WO2018072993A1 - Optisches element für ein lidar-system - Google Patents

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WO2018072993A1
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optical element
projection lens
mla
holographic
hoe
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PCT/EP2017/075101
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Stefanie Mayer
Annette Frederiksen
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Robert Bosch Gmbh
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    • G03H1/0402—Recording geometries or arrangements
    • G03H2001/0439—Recording geometries or arrangements for recording Holographic Optical Element [HOE]

Definitions

  • the invention relates to an optical element for a lidar system.
  • the invention further relates to a method for producing an optical element for a lidar system.
  • lidar sensors are known in the form of so-called TOF sensors (English, time of flight), for example in the field of motor vehicles, which transmit transmitted light into the environment via a deflection mirror or transmission optics and thereby detect reflected radiation.
  • TOF sensors English, time of flight
  • lidar sensors there are different technical concepts.
  • so-called “macroscanners” are used, in which a rotating macro mirror, for example, has a diameter in the centimeter range.This allows a beam with a diameter in the centimeter range to be guided over the rotating macro mirror in the transmission path Eye safety, as a human respected in relevant standards (IEC 60825-1)
  • Pupil diameter of 7 mm can capture only a fraction of the beam.
  • a larger beam diameter is more robust against disturbances such as rain or dust.
  • micro-scanners are small mirrors with diameters in the millimeter range, typically about 1 mm to about 3 mm, which are manufactured in MEMS technology and in one or two geometric Axes can oscillate, in order to realize a beam deflection in this way
  • Advantageous in the microscanners their small size and the absence of macroscopically moved elements.
  • the disadvantage of the small mirror diameter can be the eye safety and the robustness.
  • micromirror-based systems coaxial, i. form with an identical optical path for transmission and reception path, since the micromirror the receiving aperture too limited and therefore not enough photons can be collected.
  • An object of the invention is to provide an improved optical element for a lidar system.
  • the invention provides an optical element for a lidar system, comprising:
  • holographic optical element are formed.
  • the object is achieved with a method for producing an optical element for a lidar system, comprising the steps:
  • expansion optics and / or the projection lens are formed by a holographic optical element.
  • Automotive field can be used.
  • this space in the vehicle can be used otherwise.
  • larger deflection angles can be realized by means of the proposed optical element for scanning lidar systems.
  • Preferred embodiments of the optical element for a lidar system are the subject of dependent claims.
  • optical element is characterized in that the holographic element of the expansion optics and / or the holographic element of the projection lens are designed such that a f-number of the projection lens is less than one.
  • the holographic optical element is formed with an optical function per layer.
  • the beams directed by the scanning laser impinge on the hologram at different angles of incidence, wherein each pixel of the hologram only has to realize a defined direction.
  • the hologram provides a simplified optical function with which the hologram focuses the incident laser light.
  • a further advantageous development of the optical element is characterized in that the holographic optical elements of the expansion optics and the projection lens are designed such that a distance between the expansion optics and the projection lens is minimized. In this way, a compact Lidar system can be realized.
  • the holographic optical element is formed with a defined number of multiple optical functions per layer.
  • multiplex holograms in which a plurality of optical functions are written into a volume, a shortened distance between the expansion optics and the projection lens can be achieved as a result.
  • light can be distributed by a pixel of the expansion optics in several directions.
  • optical element is characterized in that the holographic optical elements of the expansion optics and the projection lens are formed as holographic films. This allows the holographic elements advantageously by means of known
  • a further advantageous development of the optical element is characterized in that the holographic films are laminated on opposite surfaces of a carrier material. In this way, a particularly compact realization of the optical element can be provided.
  • Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the optical element for a lidar system result analogously from corresponding embodiments, features and advantages of the method for producing an optical element for a lidar system and vice versa.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the operation of a
  • FIG. 2 is a schematic representation of a receiving configuration of a holographic concave mirror with a plane
  • FIG. 3 shows a schematic representation of part of a beam path of an optical system
  • Fig. 5 shows an exemplary course of a maximum achievable
  • Fig. 6 is a schematic representation of the optical system of Fig. 4 with a holographic element
  • FIGS. 7 and 8 show an operation of one by means of two holograms
  • Hologram stack for a lidar system shows examples of feasible deflection angles of a holographically realized optical element
  • Fig. 1 1 is a schematic representation of a lidar system
  • Fig. 12 is a schematic diagram of the operation of an embodiment of a method for producing an optical element for a lidar system. Description of embodiments A central idea of the present invention is for a coaxial lidar system, in which a common optical path for transmitting and
  • Receiving path is formed to provide at least a holographic optics. In this way, limitations of conventional optics can be eliminated and a space of the entire system can be reduced, or deflection angle of scanning laser beams can be increased.
  • holographic materials based on polymer materials are used, which in the infrared spectral range as
  • the polymer materials mentioned have favorable properties for use in the motor vehicle sector, since they are very resistant to the environmental influences prevailing there (for example temperature, humidity fluctuations, etc.).
  • FIG. 1 shows a conventional optical system with a lens having a diameter D, a focal length f and a focal point F.
  • D a diameter of a lens
  • f a focal length of a lens
  • F a focal point of a lens
  • the following mathematical relationship or condition applies to a lens to be produced with a reasonable outlay: f / D> 1 (1)
  • the ratio between the focal length f and the diameter D of the effective entrance pupil of the optics or of the optical system is understood to be the number of fins of an optical system or of an optical system.
  • the focal length f of a holographic lens or a holographic concave mirror and the diameter of the hologram are defined solely by the position of point light sources and by a lighted area in the recording of the holographic lens.
  • Fig. 2 shows a receiving configuration for a holographic concave mirror.
  • Holographic optics shape light based on diffraction, whereas conventional lenses redirect light based on refraction.
  • Fig. 3 shows schematically a part of a beam path of an optical
  • the f-number k2 of the projection lens PL can be minimally one, it follows that the diameter DMLA of the microlens array is equal to the focal length fpi_ of the projection lens PL. It follows again that the maximum, ideal deflection angle can be 26.57 °, the real value being smaller, since idealized assumptions have been made here.
  • the projection lens PL would have to be significantly smaller, which however can not be realized in practice since the focal length of a lens can not be smaller than its diameter.
  • the microlens array MLA location-dependent deflection and widening
  • An expanded laser beam is particularly advantageous on the transmission side, since in this way more power can be emitted by the laser. This is due to the fact that a diameter of a pupil of the human eye is assumed to be seven millimeters and only a fractional power can be captured by the eye with a larger beam (this is a simplified illustration, precise calculation rules with three pulse criteria can comply with the laser safety standard IEC 60825). 1). If this principle is also used on the receiving side, a large aperture for collecting as many photons as possible is always advantageous.
  • DMLA lens Diameter of a lens of the microlens array MLA
  • dMi_A-PL. .. Distance between microlens array MLA and projection lens PL as max. half optical angle after the micromirror SP ciMLA-top. , , Angle after the microlens array MLA above for top beam ciMLA-bottom. , , Angle after the microlens array MLA down for upper beam
  • FIG. 5 shows exemplary courses of achievable deflection angles a ou t in conventional optics as a function of various parameters using the above-mentioned mathematical formulas.
  • the maximum achievable deflection angle a is on the y-axis, and the distance dsp-MLA between the micromirror SP of the scanning lidar system and an expansion optic MLA in the form of a microlens array is plotted on the x-axis. It can be seen that in this way at useful deflection angles a ou t relatively large distances between the micro mirror and the optical expansion unit SP MLA can be implemented. It is proposed that the expansion optics MLA and / or the projection lens PL be implemented holographically.
  • Elements HOE can be manufactured in transmission as well as in reflection and allow new designs due to a free choice of incidence and failure or diffraction angle.
  • the required holographic diffraction grating is exposed in a thin film. This can be applied to an exemplary conventional coaxial optical system for a lidar system.
  • Known systems are severely limited by the relationships defined in equation (1).
  • An expansion optics MLA in the form of a microlens array consists of many small individual mirrors which expand the scanning beam of a laser and feed it to a projection lens PL.
  • a new approach is proposed for using an optical element for a scanning lidar system.
  • the characteristic decoupling of angles of incidence and angle of reflection in holograms enable new design approaches. In this way, the distance between the expansion optics MLA and the projection lens PL is no longer limited by the condition described in equation (1) by a holographic lens.
  • FIG. 6 shows a structure and function of an embodiment of a proposed optical element 100.
  • the laser beam is deflected by means of a micromirror SP oscillating in an axis or in two axes, whereby the laser beams strike a holographically formed expansion optics MLA in the form of a microlens array.
  • a beam diameter and a distance between the micromirror SP and the expansion optics MLA are selected such that the individual beams on the holographic
  • Expansion optics MLA are separated. This ensures that each individual pixel of the holographic expansion optics MLA only has to process a single beam direction.
  • the beam impinging on the hologram of the expansion optics MLA is diffracted, deflected and widened, the deflection being location-dependent. Rays that hit the hologram in the middle do not need to be redirected.
  • the illumination of only a portion of the projection lens Pi_ is conceivable and can be realized in a further embodiment of the optical element 100 not shown in FIGS.
  • the holographic optical elements HOE of the expansion optics MLA and / or the projection lens PL are formed such that a diameter DPL of the projection lens PL is minimized, whereby an entire field of view can be scanned by means of the elements mentioned.
  • the projection lens PL is shown simplified in FIG. 6 as a single lens, but it may also be a complex lens with multiple lenses.
  • the holographic optical element HOE can be produced by an analog recording of conventional optics, but can also be written pixel by pixel with a holographic printer. This has the advantage that each pixel of the holographic optical element HOE can be assigned a specific optical function.
  • optical element 100 The advantages for the optical element 100 resulting from the above-mentioned principles are, for example, the following:
  • the last lens of the optical element 100 in the form of the projection lens PL only has to be as large as the beam diameter used
  • the optical function can be stored in a holographic foil, which saves costs and space
  • the holographic element HOE can be printed pixel by pixel
  • Each pixel of the holographic material needs only a single one
  • FIGS. 7 and 8 show an operation of an optical element 100 for a lidar system with a holographic realization of an expansion optic MLA in the form of a microlens array and a holographic
  • the expansion optics MLA expands the scan beam, homogenizes it and performs the homogenizing scan beam of the
  • the holographic element of the expansion optics MLA is printed pixel by pixel, with several optical functions being stored per pixel (multiplexed hologram). For example, an angle selectivity of approximately four degrees can be realized per pixel. This is indicated in Fig. 7, in a plot of a diffraction efficiency over a reconstruction angle is shown.
  • Fig. 8 indicates that the total solid angle ⁇ is divided into several segments, each segment of which is separated by a single hologram
  • each individual hologram having an angle selectivity of four degrees. It can be seen that the solid angle ⁇ can be fanned out (FIG. 8, top), as a result of which the solid angle ⁇ can be realized by means of a plurality of hologram pixels. Furthermore, it can be seen that the solid angle ⁇ can be mirrored, whereby the solid angle ⁇ can be realized with each hologram pixel (FIG. 8 below).
  • both the expansion optics MLA and the projection lens PL are realized holographically.
  • Each pixel of the expansion optics MLA is assigned a defined region of the projection lens PL, with all the pixels together illuminating a laser beam over the desired solid angle ⁇ . Due to the widening of the beam by means of the expansion optics MLA, the beams deflected by the pixels of the widening optics MLA overlap on the projection lens PL.
  • FIG. 8 Only a single parallelized beam is shown in FIG. 8, which is deflected by a single hologram pixel of the holographic microlens array MLA and is forwarded by the projection lens PL as a beam dstrahi, 2.
  • the projection lens PL As a beam dstrahi, 2.
  • all pixels of the holographically realized projection lens PL all pixels of the holographically realized projection lens PL all
  • Beam directions which can be represented by the solid angle ⁇ , divert suitable deflect or forward.
  • Diameter DMLA of the projection lens PL of 200 mm results from equation (3) a distance dMi_A-pi_ between the expansion optics MLA and the projection lens PL of about 29 mm. Due to the angular selectivity of the "thick" holograms, which can be seen in FIG. 7, there is no interaction of the individual, written in one volume. holograms. However, the distance between the expansion optics MLA and the projection lens PL and the pixel pitch in the expansion optics MLA and the spread of the scanning beam must be set such that the illustrated angle ⁇ is greater than four degrees, as defined above in Equation (3).
  • holographic material By multiplexing, several optical functions can be written into a layer of holographic material. How many holograms can be written into a holographic material depends on the material, but the efficiency of the individual holograms decreases with the number of stored optical functions. For this reason, it may also be provided to store the optical functions in a plurality of holographic layers laminated on one another. By implementing this stack, a higher efficiency can be achieved compared to the multiplex hologram in a single layer.
  • another embodiment of the optical element may provide that the two functions (expanding and redirecting) realized by the holographic optical element HOE are not realized by a single holographic optical element HOE but by two holographic optical elements HOE laminated on top of each other. Since the holographic optical element requires a different function depending on location, the recording can be realized particularly well by a holographic printer which writes the holographic optical element pixel by pixel. The minimum pixel size must not exceed the beam diameter of the scanning beam.
  • the holographic optical elements HOE of the expansion optics MLA and / or the projection lens PL are formed such that a distance d MLA-PL between the expansion optics MLA and the projection lens PL is minimized.
  • the holographic optical element of the expansion lens MLA and / or the holographic optical element of the projection lens PL are formed such that a diameter of the projection lens PL is minimized.
  • the MLA and / or the holographic optical element of the projection lens PL formed such that a f-number k2 of the projection lens PL ⁇ 1 or that a focal length of the projection lens PL is smaller than a diameter of the projection lens PL.
  • the holographic optical element of the expansion lens MLA and / or the holographic optical element of the projection lens PL are further formed such that deflection angles of rays after the
  • Microlens array MLA and of rays after the projection lens PL are maximized.
  • Fig. 9 shows such an advantageous embodiment of an optical element 100 for a lidar system.
  • both the expansion optics MLA and the projection lens PL are each holographically realized, with the corresponding holographic optical elements being films laminated on both sides to a support material (e.g., glass).
  • the two films are applied or laminated on in each case one surface of the carrier with a defined thickness. Recognizable is a basic operation of a hologram stack on
  • Example of an approximately 30 mm hologram-glass composite that has stored several optical functions in one pixel. It can be seen that an incident scanning beam with a diameter of approximately 2 mm strikes a holographic material of the expansion optics MLA and of a
  • Projection lens PL is expanded to a beam diameter of about> 7 mm.
  • the entire optical function of the hologram stack is thus combined in a single optical element 100.
  • Projection lens PL is enabled.
  • the distance between the projection lens PL and the expansion optics MLA in millimeters is plotted on the x axis, and the scan angle a ou t of the lidar system in degrees on the y axis. Visible are four characteristics that represent a scan angle course depending on different diameters D of the projection lens PL. For usual scan angles of about fifteen degrees, it can be seen that a small distance between the micromirror SP and the expansion optics MLA of the lidar system can be realized.
  • FIG. 1 1 shows a schematic block diagram of a scanning lidar system 200 with an embodiment of the proposed optical element 100.
  • FIG. 12 shows a basic sequence of an embodiment of the proposed method for producing an optical element 100 for a lidar system.
  • an expansion optics MLA is provided.
  • a projection lens PL is provided, wherein the expansion optics MLA and / or the projection lens PL are formed by a holographic optical element.
  • the order of steps 300 and 310 is arbitrary.
  • an improved transmission optics for a lidar sensor is provided in this way, whereby it goes without saying that a plurality of transmission optics in combination can also be used for the lidar sensor.
  • the proposed optical element can be used for both micro-based and macro-based mirror systems.
  • the present invention provides an improved optical element for a coaxial scanning lidar system.
  • a lidar sensor realized with the proposed optical element can preferably be used in the automotive sector for distance and speed measurement of objects.

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Abstract

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 holographisches optisches Element (HOE) ausgebildet sind.

Description

Beschreibung Titel
Optisches Element für ein Lidar-System
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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer
optischen Linse; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aufnahmekonfiguration eines holographischen Hohlspiegels mit einer ebenen
Referenzwelle und einer divergenten Objektwelle aus einem Punkt;
Fig. 3 einen schematische Darstellung eines Teils eines Strahlengangs eines optischen Systems;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teils eines Strahlengangs eines weiteren optischen Systems;
Fig. 5 einen beispielhaften Verlauf eines maximal erreichbaren
optischen Auslenkwinkels eines Strahls in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern eines optischen Elements;
Fig. 6 eine schematische Darstellung des optischen Systems von Fig. 4 mit einem holographischen Element;
Fig. 7 und 8 eine Funktionsweise eines mittels zweier Hologramme
realisierten optischen Elements für ein Lidar-System;
Fig. 9 eine prinzipielle Darstellung einer Funktionsweise eines
Hologrammstapels für ein Lidar-System; Fig. 10 Beispiele für realisierbare Auslenkwinkel eines holographisch realisierten optischen Elements;
Fig. 1 1 eine schematische Darstellung eines Lidar-Systems mit
optischen Element; und
Fig. 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.
Fig. 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: f/D > 1 (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.
Fig. 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 Qobj 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.
Fig. 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 aout folgendem mathematischem Zusammenhang unterliegt:
Figure imgf000008_0001
mit:
DPL ... Durchmesser der Projektionslinse
DMLA ... Durchmesser Mikrolinsenarray
fpL ... Brennweite Projektionslinse
Geht man weiterhin davon aus, dass die Blendenzahl k2 der Projektionslinse PL minimal eins sein kann, folgt daraus, dass der Durchmesser DMLA des Mikro- linsenarrays gleich der Brennweite fpi_ 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 Fig. 4 schematisch angedeutet, einen größeren Auslenkwinkel zu erzielen, müsste gelten: Dazu müsste, wie in Fig. 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 Fig. 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:
f2 = k2 - D
d Sp-PL-Näkerung fi + dSSpp--MLÄ
Figure imgf000010_0001
D
D MLA
MLA-Linse
anz _ px
d Strahll -^MLA- -LLi,nse
Figure imgf000010_0002
- d Setrahll
Figure imgf000010_0003
MLA-unten - arctan
Figure imgf000010_0004
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
dsp-MLA .... Abstand zwischen Mikrospiegel SP und Mikrolinsenarray MLA dstrahi,2 Durchmesser des Strahls auf der Projektionslinse PL
dsp-PL Abstand zwischen Mikrospiegel SP und Mikrolinsenarray MLA
DMLA Größe des Mikrolinsenarrays MLA
anz_px .. Anzahl der Pixel des Mikrolinsenarrays MLA
DMLA-Linse .. Durchmesser einer Linse des Mikrolinsenarrays MLA
dstrahi.1 Durchmesser des Strahls auf dem Mikrolinsenarray MLA
OMLA Halber Winkel hinter dem Mikrolinsenarray MLA
fi Brennweite der Linsen des Mikrolinsenarrays MLA
dMi_A-PL . . .. Abstand zwischen Mikrolinsenarray MLA und Projektionslinse PL as max. halber optischer Winkel nach dem Mikrospiegel SP ciMLA-oben . . . Winkel nach dem Mikrolinsenarray MLA oben für oberen Strahl ciMLA-unten . . . Winkel nach dem Mikrolinsenarray MLA unten für oberen Strahl
Qout halber optischer Winkel hinter der Projektionslinse PL Fig. 5 zeigt beispielhafte Verläufe von erreichbaren Auslenkwinkeln aout bei konventionellen Optiken in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern bei Verwendung der obengenannten mathematischen Formeln. Auf der y-Achse ist der maximal erreichbare Auslenkwinkel aout, auf der x-Achse ist der Abstand dsp- 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 aout 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 scan- nendes 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.
Fig. 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 Pi_ ausleuchten. Auch die Ausleuchtung lediglich eines Teilbereichs der Projektionslinse Pi_ 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 DPL der Projektionslinse PL minimiert ist, wobei mittels der genannten Elemente ein gesamtes Sichtfeld (engl, field of view) abgescannt werden kann.
Die Projektionslinse PL ist in Fig. 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 dMi_A-pi_ zwischen der Aufweitungsoptik MLA und dem
Hologramm der Projektionslinse PL gelten folgende Bedingungen:
Ω = 2 *
Figure imgf000014_0001
Ω
> 4C (3)
dStrahL2 * DMLA l anZ- PX
mit:
Ω Raumwinkel
anz_px ... Pixelanzahl des Mikrolinsenarrays
Die Figuren 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 Fig. 7 angedeutet, in der ein Verlauf einer Beugungseffizienz über einem Rekonstruktionswinkel dargestellt ist.
Fig. 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 (Fig. 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 (Fig. 8 unten).
Im Beispiel von Fig. 7 und Fig. 8 sind sowohl die Aufweitungsoptik MLA als auch die Projektionslinse PL holographisch realisiert. Jedem Pixel der Aufweitungs- optik 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 Fig. 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 dstrahi, 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 dstrahi,2 nach der Projektionslinse PL von sieben mm, einer Pixelanzahl anz_px der Aufweitungsoptik MLA von 400 und einem
Durchmesser DMLA der Projektionslinse PL von 200 mm ergibt sich aus der Gleichung (3) ein Abstand dMi_A-pi_ zwischen der Aufweitungsoptik MLA und der Projektionslinse PL von ca. 29 mm. Aufgrund der in Fig. 7 erkennbaren Winkelselektivität der„dicken" Hologramme gibt es keine Wechselwirkung der einzelnen, in einem Volumen eingeschrieben- en 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 über- schreiten.
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. lm 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.
Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm mit realisierbaren Auslenkwinkeln aout 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 Fig. 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 aout 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.
Fig. 1 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines scannenden Lidar-Systems 200 mit einer Ausführungsform des vorgeschlagenen optischen Elements 100.
Fig. 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. lm 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

Ansprüche
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.
1 1 . 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 1 1 , wobei das holographische optische Element (HOE) mit einer optischen Funktion pro Schicht ausgebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 , 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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