光透射元件、光学接收单元、光学致动器单元、激光雷达系统、工作设备和车辆的制作方法

本发明涉及一种用于光学单元的光透射元件、光学接收单元或致动器单元/激光雷达系统以及工作设备和尤其是车辆。

背景技术：

在许多技术应用中，在光学接收单元或发射器中使用在光学路径上前置的波长过滤器，以便限界要接收的或要发射的光谱。在此已知的是，这种波长过滤器通常具有透射窗，该透射窗在窗的位置和宽度方面与射束的实际入射角度有关。而这意味着，在不利的情况下、即在关于垂直线的入射角度大的情况下，过滤器特性会偏离额定值。在其他的光学应用中，关于垂直线的大的入射角度也会导致光学总体组件的不期望的性能。另一方面，大的入射角度在光的高程度利用方面是期望的。使两个方面相互协调是大的技术挑战并且迄今需要相对较复杂的光学系统，以便满足这些挑战。

技术实现要素：

具有权利要求1的特征的根据本发明的光透射元件具有以下特征，使得在光学组件的射束路径中通常能够通过简单的器件并且特别无损耗地实现透射光或电磁辐射的角度适配。根据本发明，这通过权利要求1的特征由此实现：建立光透射元件，更确切地说建立用于光学单元的或光学单元的光透射元件、并且尤其用于光学接收单元或用于光学发射或致动器单元的光透射元件以实现透射并且在此实现经透射的电磁辐射和尤其是光和/或红外线射束的角度适配。光透射元件按照层的方式构造和布置并且具有按顺序布置的多个光学元件。所述层具有或形成第一侧或上侧和第二侧或下侧，它们彼此背离并且尤其朝向第一半部空间或第二半部空间。各个光学元件分别具有一对从几何上基本相同或一致的基底开始逐渐变细地延伸的部分元件，所述部分元件以它们的基底朝向彼此并且尤其相互邻接并且沿着它们逐渐变细的结构以不同的长度延伸。在此，光学元件这样定向，使得具有较大长度的部分元件朝向第一侧或上侧并且具有较小长度的部分元件朝向第二侧或下侧。通过根据本发明设置的措施，对于所有关于垂直线超过确定角度的入射射束通过在相邻光学元件上的多重反射实现透射射束相对于入射射束的角度适配。

这意味着，对于从第一侧特别平缓地入射的射束实现进一步接近所基于的光学面的垂直线的透射。这种情况对于接收器组件和类似物是重要的。相反地，这意味着，从第二侧入射的射束必要时可以相对于入射角度以关于所基于的光学面的垂直线的更大的角度透射。这种情况对于发射器组件是重要的，在所述发射器组件中期望射束的射束扇形展开的或更剧烈的分布。

换言之，本发明的一方面在于，构造具有栅格状布置的多个光学元件的蛾眼结构，所述光学元件锥状地或逐渐变细地走向、以它们的锥状或逐渐变细的区域彼此远离地指向并且彼此平行地定向。

从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。

对于具有按顺序布置的光学元件的层的构型方式提供不同的可行性方案，这些可行性方案也可以按照应用以有利的方式选择。

在根据本发明的光透射元件的优选实施方式中，具有按顺序布置的光学元件的层按照单层光学元件的方式构造。这具体意味着，光学元件不彼此叠置地位于多个层中。

然而替代地也可以考虑多层结构。

光透射元件的形状和尤其光学元件的层的形状也可以在几何上适配于相应应用的要求。

然而，当所述层构造在一个面或平面中并且尤其平面地构造时，出现特别简单的情况。

光学元件本身和尤其各个部分元件可以具有不同类型的几何构型并且以不同的方式相互组合。

因此，光学元件和尤其部分元件可以在几何和/或材料方面彼此相同地构造。

在根据本发明的光透射元件的另外的附加的或替代的构型方式中，光学元件可以按照双圆锥和/或双棱锥的方式构造。这尤其能够在部分元件分别构造为尤其垂直的圆锥或圆锥台和/或构造为尤其垂直的棱锥或棱锥台时实现。

在材料方面也提供不同的构型方式。

当光学元件一体式或在材料方面一件式地构造时，出现特别简单的情况。

虽然许多材料本身具有高反射能力，但各个光学元件的光学特性可以通过相应的材料构型来进一步改善。作为材料通常例如提供pc、pmma、zeonex或透射的塑料材料。

因此，在根据本发明的光透射元件的其他有利的扩展方案中设置为，光学元件和尤其部分元件具有外壳(mantel)，该外壳的面尤其通过反射层或涂层构造得能反射。

当光学元件和尤其部分元件尤其关于它们的体轴至少在局部或整体上彼此相同地定向、尤其在局部或整体上垂直于第一侧和/或第二侧地定向和/或彼此平行取向地定向时，出现根据本发明的光透射元件的在光学上特别有利的光学性能。

对此替代地或附加地，也可以在所述层内部相应地构型有多个光学元件彼此叠置的布置，以便有利地形成光透射元件的光学特性。

因此可以考虑，在所述层中的光学元件按照尤其垂直的栅格的方式布置。

对此替代地可以考虑以下布置，在该布置中在所述层中的光学元件按照尤其垂直的栅格的方式并且附加地按照双栅格的方式、例如以非常紧密的排列类型布置。

如上面已经提到的，在此也可以考虑堆积(bulk)布置、例如多层布置。

然而当光学元件在二维中布置时，得到特别简单的结构。作为单层的布置在上面已经提到。

本发明还涉及一种光学接收单元、尤其是过滤器和/或传感器，其具有根据本发明的光透射元件。

在此，光学接收单元的光进入区域可以由所基于的光透射元件的第一侧形成。

附加地或替代地，光学接收单元的光输出区域可以由光透射元件的第二侧形成。

此外，本发明的主题也是光学致动器单元和尤其是用于电磁辐射的发射器，其具有根据本发明的光透射元件。

以有利的方式，光进入区域可以由所基于的光透射元件的第二侧形成。附加地或替代地，光输出区域可以由所基于的光透射元件的第一侧形成。

此外，根据本发明的另一方面也建立一种激光雷达系统，该激光雷达系统构造有用于将光发射到视场中的发射器光具和用于接收来自视场的光的接收器光具，其中，发射器光具和/或接收器光具具有根据本发明的光透射元件，所述发射器光具和/或接收器光具尤其按照光学致动器单元的类型或按照光学接收单元的类型构造。

最后，本发明的主题也是一种构造有根据本发明的激光雷达系统的工作设备。

所述工作设备尤其可以是车辆。

附图说明

参照附图详细描述本发明的实施方式。

图1根据本发明的光透射元件的第一实施方式的示意性侧视图。

图2图1中的根据本发明的光透射元件的实施方式结合光学组件的示意性侧视图。

图3至5示出根据本发明的光透射元件在各个应用中的其他实施方式的示意性侧视图。

具体实施方式

下面参照图1至5详细描述本发明的实施例和技术背景。相同的和等效的以及相同或等效起作用的元件和部件被标以相同的附图标记。并不在它们每次出现时复述所标明的元件和部件的详细说明。

所示出的特征和其他特性能够以任意的方式彼此分开并且任意地相互组合，而不偏离本发明的核心。

图1是根据本发明的光透射元件100的第一实施方式的示意性侧视图。

根据图1，根据本发明构型的光透射元件100由多个光学元件10的组件20组成，这些光学元件按照双棱锥(doppelpyramide)或双圆锥(doppelkonus)的方式构造并且由此由具有基底11b和外壳11a的第一部分元件11以及具有基底12b和外壳12a的第二部分元件12组成，它们具有相同的基底11b和12b并且以它们的基底11b、12b朝向彼此并且尤其相互连接。

光学元件10位于一个平面中、近似地形成一个层110并且将整个空间划分成第一半部空间或上半部空间或者说第一侧或上侧1和第二半部空间或下半部空间或者说第二侧或下侧2。在此，层110的第一侧或上侧101朝向第一半部空间或第一侧1，而第二侧或下侧102朝向所述空间的第二半部空间或第二侧2。

第一部分元件11的基底11b具有宽度或直径11-1。第二部分元件12的基底12b具有宽度或直径12-1。

第一部分元件11和第二部分元件12从相应的基底11b、12b出发逐渐变细并且以尖端收尾。第一部分元件11在它逐渐变细的方向上具有长度11-2。第二部分元件12在它逐渐变细的方向上具有长度12-2。所述逐渐变细可以通过各个基底11b、12b的宽度11-1、12-1或直径相对于在逐渐变细的方向上的长度11-2、12-2的比例来描述。对此替代地，可以给出在与相应基底11b、12b相对置的尖端处的各个开口角度11-3或12-3，更确切地说关于在第一侧或上侧101和/或第二侧或下侧102上的垂直线103。

在图1中示出的光透射元件100的实施方式中，光学元件10嵌入到载体30中。通过这种嵌入30使光学元件在它们的位置和取向方面相对彼此以机械的方式稳定。在载体30中的嵌入总体上是非强制的。在载体材料30中的嵌入也可以仅部分地进行，即不充满整个空间，例如所述载体材料作为光学元件10之间的最薄的材料层或薄的纤维。在载体30中的嵌入也可以完全取消，例如当能够固定在第二光学部分元件12的下方区域中、例如在它的尖端处时。

在根据图1的实施方式中，各个光学元件10的第一和第二部分元件11和12具有相互对准的图像轴线，所述图像轴线与在光透射元件100的层110的第一侧101和第二侧102上的局部的垂直线103重合。然而这种布置不是强制的。根据应用也可以选择图像轴线相对彼此并且关于垂直线103(即在局部方面)的其他取向。

图2是图1中的根据本发明的光透射元件100的实施方式结合作为光学组件60的部分的根据本发明的单元50的示意性侧视图。

在根据图2的实施方式中，将图1中的光透射元件100的组件光学前置地施加到光学单元50上。光学单元50由紧接着层110的下侧102的过滤器层51组成。传感器层52可以紧接着该过滤器层。在这种布置中，从第一半部空间1入射的光穿过光透射元件100透射，其中，如下面详细描述的那样，各个光射束关于局部垂直线103的入射角度被适配为减小。通过入射角度的适配可以更好地利用光学后置的过滤器层51和/或传感器层52的接受区域(akzeptanzbereich)。相反地，得出过滤器层51的透射窗或传感器层52的探测窗的较小的或者甚至消失的偏移。

附加地，过滤器层51和传感器层52作用为光透射元件100的各个光学元件10的(必要时替代的或附加的)载体40。

传感器层52可以通过发射器层54替代，以便形成光学致动器单元，在该光学致动器单元中发射器层54发射出光，该发射器层的发射角度范围在经过光透射元件100之后扩宽。

图3至5示出根据本发明的光透射元件100在光学单元50和相应的光学组件60的各种应用中的其他实施方式的示意性侧视图。

在图3中示出的根据本发明的光透射元件100的构型方式同样描述了结合光学组件60的应用，该光学组件可以构造为光学接收单元61(即在构造光学单元50时使用传感器层52)或构造为光学致动器单元62(即在构造光学单元时使用发射器层54)。

示出了外部入射光70的从外部入射的各个光射束71、72和73，更确切地说根据相比于光学元件10和关于层110的垂直线103的取向的实际入射角度，从外部入射的光射束71、72和73由于光学元件10的组件20变得不同。

相对平缓入射的第一射束71与直接相邻的光学元件10以多重反射的方式相互作用，其中，所述第一射束作为透射的射束关于垂直线103以较小的入射角度照射到光学单元50上并且尤其照射到过滤器层51上。

从外部进入的第二光射束72以关于垂直线103的、相当于光学元件10的上部分元件11的开口角度的入射角度入射。在这里示出的情况中，射束72不碰到光学元件10并且在没有相互作用的情况下直接达到光学单元50的过滤器层51上。

从外部进入的射束73平行于垂直线103地并且直接在两个直接相邻的光学元件10之间运行并且因此也在没有相互作用的情况下照射在过滤器层51上。

在具有发射器层54的光学单元50的运行中、即在光学组件60构型为光学致动器单元62、例如发射器时，模拟来自内部发射的光射束81，该光射束首先碰到光学单元10的第二部分元件12并且随后在两个直接相邻的光学元件10之间的多重反射之后作为向外透射的射束81’回到第一半部空间1中。

根据图4的布置示出光学元件10的构型，该构型与双圆锥形状不同。根据关于垂直线103的入射角度，来自外部光源91、92、93的、从外部进入的光射束71、72和73经历与光学元件10的第一和第二部分元件11、12的不同形式的相互作用，以便最后作为透射射束71‘、72’或73’照射到光学单元50上。

在根据图5的实施方式中，光学元件10的第二部分元件12具有凹形构造的外壳12a。以该方式，可以实现从外部入射的射束71和72到透射射束71’、72’的改善的角度适配或从内部发射进入的射束81、82到向外射出的射束81’、82’的改善的角度适配。

图2是图1中的根据本发明的光透射元件100的实施方式结合作为光学组件60的部分的根据本发明的单元50的示意性侧视图。

本发明的这些以及另外的特征和特性参照下面的说明进一步阐释：

本发明尤其也涉及用于在扩展的角度接受区域的情况下使入射的光射束的照射角度最小化的光学结构。

例如在黑硅探测器或在防反射涂层中用于提升在表面上的光学吸收的蛾眼结构本身是已知的并且用作为成本相对较高的用于较大的接受角度的光学波长过滤器或者用作为成本有利的用于小的接受角度的光学波长过滤器，其特别在较大的角度时伴随着透射窗的扩宽和移位。

本发明的目的是在大的角度接受区域的情况下通过简单的器件实现入射的光射束的照射角度的最小化。

本发明的优点在于：

-在大的入射角度的情况下成本有利的光学波长过滤器的使用，以及在通过所述结构减小的入射角度上的透射窗的非常小的不期望的扩展和移位，

-在照射角度和在所述结构上的照射位置不利的情况下，连同相对于所述作用原理起作用的有利情况的可能性而言少见得多的不利情况，产生非常小的功率损耗，

-作为较大的宏观结构或小型化的微观结构的可实现性，其中，进一步的小型化由于通过从约三倍波长开始的衍射效应限界，以及所述组件的产生的可伸缩性，和

-在保持成像的角度比的情况下将传感器上的部分图像组合在一起的可能性。

现有技术中的遵循自然的蛾眼作为吸收结构的并且以不同的形式和尺寸使用在许多技术应用中的元件结构以附加的和下面的元件半部扩展，使得尤其垂直于每个元件的光学活性层的表面地产生双圆锥或双棱锥的结构，更确切地说分别以圆锥轴线或棱锥轴线垂直于光学活性层的表面。

上元件半部和下元件半部11、12对于整个结构而言均可以构型为反射表面或构型具有反射表面。在理想情况下，得到由多个单个元件10组成的三维结构，这些单个元件优选反射地覆盖二维表面。

在此，倾斜的上元件半部11还用于接收最大光强度，其中，通过多重反射，入射的光射束的角度由关于垂直线的大的角度变得越来越大。

第二或下元件半部12通过相对于上元件半部11的、关于垂直线103的较大的和按标记转动(vorzeichengedreht)的斜度来减小在反射链的末端处的角度。

光学过滤器51和传感器52为了成像过程直接安置在下元件半部12的端部上，使得从较大的角度范围中入射的射束与未偏转地照射到过滤器51上的那些射束没有重叠地分开。

传感器部分图像的分开处理允许整体图像的数字化组合，例如在激光雷达系统中如使用光学传感装置。

下面描述的优化参数优选设计成使得在最大的角度范围上不出现至外部光源的反射，而是进行向内至探测器侧的偏转。

根据相应的应用可以优化下列参数：

-直接相邻的结构元件10的水平距离13、14

-上元件半部和下元件半部11、12的垂直长度11-2、12-2和长度比例

-上元件半部11的倾斜角度11-3

-下元件半部12的倾斜角度12-3

-下元件半部12的造型

各个元件10要么可以施加在过滤器51和/或传感器52上并且由此固定，要么替代地通过另外的平面30、例如也通过透明的嵌入材料30保持在一起，所述另外的平面使元件水平地连接并且具有非常高的透射性。

图3基于三个从上半部空间1以不同的入射角度入射的光射束71、72、73示意性地阐释例如根据本发明的光学有效层110的实施方式的二维的作用原理，该光学有效层理解为光透射元件100。

图4基于三个从上半部空间1以不同的入射角度入射的光射束71、72、73示意性地阐释例如根据本发明的光学有效层110的另外的实施方式的三维作用原理，该光学有效层理解为根据本发明的光透射元件100。

图5示意性阐释根据本发明的光学有效层110的另外的实施方式，该光学有效层理解为根据本发明的光透射元件100，在该另外的实施方式中，在第二或下部分元件12中与严格平面的空间边界面或外壳面12a不同并且替代地使用具有连续变化的边界面角度的凹形的边界面或外壳面12a。

光学元件10的尺寸在宏观上可以位于毫米或厘米的范围内，更确切地说具有在纳米或微米的范围内的微观结构、例如在激光雷达遮盖窗前面的圆周顶盖(rundumaufsatz)。可以考虑在探测器附近在真正的过滤器前面的小的覆盖部。作为可能的制造方法例如可以考虑注塑、mems和纳米制造。