用于激光雷达系统的光学元件的制作方法

本发明涉及一种用于激光雷达系统的光学元件。此外，本发明涉及一种用于制造用于激光雷达系统的光学元件的方法。

背景技术：

在现有技术中，在机动车领域中例如已知以所谓的tof(英语timeofflight，飞行时间)传感器的形式的激光雷达传感器，所述激光雷达传感器通过转向镜或透射光学器件将发送光引导到周围环境中并且在此检测经反射的辐射。对于这种激光雷达传感器存在不同的技术方案。一方面，使用所谓的“宏观扫描仪”，其中，例如旋转的宏观镜具有厘米范围内的直径。由此，在发送路径中可以通过旋转的宏镜引导具有厘米范围内的直径的射束。大的射束直径具有在保持眼睛安全的方面的优点，因为在相关的标准(iec60825-1)中假设的7mm的人瞳孔直径仅仅能够捕获射束的一小部分。此外，较大的射束直径可以更稳健地抵抗干扰，例如雨或灰尘。

一种替代的系统方案在于使用所谓的“微扫描仪”。该微扫描仪涉及具有毫米范围内——通常为约1mm至约3mm——的直径的小的镜，该镜以mems技术制成并且可以以一个或两个几何轴线振荡，以便以这种方式实现射束偏转。在微扫描仪的情况下，微扫描仪的小的结构尺寸和宏观上运动的元件的缺少是有利的。然而不利地，小的镜直径可能对眼睛安全性和稳健性产生影响。

此外，仅仅非常难地能够实现：使这些基于微镜的系统同轴地、即具有用于发送和接收路线的相同的光学路径构造，因为微镜过强地限制接收光圈并且因此不能够收集足够的光子。

技术实现要素：

本发明的任务是，提供一种用于激光雷达系统的改善的光学元件。

根据第一方面，本发明提供一种用于激光雷达系统的光学元件，所述光学元件具有：

扩展光学器件；和

投影透镜，其中，

所述扩展光学器件和/或所述投影透镜通过全息光学元件构造。

根据第二方面，该任务借助一种用于制造用于激光雷达系统的光学元件的方法来解决，所述方法具有以下步骤：

提供扩展光学器件；以及

提供投影透镜；

其中，通过全息光学元件构造扩展光学器件和/或投影透镜。

有利地，以这种方式提供一种用于激光雷达系统的紧凑的光学元件，该激光雷达系统例如可以用于汽车领域内的紧凑的激光雷达传感器。有利地，由此可以以其他方式使用机动车中的结构空间。此外，借助所提出的用于进行扫描的激光雷达系统的光学元件可以实现更大的偏转角。

用于激光雷达系统的光学元件的优选的实施方式是从属权利要求的主题。

光学元件的一个有利的扩展方案的特征在于，所述扩展光学器件的全息光学元件和/或所述投影透镜的全息光学元件如此构造，使得所述投影透镜的光圈数小于1。由此，结果，可以有利地实现用于激光雷达系统的紧凑地构造的光学器件。

光学元件的另一有利的扩展方案设置，全息光学元件每层构造有一个光学功能。通过这种所谓的非多路复用的全息图可以实现：从扫描激光定向的射束以不同的入射角入射到全息图上，其中，全息图的每个像素仅仅必须实现一个所定义的方向。结果，由此借助全息图提供简化的光学功能，借助该光学功能，全息图聚束入射的激光。

光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，扩展光学器件的和投影透镜的全息光学元件如此构造，使得扩展光学器件与投影透镜之间的间距最小。以这种方式，可以实现紧凑地构造的激光雷达系统。

光学元件的另一有利的扩展方案设置，全息光学元件每层构造有所定义的数目的多个光学功能。结果，借助这种所谓的多路复用全息图——其中多个光学功能写入体积中——可以实现扩展光学器件与投影透镜之间的缩短的间距。在扩展光学器件的像素的这种情况下，光可以在多个方向上分布。

光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，全息材料是基于聚合物的材料。以这种方式，在机动车的周围环境的情况下可以有利地满足对于全息图的要求，所述要求尤其通过高的例如在约-40℃至约+120℃的范围内的温度波动表征。

光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，扩展光学器件的和投影透镜的全息光学元件构造为全息膜。由此，可以有利地借助已知的制造方法高效地制造全息元件，并且，所述全息元件适合于进一步加工。

光学元件的另一有利的扩展方案的特征在于，全息膜层压在载体材料的相对置的表面上。以这种方式，可以提供光学元件的特别紧凑的实现。

附图说明

下面根据多个附图以另外的特征和优点详细地描述本发明。在此，相同的或功能相同的构件具有相同的附图标记。附图尤其旨在阐述本发明本质的原理并且不一定按照比例实施。为了清楚起见可以设置：并非在所有附图中绘出所有的附图标记。

所公开的设备特征类似地由相应公开的方法特征得出，反之亦然。这尤其意味着，由用于制造激光雷达系统的光学元件的方法的相应的实施、特征和优点以类似的方式得出关于用于激光雷达系统的光学元件的特征、技术优点和实施，反之亦然。附图示出：

图1示出光学透镜的作用原理的示意图；

图2示出具有平面的参考波和来自点的发散的对象波的全息凹面镜的记录配置的示意图；

图3示出光学系统的射束路径的一部分的示意图；

图4示出另外的光学系统的射束路径的一部分的示意图；

图5例如根据光学元件的不同参数示出射束的最大可实现的光学偏转角的示例性的变化过程；

图6示出具有全息元件的图4的光学系统的示意图；

图7和8示出借助两个全息图实现的用于激光雷达系统的光学元件的作用原理；

图9示出用于激光雷达系统的全息图堆叠的作用原理的原理图；

图10例如示出全息式实现的光学元件的可实现的偏转角；

图11示出具有光学元件的激光雷达系统的示意图；以及

图12示出用于制造用于激光雷达系统的光学元件的方法的一种实施方式的流程的原理图。

具体实施方式

本发明的核心构想在于，对于同轴的激光雷达系统设置至少一个全息光学器件，在所述激光雷达系统的情况下构造用于发送和接收路线的共同的光学路径。以这种方式可以消除传统的光学器件的限制，并且可以缩小整个系统的结构空间，或者可以增大进行扫描的激光束的偏转角。

为此目的，优选地使用基于聚合物材料的全息材料，所述全息材料在红外光谱范围内用作衍射光栅。所提及的聚合物材料具有用于在机动车领域中的应用的有利的特征，因为所述聚合物材料非常耐受在那里存在的周围环境影响(例如温度波动、湿度波动等)。

图1原则上示出具有透镜的传统光学器件，该透镜具有直径d、焦距f和焦点f。在此，以下数学关系或条件适用于可以以合理的开销制造的透镜：

f/d>1(1)

也可以以大的开销实现具有小于1的光圈数的透镜。

“光学器件的或光学系统的光圈数”完全一般性地理解为光学器件的或光学系统的有效入射光瞳的焦距f和直径d之间的比例关系。

与此不同，在全息光学元件的情况下，不存在光学器件的关于光圈数和/或折光力的限制。即，全息透镜的或全息凹面镜的焦距f和全息图的直径仅仅通过点光源的位置以及通过在全息透镜记录时的照亮的区域来限定。

图2示出用于全息凹面镜的记录配置。所示的是平面的参考波rw和来自对象点p的发散的对象波ow的特殊情况，它们在全息光学元件hoe的高度上进行干涉。由对象点p的间距和对象波ow的张开角ωobj得出全息光学元件hoe的直径d和焦距fp。两个参数彼此独立，由此可以避开经典的光学器件的在等式(1)中描述的限制。全息光学器件基于衍射成型光，反之，传统透镜基于折射使光转向。

图3示意性地示出具有微透镜阵列mla和投影透镜pl的光学系统的射束路径的一部分。在此，已经做出如下简化的假设：微透镜阵列的射束垂直地射到投影透镜pl上，这当微透镜阵列具有射束扩展的功能时实际上不是这种情况。

可以看出，半光学输出角αout由以下数学关系决定：

其中，

dpl是投影透镜的直径；

dmla是微透镜阵列的直径；

fpl是投影透镜的焦距。

此外可以从以下出发：投影透镜pl的光圈数k2可以最小为1，由此得出，微透镜阵列的直径dmla等于投影透镜pl的焦距fpl。由此又得出，最大的理想偏转角可以是26.57°，其中，实际值更小，因为在此已经做出理想化的假设。

如在图4中示意性地示出的那样，为了实现更大的偏转角，以下必须适用：

dpl<dmla

为此，如在图4中可以看到的那样，投影透镜pl必须显著更小，然而这实际上是不可实现的，因为透镜的焦距不能够小于透镜的直径。此外，在图4中示出的微透镜阵列mla(位置相关的转向和扩展)也不可以通过传统的微透镜阵列来实现。

经扩展的激光束在发送侧是特别有利的，因为以这种方式可以由激光器发送更多功率。这是由于以下事实：人眼的瞳孔的直径假设为7毫米并且在较大的射束的情况下仅仅部分的功率可以由眼睛捕获(这是简化的表示，具有三个脉冲标准的精确的计算规则可以由激光安全标准iec60825-1得出)。如果在接收侧也使用该原理，则用于收集尽可能多的光子的大光圈总是有利的。

借助经典的光学器件，存在结构空间的方面的限制，所述结构空间可以通过以下数学关系来表达：

f2＝k2·d

dsp-pl-近似＝f2+dsp-mla

d射束1＝dmla-透镜

dmla-pl＝f2+f1

dsp-pl＝|-f2-f1-dsp-mla|

dmla＝2·dsp-mla·tan(αsp)

bb＝d

bl＝dsp-pl

具有如下参数：

d投影透镜pl的直径；

k2投影透镜pl的光圈数；

f2投影透镜pl的最小焦距；

dsp-mla微镜sp与微透镜阵列mla之间的间距；

d射束，2射束在投影透镜pl上的直径；

dsp-pl微镜sp与微透镜阵列mla之间的间距；

dmla微透镜阵列mla的尺寸；

anz_px微透镜阵列mla的像素的数目；

dmla-透镜微透镜阵列mla的透镜的直径；

d射束，1射束在微透镜阵列mla上的直径；

αmla在微透镜阵列mla的后面的半角；

f1微透镜阵列mla的透镜的焦距；

dmla-pl微透镜阵列mla与投影透镜pl之间的间距；

αsp在微镜sp的后面的最大光学半角；

αmla-上在上面对于上射束在微透镜阵列mla的后面的角；

αmla-下在下面对于下射束在微透镜阵列mla的后面的角；

α输出在投影透镜pl的后面的光学半角。

图5例如根据不同参数在使用以上提及的数学公式的情况下示出在传统的光学器件的情况下可实现的偏转角α输出的示例性的变化过程。在y轴线上绘出最大可实现的偏转角αout，在x轴线上绘出进行扫描的激光雷达系统的微镜sp与以微透镜阵列形式的扩展光学器件mla之间的间距dsp-mla。可以看出，以这种方式在可用的偏转角αout的情况下仅仅可以实现微镜sp与扩展光学器件mla之间的相对大的间距。

提出，扩展光学器件mla和/或投影透镜pl全息式实现。与传统的光学器件不同，在全息光学元件作为体积全息图的情况下，射束转向不通过折射来预给定，而是通过体积光栅处的衍射预给定。这提供制造具有小于1的光圈数的光学元件的有利的可能性。所提及的全息光学元件hoe可以不仅在透射下、而且在反射下制成，并且通过自由选择入射角和出射角或衍射角允许新的结构型式。在此，为此所需的全息衍射光栅在薄膜中曝光。

这例如可以应用到用于激光雷达系统的示例性的传统的同轴光学系统上。已知的系统通过在等式(1)中定义的相互关系显著受限制。以微透镜阵列形式的扩展光学器件mla由许多小的单个镜组成，所述单个镜扩展激光器的扫描射束并且将其输送给投影透镜pl。

通过使用至少一个全息透镜，提出一种关于光学元件的用于进行扫描的激光雷达系统的应用的新方案。附加地，新的设计方案能够在全息图的情况下实现入射角和反射角的独特解耦。以这种方式，通过全息透镜，扩展光学器件mla与投影透镜pl之间的间距不再受在等式(1)中描述的条件限制。

图6示出所提出的光学元件100的一种实施方式的结构和功能。借助以一个轴线或以两个轴线振荡的微镜sp偏转激光束，由此，激光束射到以微透镜阵列形式的全息式构造的扩展光学器件mla上。在此，射束直径和在微镜sp与扩展光学器件mla之间的间距如此选择，使得各个射束在全息扩展光学器件mla上分离。由此可以确保，全息扩展光学器件mla的每个单个的像素仅仅必须处理一个唯一的射束方向。

使射到扩展光学器件mla的全息图上的射束衍射、转向并且扩展，其中，转向是位置相关的。不是必须使在中心射到全息图上的射束转向。相反，必须使在上边缘和下边缘处射到全息图上的激光束最大地转向，从而所述激光束还照亮投影透镜pl。投影透镜pl的仅仅部分区域的照亮也是可考虑的并且可以在光学元件100的在图中未示出的另外的实施例中实现。

结果，扩展光学器件mla的和/或投影透镜pl的全息光学元件hoe如此构造，使得投影透镜pl的直径dpl最小，其中，借助所提及的元件可以扫描整个视野(英语fieldofview，视野)。

投影透镜pl在图6中简化地显示为单个透镜，但在此也可以涉及具有多个透镜的复合镜头。

通过在全息图的情况下自由地选择入射角和出射角能够实现新的离轴设计方案，其中，射束以不同的角度从微镜sp射到扩展光学器件mla上。

在此，全息光学元件hoe可以通过传统的光学器件的模拟记录产生，但也可以借助全息打印机逐像素地写。这具有以下优点：可以给全息光学元件hoe的每个像素分配特定的光学功能。

由以上提及的原理得出的对于光学元件100的优点例如是以下：

小的结构空间，尤其以投影透镜pl形式的光学元件100的最后的透镜必须仅仅如所使用的射束直径那样大；

可以实现大的偏转角；

由于经扩展的射束引起的通过所实现的人眼安全性的更高的发送功率；

光学功能可以存储在全息膜中，这节省成本和位置；

通过由全息膜构成的堆叠的节省位置的结构型式；

可以逐像素地印刷全息元件hoe；

全息材料的每个像素仅仅必须处理一个唯一的射束方向，也就是说，对于全息图像的每个层，仅仅必须实现一个唯一的光学功能。这意味着，不需要用于产生全息图的多路复用器并且意味着高的衍射效率；

也可以在接收侧使用系统。

为了满足对激光雷达系统的关于在确定的距离处的分辨率的精确定义的要求，一些限制适用于所描述的全息图。

对于扩展光学器件mla与投影透镜pl的全息图之间的间距dmla-pl，以下条件适用：

其中，

ω：空间角；

anz_px：微透镜阵列的像素数。

图7和8示出用于激光雷达系统的光学元件100的作用原理，该激光雷达系统具有以微透镜阵列形式的扩展光学器件mla的全息实现和投影透镜pl的全息实现。扩展光学器件mla扩展扫描射束，使其均匀化并且将经均匀化的扫描射束输送给投影透镜pl。扩展光学器件mla的全息元件被逐像素地印刷，其中，对于每个像素存储多个光学功能(多路复用全息图)。在此，对于每个像素例如可以实现大约4度的角度选择性。这在图7中说明，其中，示出在重建角度上衍射效率的变化过程。

图8说明：整个空间角ω划分成多个段，所述段中的每个单个的段通过单个全息图(像素)实现，其中，每个单个全息图具有4度的角度选择性。可以看出，空间角ω可以扇形地散开(图8上面)，由此可以借助多个全息图像素实现空间角ω。此外可以看出，可以反射空间角ω，由此，可以借助每个全息图像素实现空间角ω(图8下面)。

在图7和图8的例子中，不仅扩展光学器件mla而且投影透镜pl全息式实现。在此，给扩展光学器件mla的每个像素分配投影透镜pl的定义的区域，其中，所有像素在所期望的空间角ω上共同地照亮激光束。通过射束的借助扩展光学器件mla的扩展，由扩展光学器件mla的像素偏转的射束在投影透镜pl上重叠。

因此，为了更清楚起见，在图8中仅仅示出单个的并行的射束，该射束由全息微透镜阵列mla的单个全息图像素偏转并且由投影透镜pl作为射束d射束,2转发。自然设置，全息式实现的投影透镜pl的所有像素使所有射束方向适当地偏转或转发，所述射束方向可以通过空间角ω来表示。

在投影透镜pl后的7mm的射束直径d射束,2、扩展光学器件mla的400的像素数anz_px和投影透镜pl的200mm的直径dmla的情况下，由等式(3)得出扩展光学元件mla与投影透镜pl之间的约为29mm的间距dmla-pa。

由于“厚的”全息图的在图7中可看出的角度选择性，不存在单个的写入体积中的全息图的互相作用。但是，必须如此调节扩展光学元件mla与投影透镜pl之间的间距以及在扩展光学器件mla的情况下的像素间距和以及扫描射束的扩展，使得所示出的角度α大于四度，如以上在等式(3)中定义的那样。

仅仅在这种情况下确保，在投影透镜pl的各个全息图像素的局部重叠的光学功能之间不发生串扰。

通过多路复用可以将多个光学功能写入全息材料的层中。在此，多少全息图可以写入全息材料中取决于材料，然而单个全息图的效率随着所存储的光学功能的数目而下降。出于该原因也可以设置，将光学功能存储到互相上下地层压的多个全息层中。与单个层中的多路全息图相比，通过实现所述堆栈或堆叠可以实现更高的效率。

因此，光学元件的另一实施方式可以设置，通过全息光学元件hoe实现的两个功能(扩展和转向)不通过单个全息光学元件hoe、而是通过两个全息光学元件hoe实现，所述两个全息光学元件互相上下地层压。因为全息光学元件根据位置需要不同的功能，所以通过全息打印机可以特别好地实现记录，该全息打印机逐像素地写全息光学元件。在此，最小的像素尺寸不允许超过扫描射束的射束直径。

结果，扩展光学器件mla的和/或投影透镜pl的全息光学元件hoe如此构造，使得扩展光学器件mla与投影透镜pl之间的间距dmla-pl最小。

结果，扩展透镜mla的全息光学元件和/或投影透镜pl的全息光学元件如此构造，使得投影透镜pl的直径最小。

结果，扩展透镜mla的全息光学元件和/或投影透镜pl的全息光学元件如此构造，使得投影透镜pl的光圈数k2小于1或投影透镜pl的焦距小于投影透镜pl的直径。

结果，扩展光学器件mla的全息光学元件和/或投影透镜pl的全息光学元件进一步如此构造，使得射束在微透镜阵列mla后的偏转角和射束在投影透镜pl后的偏转角最大。

图9示出用于激光雷达系统的光学元件100的这种有利的实施方式。在这种情况下，不仅扩展光学器件mla而且投影透镜pl分别全息式实现，其中，相应的全息光学元件是在两侧层压到载体材料(例如玻璃)上的膜。在此，如在图9中所示的那样，将两个膜施加或层压到载体的具有所定义的厚度的分别一个表面上。

可以看出以约30mm大的全息图玻璃复合物为例的全息图堆叠的基本的作用原理，该全息图玻璃复合物在一个像素中已经存储多个光学功能。可以看出，具有大约2mm的直径的入射的扫描射束射到扩展光学器件mla的全息材料上并且由投影透镜pl扩展到大约大于7mm的射束直径上。因此有利地，全息图堆叠的整个光学功能组合在唯一的光学元件100中。

以这种方式，通过使用全息光学元件可以实现具有附加的射束转向功能性的微透镜阵列，由此可以实现特别紧凑的激光雷达系统。

图10示出具有在投影透镜pl的光圈数k2＝0.5的情况下进行扫描的激光雷达系统的可实现的偏转角αout的图，所述光圈数不能够借助传统的光学器件实现。可以看出，与图5的变化过程相比可以实现激光雷达系统的小得多的结构空间，这主要能够通过扩展光学器件mla与投影透镜pl之间的显著降低的或最小化的间距实现。

在x轴上以毫米绘出投影透镜pl与扩展光学器件mla之间的间距，在y轴线上以度绘出激光雷达系统的扫描角αout。可以看出四个特征曲线，所述四个特征曲线根据投影透镜pl的不同直径d代表扫描角变化过程。对于大约十五度的普通的扫描角可以看出，可以实现微镜sp与激光雷达系统的扩展光学器件mla之间的小的间距。

图11示出具有所提出的光学元件100的一种实施方式的进行扫描的激光雷达系统200的原理框图。

图12示出所提出的用于制造用于激光雷达系统的光学元件100的方法的一种实施方式的基本流程。

在步骤300中提供扩展光学器件mla。

在步骤310中提供投影透镜pl，其中，扩展光学器件mla和/或投影透镜pl通过全息光学元件构造。

有利地，步骤300和310的顺序是任意的。

结果，以这种方式提供用于激光雷达传感器的改善的发送光学器件，其中，不言而喻，对于激光雷达传感器也可以组合地使用多个发送光学器件。

有利地，所提出的光学元件不仅可以用于基于微镜的镜系统，而且可以用于基于宏的镜系统。

总之，借助本发明提供一种用于进行扫描的同轴的激光雷达系统的改善的光学元件。优选地，借助所提出的光学元件实现的激光雷达传感器可以优选地在机动车领域中用于对象的距离与速度测量。

本领域技术人员认识到，能够实现本发明的多种修改，而不偏离本发明的核心。