-
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem optisch abbildenden System gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
-
Stand der Technik
-
Bildgebende Systeme bilden eine Szene auf einen bildgebenden Detektor (bspw. SPAD, APD-arrays, CMOS-Imager) ab, der in der Regel als Array aus einzelnen Detektorelementen (Pixel) aufgebaut ist. Die ideale Abbildung ist dabei die Abbildung eines Objektpunktes auf genau einen Bildpunkt. Dies wird bei realen optischen Systemen wegen Fertigungstoleranzen und konstruktiven Abweichungen (Aberrationen) und Beugung nur bis zu einem bestimmten Grad erreicht. Die Ausdehnung des Punktbildes auf dem bildgebenden Detektor kann durch Verkleinerung der Fertigungstoleranzen und Aberration soweit verkleinert werden, dass schließlich die Ausdehnung des Punktbildes auf dem Detektor durch die Beugung am Rand der Blende der abbildenden Optik bestimmt wird (beugungsbegrenztes Objektiv). Für viele Anwendungen wäre die Beschränkung der Ausdehnung des Punktbildes - insbesondere der Anteile mit größerer Intensität - auf die Größe der Pixel des Detektors von großem Vorteil.
-
Die Druckschrift
US 9,786,845 B1 offenbart eine optische Platte mit quasi-zufälligen Nanoprägevorlagen für die Photonenverwaltung.
-
Die Druckschrift
EP 0 479 490 A2 offenbart einen Volumen-Holographie-Diffusor.
-
Die Druckschrift
EP 1 439 419 B1 offenbart eine Methode und ein Gerät zur Erstellung von optischen Näherungseffekt-Korrekturelementen für ein Maskenmuster in der optischen Lithographie.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Offenbart wird ein optisch abbildendes System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
-
Das optisch abbildende System umfasst eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, und eine Blendenvorrichtung mit einer Blende, wobei die Blendenvorrichtung vor der Empfangsvorrichtung angeordnet ist. Dabei weist die Blende einen zumindest abschnittsweise verrauschten Blendenrand auf. Dies ist vorteilhaft, da sich somit das unvermeidbar gebeugte Licht so umverteilt, dass der Punktbildanteil höherer Intensität sich auf eine kleinere Fläche konzentriert und der Lichteinfall auf die Empfangsvorrichtung beeinflusst werden kann.
-
Ein optisch abbildendes System kann dabei beispielsweise ein LiDAR-System oder eine Kamera sein.
-
Vorteilhafterweise weist die Blende einen vollständig verrauschten Blendenrand auf.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Zweckmäßigerweise ist das optisch abbildende System ein LiDAR-System mit einer Sendevorrichtung zum Aussenden von Laserlicht. Dabei ist die Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Laserlicht eingerichtet, wobei die Blendenvorrichtung vor und/oder hinter der Sendevorrichtung angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, um optische Effekte, die die Signalqualität des LiDAR-Systems verschlechtern, beispielsweise Übersprechern zwischen Sensorpixeln,nee abzumildern.
-
Zweckmäßigerweise wird die räumliche Ausdehnung des verrauschten Blendenrandes zumindest in Abhängigkeit eines Pixelpitch der Empfangsvorrichtung gewählt. Dies ist vorteilhaft, da sich somit eine möglichst gute Annäherung an die oben ausgeführte ideale Abbildung erzielen lässt und dadurch ein Objektpunkte möglichst genau auf einen Bildpunkt abgebildet wird. Als Pixelpitch - wörtlich „Bildelementabstand“ von englisch pixel pitch = „picture element pitch“ - wird der Abstand der Pixel auf Bildsensoren oder Bildschirmen gemessen von Pixelmitte zu Pixelmitte bezeichnet. Somit berücksichtigt die räumliche Ausdehnung des Blendenrandes die technischen Eigenschaften der Empfangsvorrichtung, beispielsweise des Bildsensors, was zu verbesserten Abbildungseigenschaften des optisch abbildenden Systems ingesamt und somit zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit desselben führt.
-
Zweckmäßigerweise ist der verrauschte Blendenrand nicht durch eine Kante definiert. Dies ist vorteilhaft, da sich somit der Bereich hoher Intensität auf eine kleinere Fläche konzentriert und der Einfluss der zugrundeliegenden Geometrie somit deutlich geringer ist. Dies verbessert die Abbildungseigenschaften des optisch abbildenden Systems, beispielsweie des LiDAR-Systems.
-
Zweckmäßigerweise weist der verrauschte Blendenrand zufällige geometrische Strukturen auf. Dadurch kann das Beugungsbild der Blende gezielt beeinflusst werden und eine Konzentration des Punktbildanteils höherer Intensität auf eine kleinere Fläche erreicht werden gegenüber anderen Blendenrandstrukturen.
-
Zweckmäßigerweise weist der verrauschte Blendenrand Strukturen gemäß der Form eines Perlin-Rauschens oder gaußförmigen Rauschens auf. Somit kann der verrauschte Bildrand in vorteilhafter Weise gebildet werden.
-
Zweckmäßigerweise weist die Blende eine auf ein transparentes optisches Fenster, insbesondere Glasplatte, aufgedampfte reflektierende oder absorbierende Maske, insbesondere Chrommaske, oder eine absorbierende Partikel aufweisende Linse auf. Dies ist vorteilhaft, da dies mit bekannten technischen Verfahren umgesetzt werden kann.
-
Zweckmäßigerweise ist die absorbierenden Partikel aufweisende Linse durch Einbringen der absorbierenden Partikel in einen Klebstoff hergestellt. Dadurch kann die Linse in verschiedenen Formen je nach Anwendungsfall hergestellt werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer kreisförmigen Blende und ihres Beugungsbildes (logarithmische Darstellung);
- 2 eine schematische Darstellung einer Blende mit verrauschtem kreisförmigen Blendenrand und ihres Beugungsbildes (logarithmische Darstellung);
- 3 eine schematische Darstellung einer kleeblattförmigen Blende und ihres Beugungsbildes (logarithmische Darstellung);
- 4 eine schematische Darstellung einer Blende mit verrauschtem kleeblattförmigen Blendenrand und ihres Beugungsbildes (logarithmische Darstellung); und
- 5 den schematischen Zusammenhang zwischen Intensität und Abstand vom Intensitätsmaximum bei den oben genannten Blenden; und
- 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems gemäß einer Ausführungsform.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer kreisförmigen Blende und ihres Beugungsbildes in logarithmischer Darstellung, d. h. in logarithmischer Darstellung der Intensität. Hierbei ist rechts ersichtlich, dass ein entsprechender Lichtpunkt bzw. Objektpunkt aufgrund der Beugung an der Kreisblende auf einen relativ großen Bereich mit erhöhter Lichtintensität abgebildet wird. In der Folge wird Licht entsprechend auf mehreren Detektorpixeln registriert und ein Objekt erscheint gegebenenfalls größer als es tatsächlich ist.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Blende mit verrauschtem kreisförmigen Blendenrand und ihres Beugungsbildes in logarithmischer Darstellung, d. h. in logarithmischer Darstellung der Intensität. Hierbei ist rechts ersichtlich, dass ein entsprechender Lichtpunkt bzw. Objektpunkt aufgrund der Beugung an der verrauschten Kreisblende auf einen im Vergleich zur nicht verrauschten Kreisblende kleineren Bereich mit erhöhter Lichtintensität abgebildet wird. In der Folge wird Licht entsprechend auf im Vergleich weniger Detektorpixeln registriert und ein Objekt wird entsprechend genauer abgebildet.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer kleeblattförmigen Blende und ihres Beugungsbildes in logarithmischer Darstellung, d. h. in logarithmischer Darstellung der Intensität. Hierbei ist rechts ersichtlich, dass ein entsprechender Lichtpunkt bzw. Objektpunkt aufgrund der Beugung an der Kleeblattblende auf einen relativ großen Bereich mit erhöhter Lichtintensität abgebildet wird. In der Folge wird Licht entsprechend auf mehreren Detektorpixeln registriert und ein Objekt erscheint gegebenenfalls größer als es tatsächlich ist.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Blende mit verrauschtem kleeblattförmigen Blendenrand und ihres Beugungsbildes in logarithmischer Darstellung, d. h. in logarithmischer Darstellung der Intensität. Hierbei ist rechts ersichtlich, dass ein entsprechender Lichtpunkt bzw. Objektpunkt aufgrund der Beugung an der verrauschten Kleeblattblende auf einen im Vergleich zur nicht verrauschten Kleeblattblende kleineren Bereich mit erhöhter Lichtintensität abgebildet wird.
-
In der Folge wird Licht entsprechend auf im Vergleich weniger Detektorpixeln registriert und ein Objekt wird entsprechend genauer abgebildet.
-
5 zeigt den schematischen Zusammenhang zwischen Intensität I einer Abbildung und Abstand d vom Intensitätsmaximum bei den oben genannten Blenden. Auf der Abszissenachse ist die Intensität in logarithmischer Darstellung abgetragen und auf der Ordinatenachse der Abstand d vom Intensitätsmaximum in dimensionsloser Darstellung. Hier zeigt sich der Einfluss der verrauschten Blendenränder auf das jeweilige Punktbildintensitätsprofil für die kreisförmige und kleeblattförmige Blende. Die Verläufe 53, 54 der verrauschten Blenden zeigen dabei ab einem gewissen Abstand einen stark ausgeprägten Abfall der Intensität. Bei den nicht verrauschen Blenden ist hingegen in den Verläufen 51, 52 ein schwächerer Abfall der Intensität zu erkennen. Für eine technische Anwendung wird man die Auslegung so wählen, dass die Breite des Punktbildes am „Knick“ der Intensitätsprofilkurve gerade dem Pixel Pitch des Detektors bzw. Detektorarrays entspricht. Dadurch wird erreicht, dass ein punktförmiges Objekt entsprechend auf einen Pixel des Detektor abgebildet wird. Somit werden beugungsbedingte Abbildungsfehler minimiert.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 60 gemäß einer Ausführungsform. Dabei umfasst das LiDAR-System 60 eine Sendevorrichtung 62 zum Aussenden von Laserlicht sowie eine Empfangsvorrichtung 63 zum Empfangen von Laserlicht. Weiterhin weist das LiDAR-System 60 eine vor der Empfangsvorrichtung 63 angeordnete Blendenvorrichtung 61 auf, wobei die Blendenvorrichtung 61 eine Blende mit einem zumindest abschnittsweise verrauschten Blendenrand aufweist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 9786845 B1 [0003]
- EP 0479490 A2 [0004]
- EP 1439419 B1 [0005]
