hemispherical field of view is provided. By using a larger number of outer optical elements and outer diffractive elements laterally to the inner refractive element or an inner diffractive element, the field of view can be designed as required, for example the field of view can be essentially expanded in a horizontal plane, but could also be in any direction be expanded, whereby an optical device / an optical sensor is provided which is suitable for the detection of objects which lie in the hemispherical field of view, ie 180 ° in the horizontal and 180 ° in the vertical direction. The designs mentioned are very compact and enable simple assembly of the optical device and the optical sensor device.

Die Erfindung gibt Ausführungsformen an, bei denen der Erfassungswinkel der inneren optischen Anordnung in einem Bereich von 50° bis 90°, vorzugsweise von 60° bis 80°, stärker bevorzugt bei 70° liegt. Ferner, und abhängig vom Erfassungswinkel der Linse, kann der Erfassungswinkel des Prismas in einem Bereich vom Erfassungswinkel der Linse bis 160° bis 180°, vorzugsweise bis 170° bis 180°, stärker bevorzugt bis 180° liegen. Durch Montieren der optischen Einheit auf exponierte Weise, kann der Erfassungswinkel des Prismas sogar größer sein als 180°.The invention specifies embodiments in which the detection angle of the inner optical arrangement is in a range from 50 ° to 90 °, preferably from 60 ° to 80 °, more preferably at 70 °. Furthermore, and depending on the detection angle of the lens, the detection angle of the prism can range from 160 ° to 180 °, preferably up to 170 ° to 180 °, more preferably up to 180 °. By mounting the optical unit in an exposed manner, the detection angle of the prism can even be larger than 180 °.

Eine Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine erste Lichtquelle zum Emittieren von Licht zum inneren diffraktiven Element und mindestens eine zweite Lichtquelle zum Emittieren von Licht zum äußeren diffraktiven Element umfasst. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die optische Sensoreinrichtung mindestens eine erste Detektoreinheit zum Detektieren von einfallendem Licht, das vom inneren diffraktiven Element kommt, und mindestens eine zweite Detektoreinheit zum Detektieren von einfallendem Licht, das vom äußeren diffraktiven Element kommt, umfassen. Die Verwendung mehrerer Lichtquellen und/oder Detektoreinheiten sorgt für Flexibilität, um die Sensoreinrichtung je nach Bedarf speziell gestalten zu können. Insbesondere können die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle angrenzend aneinander in einer Detektionsebene liegen, die vertikal zur optischen Achse der optischen Sensoreinrichtung angeordnet ist. Das gleiche gilt in Bezug auf die erste Detektoreinheit und die zweite Detektoreinheit, die angrenzend aneinander in der Detektionsebene liegen können. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle mindestens eine Leuchtdiode, beispielsweise eine Laserdiode. Die Detektoreinheit kann insbesondere einen Array-Detektor oder eine Anzahl von Array-Detektoren umfassen.An embodiment of the optical sensor device according to the invention is characterized in that it comprises at least one first light source for emitting light to the inner diffractive element and at least one second light source for emitting light to the outer diffractive element. Additionally or alternatively, the optical sensor device can comprise at least a first detector unit for detecting incident light coming from the inner diffractive element and at least a second detector unit for detecting incident light coming from the outer diffractive element. The use of multiple light sources and / or detector units ensures flexibility in order to be able to design the sensor device specifically as required. In particular, the first light source and the second light source can lie adjacent to one another in a detection plane which is arranged vertically to the optical axis of the optical sensor device. The same applies to the first detector unit and the second detector unit, which can lie adjacent to one another in the detection plane. According to one embodiment, the light source comprises at least one light-emitting diode, for example a laser diode. The detector unit can in particular comprise an array detector or a number of array detectors.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.The invention is explained in more detail below with reference to the attached drawing using preferred embodiments. The features shown can represent an aspect of the invention both individually and in combination. Features of various exemplary embodiments can be transferred from one exemplary embodiment to another.

Es zeigt

  • 1 ein System des Standes der Technik mit einem beschränkten Sichtfeld von etwa 70°;
  • 2 eine optische Sensoreinrichtung mit einer optischen Vorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht;
  • 3 ein äußeres optisches Element in Form eines Prismas der optischen Vorrichtung von 2 im Detail;
  • 4 eine andere Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung mit einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht;
  • 5 eine andere Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung mit einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht;
  • 6 eine optische Vorrichtung gemäß der Erfindung, die als Licht emittierende Vorrichtung wirkt, in einer Schnittansicht;
  • 7 eine andere Ausführungsform einer optischen Vorrichtung der Erfindung, die als Licht emittierende Vorrichtung wirkt, in einer Schnittansicht;
  • 8 eine andere Ausführungsform einer optischen Vorrichtung der Erfindung, die als Licht emittierende Vorrichtung wirkt, in einer Schnittansicht, und
  • 9 eine perspektivische Ansicht einer optischen Sensoreinrichtung der Erfindung.
It shows
  • 1 a prior art system with a limited field of view of about 70 °;
  • 2nd an optical sensor device with an optical device according to a first preferred embodiment of the invention in a sectional view;
  • 3rd an outer optical element in the form of a prism of the optical device of 2nd in detail;
  • 4th another embodiment of an optical sensor device with an optical device according to the invention in a sectional view;
  • 5 another embodiment of an optical sensor device with an optical device according to the invention in a sectional view;
  • 6 an optical device according to the invention, which acts as a light-emitting device, in a sectional view;
  • 7 Another embodiment of an optical device of the invention, which acts as a light emitting device, in a sectional view;
  • 8th Another embodiment of an optical device of the invention, which acts as a light emitting device, in a sectional view, and
  • 9 a perspective view of an optical sensor device of the invention.

In den Figuren sind gleiche und funktionell ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen.In the figures, the same and functionally similar elements are provided with the same reference numbers.

2 zeigt eine optische Sensoreinrichtung 8 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht. Die optische Sensoreinrichtung 8 weist eine optische Vorrichtung 9 auf, die ein inneres refraktives Element 10 in Form einer optischen Linse 10 zum Emittieren von Licht zu und/oder zum Empfangen von einfallendem Licht von einem inneren Bereich 11 eines Sichtfelds 12 der optischen Sensoreinrichtung umfasst. Die optische Sensoreinrichtung 8 weist ferner auf: ein erstes äußeres optisches Element 13 in Form eines ersten optischen Prismas 13 und ein zweites äußeres optisches Element 14 in Form eines zweiten optischen Prismas 14 zum Emittieren von Licht zu und/oder zum Empfangen von einfallendem Licht von einem Grenzbereich 15 bzw. 16 des Sichtfelds 12. 2nd shows an optical sensor device 8th according to a first preferred embodiment of the invention in a sectional view. The optical sensor device 8th has an optical device 9 on that is an inner refractive element 10 in the form of an optical lens 10 for emitting light to and / or receiving incident light from an interior area 11 of a field of view 12th of the optical sensor device. The optical sensor device 8th further comprises: a first outer optical element 13 in the form of a first optical prism 13 and a second outer optical element 14 in the form of a second optical prism 14 for emitting light to and / or receiving incident light from a border area 15 or. 16 of the field of view 12th .

Außerdem umfasst die optische Sensoreinrichtung zwei äußere diffraktive Elemente 17, 19 in Form eines ersten diffraktiven Elements 17 und eines zweiten diffraktiven Elements 19. Das erste diffraktive Element 17 eignet sich für eine Fokussierung zwischen dem ersten optischen Prisma 13 und der Detektoreinheit 18 in Form eines Array-Detektors 18. Das zweite diffraktive Element 19 eignet sich für eine Fokussierung zwischen dem zweiten optischen Prisma 14 und der Detektoreinheit 18. Ein inneres diffraktives Element 20 in Form eines dritten diffraktiven Elements 20 ist zwischen der Linse 10 und dem Detektor 18 angeordnet, um Licht zwischen der Linse 10 und der Detektoreinheit 18 zu fokussieren. Die optische Vorrichtung 9, die Detektoreinheit 18 und eine elektronische Auswertungseinrichtung, die in den Figuren nicht gezeigt ist, bilden zusammen die optische Sensoreinrichtung 8, die in einer Autokarosserie 21 montiert ist, die in den Figuren schematisch angegeben ist.In addition, the optical sensor device comprises two outer diffractive elements 17th , 19th in the form of a first diffractive element 17th and a second diffractive element 19th . The first diffractive element 17th is suitable for focusing between the first optical prism 13 and the detector unit 18th in the form of an array detector 18th . The second diffractive element 19th is suitable for focusing between the second optical prism 14 and the detector unit 18th . An inner diffractive element 20 in the form of a third diffractive element 20 is between the lens 10 and the detector 18th arranged to light between the lens 10 and the detector unit 18th to focus. The optical device 9 , the detector unit 18th and an electronic evaluation device, which is not shown in the figures, together form the optical sensor device 8th that in a car body 21st is mounted, which is shown schematically in the figures.

Die Linse 10 weist eine optische Achse 22 (in den Figuren angegeben) auf, welche die optische Achse 22 der gesamten optischen Vorrichtung 9 bildet. Die optische Achse 22 kann als räumlicher Bezug für die optische Vorrichtung 9 genommen werden. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist die Detektoreinheit 18 in einer Detektorebene 23 angeordnet, die allgemein orthogonal zur optischen Achse 22 ist. Was die optische Achse 22 betrifft, so sind das erste und das zweite optische Prisma 13, 14 einander gegenüber und lateral zur Linse 10 angeordnet, so dass die Linse 10 und die Prismen 13, 14 parallel zur Detektionsebene 23 angeordnet sind.The Lens 10 has an optical axis 22 (indicated in the figures) on which the optical axis 22 of the entire optical device 9 forms. The optical axis 22 can be used as a spatial reference for the optical device 9 be taken. As can be seen from the figures, the detector unit is 18th in a detector plane 23 arranged generally orthogonal to the optical axis 22 is. As for the optical axis 22 concerns, so are the first and the second optical prism 13 , 14 opposite each other and lateral to the lens 10 arranged so that the lens 10 and the prisms 13 , 14 parallel to the detection plane 23 are arranged.

3 zeigt beispielhaft das erste optische Prisma 13 im Detail. Das zweite optische Prisma 14 ist ähnlich, aber spiegelverkehrt, so dass die folgende Erläuterung für beide, nämlich das erste Prisma 13 und das zweite Prisma 14, gilt. Das Prisma 13, 14 umfasst eine Kontaktfläche 24, die zur Detektoreinheit 18 ausgerichtet ist und daher als detektorseitige Oberfläche 24 oder rückseitige Oberfläche des Prismas 13, 14 bezeichnet werden kann. Das Prisma 13, 14 umfasst ferner eine reflektive Oberfläche 25, die an die Kontaktfläche 24 angrenzt, und eine Einlass-/Auslassfläche 26, die an die reflektive Oberfläche 25 ebenso wie an die Kontaktfläche 24 angrenzt. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Einlass-/Auslassfläche 26 gekrümmt und wirkt als Linse. Einfallendes Objektlicht, das in den Figuren durch Objektlichtstrahlen 27 angegeben wird, fällt auf die Einlass-/Auslassfläche 26 und tritt in das Prisma 13, 14 ein, wodurch es gemäß seinem jeweiligen Einfallswinkel in Bezug auf die Licht-Einlass-/Auslassfläche 26 gebeugt wird. Das Licht erreicht die reflektive Oberfläche 25, wo es reflektiert wird, so dass der Strahlengang des Lichts gefaltet wird und das Licht die detektorseitige Kontaktfläche 24 erreicht, wo es aus dem Prisma 13, 14 austritt und durch das erste diffraktive Element 17 bzw. das zweite diffraktive Element 19 zur Detektoreinheit 18 gebeugt wird. 3rd shows an example of the first optical prism 13 in detail. The second optical prism 14 is similar, but mirror-inverted, so the following explanation for both, namely the first prism 13 and the second prism 14 , applies. The prism 13 , 14 includes a contact area 24th going to the detector unit 18th is aligned and therefore as a detector-side surface 24th or back surface of the prism 13 , 14 can be designated. The prism 13 , 14 also includes a reflective surface 25th that to the contact area 24th adjacent, and an inlet / outlet surface 26 attached to the reflective surface 25th as well as to the contact surface 24th adjacent. As in 3rd is the inlet / outlet surface 26 curved and acts as a lens. Incident object light, which in the figures by object light rays 27 is specified, falls on the inlet / outlet surface 26 and enters the prism 13 , 14 a, making it according to its respective angle of incidence with respect to the light inlet / outlet surface 26 is bowed. The light reaches the reflective surface 25th where it is reflected, so that the beam path of the light is folded and the light the detector-side contact surface 24th reached where it from the prism 13 , 14 emerges and through the first diffractive element 17th or the second diffractive element 19th to the detector unit 18th is bowed.

2 zeigt, dass Objektlicht 27, das aus dem inneren Bereich 11 des Sichtfelds 12 einfällt, die Linse 10 und das dritte refraktive Element 20 durchquert und die Detektoreinheit 18 erreicht. Objektlicht 27, das aus einem Grenzbereich 15, 16 außerhalb des inneren Bereichs 11 einfällt (das von dem in 1 gezeigten Prisma nicht detektiert werden kann), durchquert die Prismen 13, 14 und das erste und das zweite refraktive Element 17, 19 und erreicht die Detektoreinheit 18. Der Grenzbereich 15, 16 liegt aufgrund der Montageposition der optischen Vorrichtung innerhalb der Autokarosserie 21 innerhalb eines Winkelbereichs zwischen dem maximalen Eintauchwinkel der Linse und dem Außenrand 28 des Sichtfelds 12. Das bedeutet, dass die in 2 gezeigte optische Vorrichtung ein Gesamt-Sichtfeld von 180° (Winkel β) aufweist, das von einem Eintauchwinkel α von -90° bis zu einem Eintauchwinkel α von +90° reicht (Eintauchwinkel α in Bezug auf die optische Achse 22). Zusammen genommen fokussieren die diffraktiven Elemente 17, 19, 20 schließlich das Licht auf der Detektoreinheit 18. Dadurch erweitert die vorliegende Erfindung das übliche Design, das z.B. in 1 gezeigt ist, durch eine Kombination aus Prismen und diffraktiven Elementen (Hologrammen). 2nd shows that object light 27 that from the inner area 11 of the field of view 12th comes to mind the lens 10 and the third refractive element 20 traverses and the detector unit 18th reached. Object light 27 that from a border area 15 , 16 outside the inner area 11 comes to mind (that of the in 1 shown prism can not be detected), crosses the prisms 13 , 14 and the first and second refractive elements 17th , 19th and reaches the detector unit 18th . The border area 15 , 16 is due to the mounting position of the optical device inside the car body 21st within an angular range between the maximum plunge angle of the lens and the outer edge 28 of the field of view 12th . That means that in 2nd shown optical device a total field of view of 180 ° (angle β ) that is from an immersion angle α from -90 ° to an immersion angle α ranges from + 90 ° (immersion angle α in relation to the optical axis 22 ). Taken together, the diffractive elements focus 17th , 19th , 20 finally the light on the Detector unit 18th . As a result, the present invention extends the usual design, which, for example, in 1 is shown by a combination of prisms and diffractive elements (holograms).

Die Vielseitigkeit der diffraktiven Elemente 17, 19, 20 ermöglicht ein unterschiedliches Design der optischen Vorrichtung 9 und der optischen Sensoreinrichtung 8, was ihre Winkelauflösung möglicherweise verbessert. Während 2 eine optische Sensoreinrichtung 8 zeigt, die eine einzige zentral angeordnete Detektoreinheit 18 umfasst, zeigt 4 ein alternatives Beispiel mit einer Multi-Detektor-Array-Konfiguration mit einer Anzahl von Detektor-Arrays 18. 5 zeigt eine optische Sensoreinrichtung 8 mit einer Segment auf Segment folgenden Beleuchtung.The versatility of the diffractive elements 17th , 19th , 20 enables a different design of the optical device 9 and the optical sensor device 8th , which may improve their angular resolution. While 2nd an optical sensor device 8th shows that a single centrally located detector unit 18th includes, shows 4th an alternative example with a multi-detector array configuration with a number of detector arrays 18th . 5 shows an optical sensor device 8th with segment after segment lighting.

Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die optische Vorrichtung 9 als ankommendes Objektlicht empfangende optische Sensoreinrichtung 8, wie in den 2 bis 5 gezeigt, verwendet werden kann bzw. eine solche bereitstellt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die optische Vorrichtung 9 als Licht emittierende Vorrichtung zum Durchführen einer Beleuchtung des Sichtfelds 12 verwendet werden bzw. eine solche bereitstellen, wie von den 6 bis 8 gezeigt ist. Um dieses Ziel zu erreichen, umfasst die optische Sensoreinrichtung 8 zusätzlich oder alternativ zur Detektoreinheit 18 eine Licht emittierende Einheit 29, hier in Form einer Laserdiode 29 (siehe 6) oder einer Anzahl von Laserdioden 29 (siehe 7 und 8). Die diffraktiven optischen Elemente 17, 19, 20 bieten hier die gleiche Flexibilität der Gestaltung für die Beleuchtung wie in Bezug auf die Detektion.It is an essential advantage of the invention that the optical device 9 as an incoming object light receiving optical sensor device 8th as in the 2nd to 5 shown, can be used or provides one. Additionally or alternatively, the optical device 9 as a light-emitting device for performing illumination of the field of vision 12th be used or provide such as by the 6 to 8th is shown. In order to achieve this goal, the optical sensor device comprises 8th in addition or as an alternative to the detector unit 18th a light-emitting unit 29 , here in the form of a laser diode 29 (please refer 6 ) or a number of laser diodes 29 (please refer 7 and 8th ). The diffractive optical elements 17th , 19th , 20 offer the same flexibility in terms of design for lighting as for detection.

6 zeigt eine optische Sensoreinrichtung 8, die eine Beleuchtung unter Verwendung einer einzigen Laserdiode 29 ermöglicht. 7 zeigt eine optische Sensoreinrichtung 8 mit einer Beleuchtung mit einer Laserdiode 29 pro Segment, wobei die Laserdioden 29 gleichzeitig oder alternativ emittieren können. Die extreme Flexibilität und potentielle Komplexität der diffraktiven Elemente 17, 19, 20 ermöglicht auch ein Design mit mehreren Laserdioden 29 in einem 2D-Muster, um eine sequenzielle Beleuchtung in horizontalen und/oder vertikalen Ebenen zu ermöglichen, was einen Festkörper-Abtastungs-Lidar ergibt (siehe 8). Wie bereits unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 erläutert wurde, ist auch beim Emittieren von Licht das Sichtfeld 12 größer als bei bekannten Vorrichtungen und deckt einen Winkel β von etwa 180° ab. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer optischen Sensoreinrichtung 8 der Erfindung, die emittierte Beleuchtungslichtstrahlen 30 angibt, und zeigt ein Gehäuse 31, das die oben beschriebene optische Vorrichtung 9 abdeckt. 6 shows an optical sensor device 8th that illuminate using a single laser diode 29 enables. 7 shows an optical sensor device 8th with illumination with a laser diode 29 per segment, with the laser diodes 29 can emit simultaneously or alternatively. The extreme flexibility and potential complexity of the diffractive elements 17th , 19th , 20 also enables a design with multiple laser diodes 29 in a 2D pattern to allow sequential illumination in horizontal and / or vertical planes, resulting in a solid state scanning lidar (see 8th ). As already with reference to the 2nd to 5 has been explained, the field of view is also when emitting light 12th larger than in known devices and covers an angle β from about 180 °. 9 shows a perspective view of an optical sensor device 8th of the invention, the emitted illuminating light rays 30th indicates and shows a housing 31 which is the optical device described above 9 covers.

BezugszeichenlisteReference list

11
erstes Linsenelement (Stand der Technik)first lens element (prior art)
22nd
zweites Linsenelement (Stand der Technik)second lens element (prior art)
33rd
optische Achse (Stand der Technik)optical axis (state of the art)
44th
optische Achse (Stand der Technik)optical axis (state of the art)
55
ankommender Lichtstrahl (Stand der Technik)incoming light beam (state of the art)
66
Detektionsfläche (Stand der Technik)Detection area (state of the art)
77
Detektionseinheit, Array-Detektor (Stand der Technik)Detection unit, array detector (prior art)
88th
optische Sensoreinrichtung (Stand der Technik)optical sensor device (state of the art)
99
optische Vorrichtungoptical device
1010th
optische Linseoptical lens
1111
innerer Bereich eines Sichtfeldsinner area of a field of view
1212th
SichtfeldField of view
1313
erstes optisches Prismafirst optical prism
1414
zweites optisches Prismasecond optical prism
1515
GrenzbereichBorder area
1616
GrenzbereichBorder area
1717th
erstes diffraktives Elementfirst diffractive element
1818th
Detektoreinheit, Array-DetektorDetector unit, array detector
1919th
zweites diffraktives Elementsecond diffractive element
2020
drittes diffraktives Elementthird diffractive element
2121
Autokarosserie, KraftfahrzeugCar body, motor vehicle
2222
optische Achseoptical axis
2323
DetektionsebeneDetection level
2424th
Auslassfläche, detektorseitige OberflächeOutlet surface, detector-side surface
2525th
reflektive Oberflächereflective surface
2626
Objektlicht-Einlass-/AuslassflächeObject light inlet / outlet surface
2727
ObjektlichtObject light
2828
AußenrandOuter edge
2929
lichtemittierende Einheit, Laserdiodelight emitting unit, laser diode
3030th
BeleuchtungslichtstrahlenIllumination light rays
αα
Eintauchwinkel,Immersion angle,
ββ
SichtfeldwinkelField of view angle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • WO 2017/005653 A1 [0010]WO 2017/005653 A1 [0010]

Claims (14)

Optische Vorrichtung (9) für eine optische Sensoreinrichtung (8), insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug (21), zum Richten von Licht, das von mindestens einer Lichtquelle (29) emittiert wird, auf ein Sichtfeld und zum Richten von einfallendem Licht (27) innerhalb des Sichtfelds, das durch Reflexionen des von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittierten Lichts bewirkt wird, auf die mindestens eine Detektoreinheit (18), wobei die optische Vorrichtung (9) umfasst: eine innere optische Anordnung (10, 20) zum Richten des von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittierten Lichts auf einen inneren Bereich (11) des Sichtfelds (12) und/oder zum Richten von einfallendem Licht (27) aus dem inneren Bereich (11) des Sichtfelds (12) auf die mindestens eine Detektoreinheit (18), und mindestens eine laterale optische Anordnung (13, 14, 17, 19) zum Richten des von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittierten Lichts auf einen inneren Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) und/oder zum Richten von einfallendem Licht (27) aus dem lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) auf die mindestens eine Detektoreinheit (18), wobei die mindestens eine laterale optische Anordnung (13, 14, 17, 19) ein äußeres optisches Element (13, 14), das auf einer Objektseite der lateralen optischen Anordnung (13, 14, 17, 19) angeordnet ist, und ein äußeres diffraktives Element (17, 19), das auf einer Detektorseite der lateralen optischen Anordnung (13, 14, 17, 19) angeordnet ist, umfasst, wobei das äußere diffraktive Element (17, 19), das Licht, das von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittiert wird, auf eine Kontaktfläche (24) des äußeren optischen Elements (13, 14) richtet und das äußere optische Element (13, 14) das Licht von seiner Kontaktfläche (24) auf den lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) richtet, und/oder wobei das äußere optische Element (13, 14) das einfallende Licht (27) aus dem lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) auf die Kontaktfläche (24) richtet und das äußere diffraktive Element (17, 19) das einfallende Licht (27) von der Kontaktfläche (24) des äußeren optischen Elements (13, 14) auf die mindestens eine Detektoreinheit (18) richtet.Optical device (9) for an optical sensor device (8), in particular for use in a motor vehicle (21), for directing light which is emitted by at least one light source (29) onto a field of view and for directing incident light (27 ) within the field of view, which is caused by reflections of the light emitted by the at least one light source (29), onto the at least one detector unit (18), the optical device (9) comprising: an inner optical arrangement (10, 20) for directing the light emitted by the at least one light source (29) onto an inner region (11) of the field of view (12) and / or for directing incident light (27) from the inner region ( 11) of the field of view (12) of the at least one detector unit (18), and at least one lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19) for directing the light emitted by the at least one light source (29) onto an inner region (15, 16) of the field of view (12) and / or for directing incident light ( 27) from the lateral area (15, 16) of the field of view (12) onto the at least one detector unit (18), wherein the at least one lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19) an outer optical element (13, 14), which is arranged on an object side of the lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19), and an outer diffractive Element (17, 19), which is arranged on a detector side of the lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19), the outer diffractive element (17, 19), the light emitted by the at least one light source (29), directed onto a contact surface (24) of the outer optical element (13, 14) and the outer optical element (13, 14) directs the light from its contact surface (24) onto the lateral region (15, 16) of the field of view (12), and / or wherein the outer optical element (13, 14) directs the incident light (27) from the lateral region (15, 16) of the field of view (12) onto the contact surface (24) and the outer diffractive element (17, 19) directs the incident light (27) from the contact surface (24) of the outer optical element (13, 14) to the at least one detector unit (18). Optische Vorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere optische Element (13, 14) ein äußeres refraktives Element (13, 14), insbesondere ein optisches Prisma (13, 14) oder ein äußeres diffraktives Element, insbesondere ein Hologramm, ein Photonensieb oder eine Zonenplatte, umfasst.Optical device (9) after Claim 1 , characterized in that the outer optical element (13, 14) comprises an outer refractive element (13, 14), in particular an optical prism (13, 14) or an outer diffractive element, in particular a hologram, a photonic sieve or a zone plate . Optische Vorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere optische Anordnung (10, 20) ein inneres refraktives Element (10), insbesondere eine optische Linse (10) oder eine Fresnel-Linse (10), und ein inneres diffraktives Element (20) umfasst, wobei das innere diffraktive Element (20) das Licht, das von der mindestens einen Lichtquelle (29) emittiert wird, zum inneren refraktiven Element (10) richtet und das innere refraktive Element (10) das Licht zum inneren Bereich (11) des Sichtfelds (12) richtet und/oder wobei das innere refraktive Element (10) das einfallende Licht (27) aus dem inneren Bereich (11) des Sichtfelds (12) zum inneren diffraktiven Element (20) richtet und das innere diffraktive Element (20) das einfallende Licht (27) zu der mindestens einen Detektoreinheit (18) richtet.Optical device (9) after Claim 1 or 2nd , characterized in that the inner optical arrangement (10, 20) comprises an inner refractive element (10), in particular an optical lens (10) or a Fresnel lens (10), and an inner diffractive element (20), the inner diffractive element (20) directs the light emitted by the at least one light source (29) to the inner refractive element (10) and the inner refractive element (10) directs the light to the inner region (11) of the field of view (12) directs and / or the inner refractive element (10) directs the incident light (27) from the inner region (11) of the field of view (12) to the inner diffractive element (20) and the inner diffractive element (20) directs the incident light ( 27) to the at least one detector unit (18). Optische Vorrichtung (9) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere refraktive Element (13, 14) die Kontaktfläche (24) auf seiner Detektorseite und eine Einlass-/Auslassfläche (26) umfasst, die angrenzend an die detektorseitige Kontaktfläche (24) angeordnet ist und geeignet ist, um einfallendes Licht (27) aus dem lateralen Bereich (15, 16) des Sichtfelds (12) direkt oder indirekt zum äußeren diffraktiven Element (17, 19) und zur Detektoreinheit (18) zu lenken, und die geeignet ist, um von der Lichtquelle (29) emittiertes Licht, welches durch das äußere diffraktive Element (17, 19) tritt, direkt oder indirekt in den lateralen Bereich des Sichtfelds (12) zu lenken.Optical device (9) after Claim 2 or 3rd , characterized in that the outer refractive element (13, 14) comprises the contact surface (24) on its detector side and an inlet / outlet surface (26) which is arranged adjacent to the detector-side contact surface (24) and is suitable for detecting incident Directing light (27) from the lateral region (15, 16) of the field of view (12) directly or indirectly to the outer diffractive element (17, 19) and to the detector unit (18), which is suitable for directing from the light source (29 ) to direct emitted light, which passes through the outer diffractive element (17, 19), directly or indirectly into the lateral area of the field of view (12). Optische Vorrichtung (9) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere refraktive Element (13, 14) eine reflektive Oberfläche (25) angrenzend an die Einfallslicht-Einlass-/Auslassfläche (26) und angrenzend an die detektorseitige Kontaktfläche (24) umfasst, um emittiertes Licht zwischen der Kontaktfläche (24) und der Einlass-/Auslassfläche (26) zu reflektieren und/oder um einfallendes Licht zwischen der Einlass-/Auslassfläche (26) und der Kontaktfläche (24) zu reflektieren.Optical device (9) after Claim 4 , characterized in that the outer refractive element (13, 14) comprises a reflective surface (25) adjacent to the incident light inlet / outlet surface (26) and adjacent to the detector-side contact surface (24) in order to emit light between the contact surface ( 24) and the inlet / outlet surface (26) and / or to reflect incident light between the inlet / outlet surface (26) and the contact surface (24). Optische Vorrichtung (9) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallslicht-Einlass-/Auslassfläche (26) eine gekrümmte Oberfläche ist, die als Linse wirkt.Optical device (9) after Claim 4 or 5 , characterized in that the incident light inlet / outlet surface (26) is a curved surface which acts as a lens. Optische Vorrichtung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere refraktive Element (13, 14) ein Prisma (13, 14), insbesondere ein Prisma (13, 14) mit einer gekrümmten Einfallslicht-Einlass-/Auslassfläche (26) ist, und/oder wobei das äußere refraktive Element (13, 14) in Bezug auf die optische Achse (22) des inneren refraktiven Elements (10) lateral zum inneren refraktiven Element (10) liegt.Optical device (9) according to one of the preceding Claims 2 to 6 , characterized in that the outer refractive element (13, 14) is a prism (13, 14), in particular a prism (13, 14) with a curved incident light inlet / outlet surface (26), and / or wherein the outer refractive element (13, 14) with respect to the optical axis (22) of the inner refractive element (10) lies laterally to the inner refractive element (10). Optische Vorrichtung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (9) mindestens zwei äußere optische Elemente (13, 14), insbesondere mindestens zwei Prismen (13, 14) umfasst, die auf einander entgegengesetzten Seiten des inneren refraktiven Elements (10) angeordnet sind.Optical device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical device (9), in particular at least two outer optical elements (13, 14) comprises at least two prisms (13, 14) which are arranged on opposite sides of the inner refractive element (10). Optische Vorrichtung (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungswinkel der inneren optischen Anordnung (10, 20) in einem Bereich von 50° bis 90°, vorzugsweise von 60° bis 80°, stärker bevorzugt von etwa 70° liegt, und wobei der Erfassungswinkel der lateralen optischen Anordnung (13, 14, 17, 19) in einem Bereich vom Erfassungswinkel der inneren optischen Anordnung (10, 20) bis 160°, vorzugsweise bis 170° und noch stärker bevorzugt bis 180° liegt.Optical device (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the detection angle of the inner optical arrangement (10, 20) in a range from 50 ° to 90 °, preferably from 60 ° to 80 °, more preferably from about 70 ° and the detection angle of the lateral optical arrangement (13, 14, 17, 19) is in a range from the detection angle of the inner optical arrangement (10, 20) to 160 °, preferably to 170 ° and even more preferably to 180 °. Optische Sensoreinrichtung (8), insbesondere ein LIDAR-Sensor (8), noch stärker bevorzugt ein Flash-LIDAR-Sensor (8), umfassend: eine optische Vorrichtung (9) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mindestens eine Lichtquelle (29) zum Emittieren von Licht zu der optischen Vorrichtung (8) und mindestens eine Detektoreinheit (18) zum Detektieren von einfallendem Licht (27), das von der optischen Vorrichtung (8) empfangen wird.Optical sensor device (8), in particular a LIDAR sensor (8), even more preferably a flash LIDAR sensor (8), comprising: an optical device (9) according to one of the preceding claims, at least one light source (29) for emitting light to the optical device (8) and at least one detector unit (18) for detecting incident light (27) received by the optical device (8). Optische Sensoreinrichtung (8) nach dem vorangehenden Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Sensoreinrichtung (8) mindestens eine erste Lichtquelle (29) zum Emittieren von Licht zum inneren diffraktiven Element (20) und mindestens eine zweite Lichtquelle (29) zum Emittieren von Licht zum äußeren diffraktiven Element (17, 19) umfasst, und/oder die optische Sensoreinrichtung (8) mindestens eine erste Detektoreinheit (18) zum Detektieren von einfallendem Licht (27), das aus dem inneren diffraktiven Element (20) empfangen wird, und mindestens eine zweite Detektoreinheit (18) zum Detektieren von einfallendem Licht (27), das aus dem äußeren diffraktiven Element (17, 19) empfangen wird, umfasst.Optical sensor device (8) according to the preceding Claim 10 , characterized in that the optical sensor device (8) at least one first light source (29) for emitting light to the inner diffractive element (20) and at least one second light source (29) for emitting light to the outer diffractive element (17, 19) and / or the optical sensor device (8) comprises at least one first detector unit (18) for detecting incident light (27) received from the inner diffractive element (20) and at least one second detector unit (18) for detecting incident light (27) received from the outer diffractive element (17, 19). Optische Sensoreinrichtung (8) nach dem vorangehenden Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (29) und die zweite Lichtquelle (29) angrenzend aneinander in einer Detektionsebene (23) liegen, die vertikal zur optischen Achse (22) der optischen Sensoreinrichtung (8) angeordnet ist, und/oder dass die erste Detektoreinheit (18) und die zweite Detektoreinheit (18) angrenzend aneinander in der Detektionsebene (23) liegen.Optical sensor device (8) according to the preceding Claim 10 , characterized in that the first light source (29) and the second light source (29) lie adjacent to one another in a detection plane (23) which is arranged vertically to the optical axis (22) of the optical sensor device (8), and / or that the first detector unit (18) and the second detector unit (18) lie adjacent to one another in the detection plane (23). Optische Sensoreinrichtung (8) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (29) mindestens eine Leuchtdiode (29), zum Beispiel eine Laserdiode (29) umfasst und/oder die Detektoreinheit (18) einen Array-Detektor (18) umfasst.Optical sensor device (8) according to one of the Claims 10 to 12th , characterized in that the light source (29) comprises at least one light-emitting diode (29), for example a laser diode (29) and / or the detector unit (18) comprises an array detector (18). Kraftfahrzeug (21) mit einer optischen Sensoreinrichtung (8) nach einem der Ansprüche 10 bis 13.Motor vehicle (21) with an optical sensor device (8) according to one of the Claims 10 to 13 .
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