DE102018216201A1

DE102018216201A1 - Optische Anordnung und LIDAR-Vorrichtung mit einer derartigen Anordnung

Info

Publication number: DE102018216201A1
Application number: DE102018216201.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Rembe; Juergen Hasselbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2020-03-26
Also published as: CN110940962B; CN110940962A; US20200096609A1; US11333741B2

Abstract

Offenbart ist eine optische Anordnung, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, aufweisend eine Linse und ein Objektiv zum Ablenken von Strahlen aus einem Abtastbereich oder in den Abtastbereich, wobei die Linse als ein Linsen-Array ausgestaltet ist und das Objektiv im Strahlengang zwischen dem Abtastbereich und der Linse angeordnet ist, wobei die optische Anordnung mindestens ein in Strahlungsrichtung vor der Linse angeordnetes oder mit der Linse verbundenes optisches Element zum Einstellen einer Einfallsrichtung der Strahlung auf das Linsen-Array aufweist. Des Weiteren ist eine LIDAR-Vorrichtung offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, aufweisend eine Linse und ein Objektiv zum Ablenken von Strahlen aus einem Abtastbereich oder in den Abtastbereich, wobei die Linse als ein Linsen-Array ausgestaltet ist und das Objektiv im Strahlengang zwischen dem Abtastbereich und der Linse angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine LIDAR-Vorrichtung.
Stand der Technik
Es sind bereits LIDAR-Vorrichtungen bekannt, welche als Laser-Scanner-Systeme ausgeführt sind. Derartige Systeme erzeugen sendeseitig unter Verwendung mikrooptischer Elemente oftmals eine Strahlaufweitung. Dies geschieht ohne einen Winkelverlust des Sichtfeldes bzw. Abtastbereichs. Diese Strahlaufweitung dient einerseits der Erhöhung der System-Robustheit gegenüber lokaler Verschmutzungen von Sende- und oder Empfangsobjektiv, andererseits dient die Strahlaufweitung der Erhöhung der Augensicherheit und der Möglichkeit mehr Lichtleistung auszusenden. Hierdurch können das Signal-Rausch-Verhältnis und damit auch die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung erhöht werden. Eine derartige LIDAR-Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2015 217 908 A1 bekannt.
Problematisch an derartigen LIDAR-Vorrichtung ist jedoch die Tatsache, dass beim sendeseitigen Scannen auf µLinsen-Elemente abseits der optischen Achse, abhängig der Auslegung des aufgeweiteten Sendestrahldurchmessers und des Abstandes eines getroffenen µLinsen-Elements von der optischen Achse, unterschiedlich große Bereiche des Sendesignals direkt in die Apertur der Sende-Empfangslinse abgelenkt werden. Somit gelangen diese „abgeschnittenen“ Teile nicht mehr in den Abtastbereich, wodurch je nach Scanwinkel unterschiedlich große Lücken bzw. Abschattungen in der Zieldistanz des Messbereichs zwischen benachbarten Spots entstehen können.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung und eine optische Anordnung vorzuschlagen, welche einen vollständigen Feldwinkel eines Objektivs ohne einen Spot-Abschnitt zum Abtasten des Abtastbereichs nutzen kann.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine optische Anordnung, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt. Die Anordnung weist eine Linse und ein Objektiv zum Ablenken von Strahlen aus einem Abtastbereich oder in den Abtastbereich auf. Die Linse ist vorzugsweise als ein Linsen-Array ausgestaltet. Das Objektiv ist im Strahlengang zwischen dem Abtastbereich und der Linse angeordnet, wobei die optische Anordnung mindestens ein in Strahlungsrichtung vor der Linse angeordnetes oder mit der Linse verbundenes optisches Element zum Einstellen einer Einfallsrichtung der Strahlung auf das Linsen-Array aufweist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Erzeugen von Strahlen und zum Abtasten eines Abtastbereichs mit den Strahlen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen und zum Ablenken der Strahlen entlang des Abtastbereichs und eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von reflektierten Strahlen auf. Die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit weisen eine erfindungsgemäße optische Anordnung auf.
Das Objektiv kann aus einer oder aus mehreren Linsen bestehen. Darüber hinaus kann das Objektiv eine integrierte oder am Objektiv angeordnete Apertur zum Begrenzen einer maximalen Austrittsfläche aufweisen. Das Linsen-Array kann insbesondere ein µLinsen-Array sein.
Durch den Einsatz des optischen Elements können die Strahlen derart beeinflusst werden, dass ein sogenannter Spot-Abschnitt der Strahlen im Randbereich des Objektivs nicht mehr auftritt.
Diese optische Funktion kann beispielsweise durch eine Keilstruktur auf einer Rückseite oder vor der Rückseite des verwendeten Linsen-Arrays umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Funktion durch ein optisches Gitter bzw. ein diffraktives oder auch ein holographisches optisches Element realisiert werden.
Unter Verwendung eines Linsen-Arrays mit zusätzlich nachgelagertem oder integriertem Keil-Array kann ein Randbereich des Sende-Spots durch einen passenden Keilwinkel oder ein optisches Gitter umgelenkt werden, wodurch die Apertur des Objektivs durch den Spot nicht mehr angestrahlt wird. Der Spot wird so umgelenkt, dass er noch durch den lichtdurchlässigen Bereich des Objektivs gelangen kann. Direkt nach dem Passieren des Objektivs können sich die durch das optische Element beeinflussten und unbeeinflussten Spotbereiche überlagern. Diese Spotbereiche bilden aber in der Zielentfernung des zu detektierenden Bereiches bzw. des Abtastbereichs genau wieder den gewünschten Strahldurchmesser. Dadurch kann der volle Feldwinkel des Objektivs ohne einen sendeseitigen Spot-Abschnitt zum Scannen des Abtastbereichs genutzt werden. Insbesondere kann hierdurch eine effizientere Ausnutzung der Sendeleistung umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Sendespots auch versetzt zu einer optischen Achse unter einem Winkel aus dem Objektiv hinausgelenkt werden. Hierdurch kann in einer vorgesehenen Zieldistanz die gewünschte Spotposition wieder erreicht werden, wobei gleichzeitig eine Überlagerung der Strahlen vermieden wird.
Die optische Anordnung kann vorzugsweise sendeseitig und/oder empfangsseitig in einer LIDAR-Vorrichtung eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element als ein diffraktives oder holographisches optisches Element ausgestaltet, welches zumindest einseitig auf die Linse aufgebracht oder von der Linse beabstandet im Strahlengang der Strahlen angeordnet ist. Zu dem in folgendem Punkt beschriebenen Ansatz einen Spot-Abschnitt sowohl sende- wie auch empfangsseitig zu verhindern, ist es ebenfalls möglich diese optische Funktion mittels diffraktiver Optik zu realisieren. Anstelle eines Keil-Array ist ein optisches Gitter-Array denkbar, welches den Sende- bzw. Empfangsstrahl auf den gewünschten Winkel ablenkt.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das optische Element als ein Keil-Array mit mindestens einer relativ zur Strahlungsrichtung schräg angestellten Fläche ausgestaltet. Das Linsen-Array mit dem Keil-Array kann den von den zuvor durch die Apertur abgeschnittenen Bereichen unter einem anderen Winkel auf das Objektiv einfallenden Lichtanteil achsparallel in Richtung des Detektors der LIDAR-Vorrichtung ablenken. Hierbei kann nur ein Teil des durch ein Linsen-Element des Linsen-Arrays strahlende Signal oder der gesamte Spot bzw. Strahlen im Winkel derart abgelenkt werden, dass es nicht in die Objektiv-Apertur trifft. Hierdurch können übliche µLinsen eingesetzt werden, sodass Spezialanfertigungen entbehrlich sein können.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels ist das optische Element von der Linse beabstandet. Hierdurch kann der Einfluss des optischen Elements auf die Strahlung neben der Ausgestaltung der keilförmigen Abschnitte bzw. Flächen zusätzlich durch den Abstand zur Linse angepasst werden. Insbesondere kann ein separates optisches Element als eine Nachrüstlösung ausgestaltet sein und in bereits betriebene LIDAR-Vorrichtungen nachträglich einbaubar sein.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das optische Element integral oder stoffschlüssig mit der Linse verbunden. Insbesondere kann das Keil-Array auf eine Rückseite des Linsen-Arrays aufgebracht sein, sodass die üblicherweise plane Fläche des Linsen-Arrays als Keil-Array ausgestaltet ist. Es kann somit ein kompaktes beidseitig mit optischen Funktionen ausgestattetes Array bereitgestellt werden, welches optimal an einen Feldwinkel des Objektivs anpassbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Fläche des Keil-Arrays rotationssymmetrisch entlang einer Symmetrieachse geformt. Bevorzugterweise kann das Keil-Array eine Form aufweisen, welche an eine Form des Objektivs bzw. an eine Öffnungsform der Apertur angepasst ist. Eine rotationssymmetrische Form des Keil-Arrays kann beispielsweise technisch besonders einfach hergestellt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist das als ein Keil-Array ausgestaltete optische Element mindestens zwei unter einem Winkel relativ zur Symmetrieachse angestellte Flächen auf. Ein Anstellwinkel der Flächen nimmt mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse ab. Die schräg angestellten Flächen des Keil-Arrays können somit eine Einstellung aufweisen, welche vom radialen Abstand und von der Anordnung des Objektivs abhängen kann. Das Signal bzw. die Strahlen werden sendeseitig mittels eines Winkelunterschieds auf das Objektiv gelenkt, wodurch diese auf einer anderen Position auf dem Objektiv und somit nicht in die Apertur treffen. Der Winkelunterschied ist so gewählt, dass die Strahlen bzw. das Sendesignal in der Zieldistanz des Detektionsraums denselben Objektpunkt ausleuchten.
Somit ist es dem optischen System auch möglich, das von dem ausgeleuchteten Objektpunkt rückgestreute Licht unter demselben Winkel gänzlich ohne Spot-Abschnitt wieder einzufangen und achsparallel nach dem Keil-Array in Richtung Detektor abzulenken. Das Keil-Array kann als ein µKeil-Array ausgeprägt sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform nimmt ein radialer Abstand zwischen den mindestens zwei Flächen mit zunehmendem Abstand der Flächen von der Symmetrieachse zu. Die Höhe der jeweiligen Keilstrukturen oder Keilflächen kann dem verwendeten Pitch der µLinsen entsprechen. Insbesondere kann die Höhe abhängig von der Ausführung der optischen Anordnung konstant oder veränderlich ausgestaltet sein. Aufgrund der je nach Abstand von der optischen Achse steiler werdenden Einfallswinkel des Signals, müssen die Keilwinkel dementsprechend angepasst werden. Mit größer werdendem Abstand von der optischen Achse vergrößert sich auch der Abstand zwischen den Keilen bzw. den Flächen selbst. Vorteilhafterweise kann die gesamte Struktur radialsymmetrisch zur optischen Achse bzw. zur Symmetrieachse aufgebaut sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Fläche des Keil-Arrays radial von der Symmetrieachse und von der Linse weg ausgerichtet.
Hierdurch kann das Keil-Array direkt auf die ankommenden Strahlen ausgerichtet sein. Die ankommenden Strahlen können die von der Sendeeinheit erzeugten Strahlen oder die im Abtastbereich reflektierten oder rückgestreuten Strahlen sein.
Eine derartige optische Anordnung kann beispielsweise in automotiven LIDAR-Vorrichtungen, im Consumer-Bereich, im Bauwesen, im Handwerkerbereich, bei Zügen, in Drohnen oder Fluggeräten, in der Industrie, wie beispielsweise Automatisierungstechnik, in einer Fertigungsumgebung und dergleichen eingesetzt werden.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
2 schematische Darstellungen von Soll- und Ist-Sende-Spot-Anordnungen in einer Zieldistanz im Abtastbereich,
3 eine schematische Teildarstellung einer Sendeeinheit mit einer entsprechenden Spot,
4-7 exemplarische Gegenüberstellungen von optischen Anordnungen mit und ohne ein optisches Element,
8 einen Ausschnitt B aus 7 zum Verdeutlichen einer optischen Funktion der optischen Anordnung,
9 eine schematische Darstellung eines in eine Linse integrierten optischen Elements,
10 eine Detailansicht auf eine optische Anordnung und
11 ein schematisches Darstellung eines von einer Linse beabstandeten Keil-Arrays.

In der 1 ist eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels gezeigt. Die LIDAR-Vorrichtung 1 dient zum Erzeugen von Strahlen 2 und zum Abtasten eines Abtastbereichs A mit den Strahlen 2. Die Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 4 mit einem Laser 6 als Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlen 2.
Die erzeugten Strahlen 2 werden über einen beweglichen Spiegel 8 der Sendeeinheit 4 sukzessive abgelenkt. Der bewegliche Spiegel 8 kann als ein schwenkbarer µSpiegel ausgestaltet sein und schwingt periodisch, wodurch der Abtastbereich A gescannt wird. Der Spiegel 8 wird von der Sendeeinheit 4 gemeinsam mit der Empfangseinheit 10 verwendet.
Die vom Spiegel 8 abgelenkten Strahlen 2 werden durch eine Kollimator-Linse 12 gebündelt bzw. möglichst parallel geformt und von einem Umlenkspiegel 14 quer zur Abstrahlrichtung des Lasers 6 umgelenkt. Die umgelenkten Strahlen 3 werden entlang einer ersten optischen Achse OA1 auf eine Linse 16 emittiert.
Die Linse 16 ist als ein µLinsen-Array 16 ausgestaltet und wird im weiteren Verlauf näher beschrieben. Die Linse 16 wirkt auf die Strahlen 3 ein bevor diese auf einen Strahlenteiler 18 und auf eine Sendeoptik 20 gelenkt werden. Die Sendeoptik 20 dient zum Emittieren der Strahl 3 in den Abtastbereich A.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Sendeoptik 20 als eine kombinierte Sende-Empfangsoptik 20 ausgeführt und wird auch von der Empfangseinheit 10 genutzt. Die Sende-Empfangsoptik 20 weist ein Objektiv 22 und eine Apertur 24 auf.
Im Abtastbereich A, beispielsweise an einem Objekt 26, rückgestreuten oder reflektierten Strahlen 28 werden von der Sende-Empfangsoptik 20 empfangen und über den Strahlenteiler 18 auf eine Linse 16 der Empfangseinheit 10 gelenkt. Die Linse16 der Empfangseinheit 10 und der Sendeeinheit 4 können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein.
Nach dem Passieren der Linse 16 werden die Strahlen 28 auf einen Umlenkspiegel 30 gelenkt. Die umgelenkten Strahlen werden durch den Umlenkspiegel 30 auf eine zweite optische Achse OA2 umgelenkt, wobei die zweite optische Achse OA2 parallel zu der ersten optischen Achse OA1 verlaufen kann. Über eine Fokussier-Linse 32 und über den schwenkbaren Spiegel 8 werden die umgelenkten Strahlen 29 erneut auf einen Detektor 34 gelenkt.
Über die Bewegung des Spiegels 8 und seine alternierende Bewegung werden die Sendestrahlen 2, 3 über das sendeseitige µLinsen-Array 16 gescannt. Durch jedes µLinsen-Element 17 wird dann ein divergenter Sendestrahl auf die Sende-Empfangsoptik 20 projiziert, bevor dieser aufgeweitet die LIDAR-Vorrichtung 1 in den Abtastbereich A verlassen kann. Nach Reflexion/Streuung an einem im Feld A sich befindenden Objekt 26, gelangt das Signal 28 wieder durch die Sende-Empfangsoptik 20 und wird über die oben beschriebenen optischen Elemente auf den Detektor 34 abgelenkt.
Die 2 veranschaulicht in schematischen Darstellungen eine Soll- und Ist-Sende-Spot-Anordnungen in einer Zieldistanz im Abtastbereich A zum Verdeutlichen der Problematik am Stand der Technik. Die 2A zeigt drei unterschiedliche Soll-Spot-Anordnungen. In der 2B sind die in 2A dargestellten tatsächlichen Ist-Spot-Anordnungen dargestellt. Ein inhärentes Problem von üblichen Scanner-Systemen ist die Tatsache, dass beim sendeseitigen Scannen auf µLinsen-Elemente abseits der optischen Achse, abhängig der Auslegung des aufgeweiteten Sendestrahldurchmessers und des Abstandes eines getroffenen µLinsen-Elements von der optischen Achse, unterschiedlich große Bereiche des Sendesignals direkt in die Apertur 24 der Sende-Empfangslinse abgelenkt werden. Dies ist in der 3 im Detail verdeutlicht. Somit gelangen diese „abgeschnittenen“ Teile 36 nicht mehr ins Feld bzw. auf das Objektiv 22 der Sende-Empfangsoptik 20, wodurch je nach Scanwinkel des Spiegels 8 unterschiedlich große Lücken in der Zieldistanz des Messbereichs zwischen benachbarten Spots entstehen. In der 2B sind die an einer linken Seite „abgeschnittenen“ Spots dargestellt.
Das bedeutet, dass niemals der volle Feldwinkel des verwendeten Objektivs 22 genutzt werden kann, ohne dabei einen Spotabschnitt 36 um bis maximal zur Hälfte des ursprünglichen Durchmessers zu generieren.
Je nach Durchmesser des aufgeweiteten Sendestrahls 3 wird der Sendestrahl 3 ab einer bestimmten µLinsen-Höhe hinsichtlich der optischen Achse OA1 durch die Apertur 24 der Sende-Empfangsoptik 20 abgeschnitten. Der Abstand des µLinsen-Elements 17 zur optischen Achse OA1 wird in einen Ablenkwinkel im Feld übersetzt (Feldwinkel, FoV). Je größer der Sendestrahldurchmesser, desto kleiner der Feldwinkel bei dem der volle Durchmesser des Sendespots 3 bereits beschnitten wird.
In der 3 sind beispielhaft zwei Strahlen 3.1, 3.2 und die entsprechenden Strahlengänge dargestellt, welche jeweils bei unterschiedlichen Winkeln des Spiegels 8 entstehen können.
Sendeseitig werden die auf die Apertur 24 treffenden Anteile 36 der Strahlen 3 nicht in den Abtastbereich A emittiert. Empfangsseitig können diese Bereiche selbst bei eventuell vorheriger Ausleuchtung auch nicht empfangen bzw. achsparallel zum Detektor 34 abgelenkt werden. Das System ist somit in diesen Bereich nicht sensitiv.
In den 4-7 sind exemplarische Gegenüberstellungen von optischen Anordnungen 38 mit und ohne optische Elemente 40 dargestellt. Die 4 und 5 zeigen zwei Scan-Stellungen eines Spiegels 8 unter Verwendung eines µLinsen-Arrays 16 ohne ein zusätzliches optisches Element 40. Je größer der Abstand der beleuchteten µLinse 16 zur optischen Achse OA1, desto größer werden die durch die Apertur 24 abgeschnittenen Bereiche 36 des Spots 3, welche den Spot-Abschnitt repräsentieren sollen. Dies hat zur Folge, dass je größer der Spot-Abschnitt 36 desto kleiner auch der verbleibende ausgeleuchtete Bereich im Abtastbereich A bzw. desto größer die Lücken zwischen den benachbarten Spots bei unterschiedlichen Stellungen des Spiegels 8. Die Höhe des Spots in Radialrichtung h_S,Tr kann somit einseitig durch den Spot-Abschnitt 36 verringert werden.
In den 6 und 7 sind die identischen Scan-Stellungen wie zuvor in den 4 und 5 illustriert, jedoch unter Verwendung eines µLinsen-Arrays 16, welches mit zusätzlichen optischen Element 40 ausgestattet ist. Gemäß des Ausführungsbeispiels ist das optische Element 40 als ein Keil-Array ausgestaltet und auf einer Rückseite des µLinsen-Arrays 16 integriert.
Es wird hier verdeutlicht, wie der Spot-Abschnitt 36 durch einen passenden Keilwinkel umgelenkt und nicht mehr direkt in die Apertur 24 des Objektivs 22 strahlt. Der Spot 3 wird so umgelenkt, dass er noch durch den lichtdurchlässigen Bereich des Objektivs 22 gelangt. Direkt nach dem Objektiv 22 überlagern sich die beiden Spotbereiche 37, bilden aber in der Zielentfernung des zu detektierenden Bereiches genau wieder den gewünschten Strahldurchmesser. Dadurch kann der volle Feldwinkel des Objektivs 22 ohne des sendeseitigen Spot-Abschnitts 36 zum Scannen des Detektionsbereichs A genutzt werden.
Empfangsseitig sind die durch die Apertur 24 blockierten Bereiche 36 ebenfalls für das exemplarisch gezeigte System nicht lichtsensitiv. Das heißt, wenn Signal aus diesen Bereichen auf das Objektiv 22 zurückfallen würde, könnte dies nicht achsparallel in Richtung Detektor 34 abgelenkt werden. Dieser Signalteil würde also im System verloren gehen, was dazu führt, dass in diesen Bereichen kein Objekt 26 wahrgenommen werden kann. Durch das in den 6 und 8 gezeigte µLinsen-Array 16 mit Keil-Array 40 kann das von den zuvor durch die Apertur 24 abgeschnittenen Bereiche 36 unter einem anderen Winkel auf das Objektiv 22 einfallen und achsparallel in Richtung Detektor 34 abgelenkt werden.
8 zeigt einen Ausschnitt B aus 7 zum Verdeutlichen einer optischen Funktion der optischen Anordnung 38 mit und ohne Keil-Array 40. Es wird der Strahlengang sende- bzw. empfangsseitig durch ein µLinsen-Element 17 und dem nachgelagerten Objektiv 22 dargestellt. Insbesondere sind Strahlengänge im Vergleich zwischen Strahlen 3' ohne ein optisches Element 40 und von Strahlen 3 mit einem optischen Element 40 dargestellt.
Das Strahlenbündel 3 durch die obere Hälfte des µLinsen-Elements 17 ist sendewie empfangsseitig identisch, da er nicht durch die Objektiv-Apertur 24 begrenzt werden kann.
Der durch die untere Hälfte des µLinsen-Elements 17 geleitete Sendestrahl 3' hingegen würde sendeseitig ohne passendes Keil-Element bzw. die Fläche 42 des optischen Elements 40 direkt in die Apertur 24 abgelenkt werden.
Ist in dem µLinsen-Element 17 nun ein passendes Keil-Element 42 enthalten bzw. vorgeschaltet, kann das Strahlenbündel 3' sendeseitig stärker abgelenkt werden. Hierdurch gelangt dieser Teil noch durch den optisch durchgängigen Teil der Objektiv-Linse 22. Kurz nach dem Objektiv 22 überlagern sich diese beiden Teile noch, bilden jedoch in der Zieldistanz des Messbereichs einen kreisrunden Spot mit dem zuvor spezifizierten Durchmesser.
Die 9 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung 38 mit einem in eine Linse 16 integrierten optischen Element 40. Insbesondere wird die Geometrie der notwendigen Keil-Elemente bzw. der Flächen 42, 44 des Keil-Arrays 40 gezeigt.
Das als Keil-Array 40 ausgestaltete optische Element 40 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel zwei schräg angestellte Flächen 42, 44 auf, welche entlang einer Symmetrieachse S rotationssymmetrisch geformt sind. Die Flächen 42, 44 sind auf einer den µLinsen-Elementen 17 entgegengesetzten Fläche der Linse 16 eingebracht, wodurch eine integrale Einheit aus einem µLinsen-Array und einem Keil-Array 40 entsteht. Die Symmetrieachse S ist gemäß des Ausführungsbeispiels auch eine Symmetrieachse des Objektivs 22 und ist deckungsgleich mit der ersten optischen Achse OA1.
Hierbei entstehen insbesondere die folgenden Zusammenhänge:

- Je größer der Abstand des µLinsen-Elements 17 zur optischen Achse OA1, S, desto größer muss die Kantenlänge bzw. Höhe h_K des Keilelements 42, 44 sein, da der Strahl-Abschnitt 36 ebenfalls mit steigendem Abstand zur optischen Achse zunimmt.
- Je größer der Abstand des µLinsen-Elements 17 zur optischen Achse OA1, S, desto kleiner muss der Winkel β_K des jeweiligen Keil-Elements 42, 44 sein, da der Winkel des empfangsseitig einfallenden Strahlenbündels 3 zur Eintrittsfläche des Objektivs ebenfalls mit steigendem Abstand zur optischen Achse OA1, S abnimmt.

Somit kann für jede Abstandshöhe eines µLinsen-Elements zur optischen Achse ein jeweils individuelles Keil-Element 42, 44 angeordnet werden bezüglich der Keil-Elementhöhe h_K und dem Keilwinkel β_K .
In der 10 ist eine Detailansicht auf eine optische Anordnung 38 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Hierbei ist das als ein Keil-Array ausgestaltete optische Element 40 nicht in die Linse 16 integriert, sondern von der Linse 16 beabstandet.
Es wird nicht nur ein Teil des durch ein µLinsen-Element 17 fallenden Signals 3 im Winkel so abgelenkt, dass es nicht in die Objektiv-Apertur 24 trifft, sondern das gesamte Signal 3.
Das Signal 3' wird sendeseitig mittels eines Winkelunterschieds durch das Keil-Element 42 auf das Objektiv 22 gelenkt, wodurch es auf einer anderen Position auf dem Objektiv 22 und nicht in die Objektiv-Apertur 24 trifft. Der Winkelunterschied ist so gewählt, dass die Strahlen bzw. das Sendesignal in der Zieldistanz des Detektionsraums A denselben Objektpunkt ausleuchten.
Somit ist es der LIDAR-Vorrichtung 1 auch möglich, das von dem ausgeleuchteten Objektpunkt 26 rückgestreute Licht 28 unter demselben Winkel gänzlich ohne Spot-Abschnitt 36 wieder einzufangen und achsparallel nach dem µKeil-Array 40 in Richtung Detektor 34 abzulenken.
Die 11 zeigt eine schematische Darstellung eines von einer Linse beanstandeten Keil-Arrays 40 analog zu 9. Die Höhe h_K der Keilstrukturen 42, 44 können dem verwendeten Pitch der µLinsen 17 entsprechen und kann im Vergleich zu 9 konstant sein. Aufgrund der je nach Abstand von der optischen Achse steiler werdenden Einfallswinkel des Signals 3, müssen die Keilwinkel angepasst werden. Mit größer werdendem Abstand von der optischen Achse S kann sich auch ein radialer Abstand d_K zwischen den Keilen 42, 44 selbst vergrößern. Die gesamte Struktur ist radialsymmetrisch zur optischen Achse S aufgebaut.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015217908 A1 [0002]

Claims

Optische Anordnung (38), insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung (1), aufweisend eine Linse (16) und ein Objektiv (22) zum Ablenken von Strahlen (3) aus einem Abtastbereich (A) oder in den Abtastbereich (A), wobei die Linse (16) als ein Linsen-Array ausgestaltet ist und das Objektiv (22) im Strahlengang zwischen dem Abtastbereich (A) und der Linse (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (38) mindestens ein in Strahlungsrichtung vor der Linse (16) angeordnetes oder mit der Linse (16) verbundenes optisches Element (40) zum Einstellen einer Einfallsrichtung der Strahlung (3) auf das Linsen-Array (16) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das optische Element (40) als ein diffraktives oder holographisches optisches Element ausgestaltet ist, welches zumindest einseitig auf die Linse (16) aufgebracht oder von der Linse (16) beabstandet im Strahlengang der Strahlen (3) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element (40) als ein Keil-Array mit mindestens einer relativ zur Strahlungsrichtung schräg angestellten Fläche (42, 44) ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das optische Element (40) von der Linse (16) beabstandet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das optische Element (40) integral oder stoffschlüssig mit der Linse (16) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die mindestens eine Fläche (42, 44) des Keil-Arrays (40) rotationssymmetrisch entlang einer Symmetrieachse (S) geformt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das als Keil-Array ausgestaltete optische Element (40) mindestens zwei unter einem Winkel (β_K) relativ zur Symmetrieachse (S) angestellte Flächen (42, 44) aufweist, wobei ein Anstellwinkel (β_K) der Flächen (42, 44) mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse (S) abnimmt.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei ein radialer Abstand (d_K) zwischen den mindestens zwei Flächen (42, 44) mit zunehmendem Abstand der Flächen von der Symmetrieachse (S) zunimmt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die mindestens eine Fläche (42, 44) des Keil-Arrays (40) radial von der Symmetrieachse (S) und von der Linse (16) weg ausgerichtet ist.
LIDAR-Vorrichtung (1), zum Erzeugen von Strahlen (2) und zum Abtasten eines Abtastbereichs (A) mit den Strahlen (3), aufweisend eine Sendeeinheit (4) zum Erzeugen von Strahlen (2) und zum Ablenken der Strahlen (2) entlang des Abtastbereichs (A) und aufweisend eine Empfangseinheit (10) mit mindestens einem Detektor (34) zum Empfangen von reflektierten Strahlen (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (4) und/oder die Empfangseinheit (10) eine optische Anordnung (38) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.