Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zur optischen Distanzmessung sowie ein entsprechendes Verfahren.

Stand der Technik

LIDAR (Abkürzung für „Light Detection and Ranging") Sensoren sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Sie umfassen eine Sendeeinheit zum Aussenden von Messpulsen sowie eine Empfangseinheit zum Empfangen reflektierter Messpulse, die an Objekten innerhalb eines Messbereiches des Sensors reflektiert wurden. An hand des Time-of-Flight-Prinzips kann mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit auf die Dis tanz zu den Objekten, an denen die Messpulse reflektiert wurden, geschlossen wer den.

Dabei werden Anforderungen an die Reichweite des LIDAR-Sensors gestellt, die zu mindest empfangsseitig lichtstarke Linsensysteme erfordern. Auch bedarf eine An wendung im Rahmen eines zumindest teilautonomen Fahrens möglichst große Blick winkel des LIDAR-Sensors. Ferner erfordert die Dimensionierung der Sende- und Emp fangsstrukturen eine sehr hohe Abbildungsgüte. Diese im Grundsatz gegensätzlichen Anforderungen erfordern hochklassige Objektive, die zum einen einfach herzustellen sind und zum anderen eine Integration in ein Fahrzeug bei minimalem Bauraum er lauben.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen LIDAR-Sensor derart zu verbessern, dass die optische Leistungsfähigkeit optimiert wird, wobei der erforderliche Bauraum gleichzeitig deutlich reduziert wird. Gelöst wird die oben genannte Aufgabe durch einen LIDAR-Sensor zur optischen Dis tanzmessung, der eine Sendeeinheit zum Aussenden von Messpulsen und eine Emp fangseinheit zum Empfangen reflektierter Messpulse aufweist. Aus dem Laufzeitun terschied zwischen ausgesandter und reflektierter Messpulse kann somit auf Basis des Time-of-Flight-Prinzipes die Distanz zu einem Objekt, an dem Messpulse reflektiert wurden, bestimmt werden.

Der LIDAR-Sensor weist mindestens ein optisches Element auf, das einen lichtdurch lässigen Träger und mindestens eine Mikrostruktur umfasst, wobei die Mikrostruktur zumindest auf einem Teil einer ersten Seite des Trägers ausgebildet ist. Die Mikro struktur weist eine Höhe zwischen 0,1 pm und 100 pm auf. Insbesondere kann die Höhe zwischen 0,5 pm und 50 pm liegen, am meisten bevorzugt zwischen 0,7 pm und 10 pm. Die Höhe erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Dickenrichtung des Trägers.

Unter dem Begriff „Höhe" ist insbesondere der maximale Höhenunterschied der Mik rostruktur parallel zur Dickenrichtung gemeint. Die Mikrostruktur weist somit vor zugsweise ein Höhenprofil auf, wobei die Mikrostruktur unterschiedliche Bereiche, bspw. Stufen, verschiedener Höhen aufweisen kann. Der maximale Höhenunterschied kann sich auf unterschiedliche Bereiche der Mikrostruktur untereinander oder auf den maximalen Höhenunterschied zwischen der Mikrostruktur und der ersten Seite, in anderen Worten der Oberfläche der ersten Seite, des Trägers beziehen.

Dabei kann die Mikrostruktur in den ersten Träger eingebracht sein, in anderen Wor ten innerhalb des ersten Trägers ausgebildet sein, sodass sich die Höhe der Mikro struktur in diesem Fall darauf bezieht, mit welcher maximalen Ausdehnung, in ande ren Worten Tiefe, die Mikrostruktur in den Träger hinein ausgebildet ist. In diesem Fall weist die Mikrostruktur ein Tiefenprofil auf und der Begriff „Höhe" in Dickenrich tung kann als maximale Tiefe verstanden werden. Hier ist die Mikrostruktur und der Träger einstückig und aus demselben Material gebildet.

Ferner kann die Mikrostruktur auf der ersten Seite des Trägers aufgebracht sein, bspw. im Rahmen einer Beschichtung. Dann bezieht sich die Höhe auf den maximalen Höhenunterschied der Mikrostruktur zur ersten Seite des Trägers, in anderen Worten der Oberfläche der ersten Seite, oder auf den maximalen Höhenunterschied unter schiedlicher Bereiche der Mikrostruktur untereinander. Letzteres ist insbesondere dann der Fall, wenn die erste Seite in dem Bereich, in dem die Mikrostruktur ange ordnet ist, gänzlich durch die Beschichtung bedeckt ist.

Als Beschichtung kommen Halbleiter-Kompositionen in Frage, wie bspw. Silizium oder Siliziumdioxid. Ferner kann auch Titandioxid, Galiumnitrid, Siliziumnitrid als Beschich tungsmaterial eingesetzt werden. Ferner können Polymerbeschichtungen, bspw. pho tothermische Schichten, vorzugsweise auf der Basis von Polyvinylchlorid, Polyvinylal kohol oder Acrylamid, eingesetzt werden.

Der Träger ist vorzugsweise als Substrat zu verstehen und kann aus Siliziumoxid oder Glas gebildet sein. Der Träger weist vor allem eine Zylinderform auf, wobei die erste Seite als Kreisfläche des Zylinders zu verstehen ist.

Insbesondere ist die Mikrostruktur in den Träger geätzt. Vorzugsweise ist die Mikro struktur mittels eines fotolithografien Verfahrens auf bzw. in dem Träger ausgebildet worden, bspw. mittels Nanoimprint-Lithografie. Hier wird eine Schicht, bspw. eine Nanoimprintschicht, auf die erste Seite des Trägers aufgebracht, ein Nanostempel, in anderen Worten ein nanostrukturierter Stempel eingedrückt, die Schicht gehärtet und der Stempel entfernt, wobei in einem weiteren Ätzschritt ein entsprechendes Höhen beziehungsweise Tiefenprofil in den Träger übertragen wird. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Herstellung hochqualitativer Linsen mit besten Abbildungseigenschaf ten.

Die Mikrostruktur dient zur Manipulation der Phasenfront des durch das optische Element tretenden Lichtes, insbesondere der Messpulse. Bei den Messpulsen handelt es sich vorzugsweise um Licht, insbesondere um Licht im Infrarotbereich. Die Mess pulse weisen insbesondere eine Wellenlänge auf, die zwischen 600 nm und 1800 nm liegt. Insbesondere liegt die Wellenlänge zwischen 700 nm und 1100 nm, am meisten bevorzugt zwischen 800 nm und 1000 nm. Ferner kann die Wellenlänge zwischen 1300 nm und 1700 nm, am meisten bevorzugt zwischen 1500 nm und 1600 nm liegen.

Die optische Funktion des optischen Elementes ist auf einen sehr geringen Bereich, sprich auf den Bereich der Mikrostruktur, d.h. einem Mikrometerbereich, fokussiert. Das optische Element weist eine Dicke von weniger als 7 mm, am meisten bevorzugt weniger als 4 mm, auf, wobei der Träger zu einem Großteil der Dicke beiträgt. Das optische Element weist insbesondere einen Durchmesser von kleiner als 15 mm, vor zugsweise kleiner als 10 mm auf. Somit entspricht der Durchmesser des optischen Elementes nahezu der Apertur des LIDAR-Sensors. Dabei führt die Kompaktheit der optischen Elemente zu geringeren Separationen der optischen Achsen des LIDAR- Sensors, was vorteilhaft ist, bspw. bei Detektionseinbußen aufgrund von Effekten der Parallaxe.

Es wird somit mindestens ein sehr flaches optisches Element im LIDAR-Sensor einge setzt und somit der Bauraum des LIDAR-Sensors wesentlich reduziert. Die Reduktion des Bauraums bezieht sich dabei sowohl auf die Aufbauhöhe als auch auf den Durch messer des optischen Elements. Dies ist im starken Gegensatz zu refraktiven Linsen, die, um eine entsprechende Abbildungsgüte zu erreichen, sehr dick realisiert werden müssen. Auch ist das Gewicht des optischen Elementes im Gegensatz zu bekannten Linsen deutlich reduziert, wobei gleichzeitig eine höhere optische Leistungsfähigkeit und bessere Abbildungsqualitäten erreicht werden.

Das optische Element weist auf zumindest 30 %, vorzugsweise auf zumindest 50 %, am meisten bevorzugt auf zumindest 70 %, der ersten Seite mindestens eine Mikro struktur auf. Ferner kann auf der gesamten ersten Seite des Trägers mindestens eine Mikrostruktur ausgebildet sein.

Es kann auch auf zumindest einem Bereich einer zweiten Seite, bspw. auf zumindest 30 %, vorzugsweise auf zumindest 50 %, am meisten bevorzugt auf zumindest 70 % oder auf der ganzen zweiten Seite, mindestens eine Mikrostruktur ausgebildet sein. Die zweite Seite ist ferner bevorzugt die andere Kreisfläche des insbesondere zylinder förmigen Trägers. Die erste Seite und/oder die zweite Seite ist vorzugsweise eben oder gekrümmt ausgebildet. Dies bezieht sich insbesondere auf die entsprechende Seite bzw. Oberfläche ohne Mikrostruktur. Insbesondere ist die erste Seite und/oder die zweite Seite mathematisch gesehen differenzierbar ausgebildet und weist somit keine Knicke auf. Auch dies bezieht sich insbesondere auf die entsprechende Seite bzw. Oberfläche ohne Mikrostruktur. Das optische Element ist insbesondere als Linse ausgebildet. Vorzugsweise ist das op tische Element derart ausgebildet und angeordnet, um reflektierte Messpulse auf die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors abzubilden und/oder um von der Sendeeinheit erzeugte Messpulse in eine Umgebung des LIDAR-Sensors abzubilden. Hinsichtlich der Anordnung kann das optische Element somit in Bewegungsrichtung der erzeugten Messpulse hinter der Sendeeinheit und/oder in Bewegungsrichtung der reflektierten Messpulse vor der Empfangseinheit angeordnet sein.

Ein optisches Element mit einem Träger und mindestens einer Mikrostruktur des LI DAR-Sensors kann somit sendeseitig angeordnet sein und somit ausschließlich dazu dienen, von der Sendeeinheit erzeugte Messpulse in eine Umgebung des LIDAR- Sensors abzubilden. Ferner kann ein optisches Element mit einem Träger und mindes tens einer Mikrostruktur empfangsseitig angeordnet sein und ausschließlich dazu die nen, reflektierte Messpulse auf die Empfangseinheit abzubilden.

In anderen Worten kann das optische Element als Sendeoptik und/oder Empfangsop tik ausgebildet sein. Ein als Sendeoptik ausgebildetes optisches Element ist insbeson dere als Zerstreuungslinse und ein als Empfangsoptik ausgebildetes optisches Element insbesondere als Sammellinse ausgebildet. So sorgt die Mikrostruktur des sendeseitig angeordneten optischen Elementes für die Funktion einer Zerstreuungslinse, während die Mikrostruktur des empfangsseitig angeordneten optischen Elementes die Funkti on einer Sammellinse erzeugt. Es können dabei beiden Optiken identisch ausgebildet sein, wobei sich deren unterschiedliche Funktionen durch eine entgegengesetzte An ordnung, in anderen Worten Orientierung, zum durchtretenden Licht ergibt.

Reflektierte Messpulse auf die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors abzubilden bedeu tet insbesondere die reflektierten Messpulse aus verschiedenen Raumwinkeln zu empfangen und auf die Empfangseinheit abzubilden, wobei diese insbesondere in ei ner Brennebene des als Empfangsoptik ausgebildeten optischen Elementes angeord net sein kann. Erzeugte Messpulse in die Umgebung des LIDAR-Sensors abzubilden bedeutet insbesondere die von der Sendeeinheit erzeugten Messpulse in verschiede ne Raumwinkel auszusenden, wobei die Sendeeinheit insbesondere in einer Brenn ebene des als Sendeoptik ausgebildeten optischen Elementes angeordnet sein kann. Das als Sendeoptik ausgebildete optische Element kann die einzige Linse des LIDAR- Sensors sein, die dazu dient Messpulse in eine Umgebung des LIDAR-Sensors abzubil den. Ferner kann das als Empfangsoptik ausgebildete optische Element die einzige Linse des LIDAR-Sensors sein, die dazu dient, Messpulse auf die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors abzubilden. Vorzugsweise weist der LIDAR-Sensor keine weiteren Lin sen als Sendeoptik und/oder Empfangsoptik auf. Ausgenommen hiervon sind licht durchlässige Oberflächen eines Fahrzeuges, durch die Messpulse ohnehin durchtre ten. Dies können bspw. die Oberflächen eines Oberflächenelementes des Fahrzeuges sein. Ferner können hierunter die Oberflächen eines Bandpassfilters verstanden wer den.

Der LIDAR-Sensor setzt somit vorzugsweise bewusst kein Mehrlinsensystem als Sen de- und/oder Empfangsoptik ein. Dies ist im Gegensatz zum Stand der Technik, nach dem - um den hohen optischen Anforderungen gerecht zu werden - typischerweise Mehrlinsensysteme eingesetzt werden, die in einem mechanischen Tubus vereint und optisch genau ausgerichtet werden müssen. Da dies hier vorzugsweise nicht erfolgt, kann auf die bei einem Mehrlinsensystem notwendige Reduktion von Streulichtreflek- tion und Mehrfachreflektionen verzichtet werden, was sich vorteilhaft auf die Leis tung des LIDAR-Sensors auswirkt. Ferner entfällt die Notwendigkeit einzelne Linsen, wie im Stand der Technik bekannt, optisch justieren zu müssen, Kompensatoren vor zusehen, Objektive nachträglich zu sortieren, etc. Zudem bietet das optische Element als einteilige Sende- und/oder Empfangsoptik weniger Angriffsfläche für thermische Effekte, bspw. ein Fokusdrift, oder mechanische Umwelteinflüsse, bspw. Schock- und Rütteltests, und eine entsprechende Alterung.

Der LIDAR-Sensor kann ferner eine erste Vielzahl, bspw. zwei oder drei, von mit einer Mikrostruktur versehenden optischen Elemente aufweisen, die jeweils als Sendeoptik dienen und/oder eine zweite Vielzahl, bspw. zwei, von mit einer Mikrostruktur verse henden optischen Elemente aufweisen, die jeweils als Empfangsoptik dienen. So sind die optischen Elemente der ersten Vielzahl jeweils als Sendeoptik ausgebildet und an geordnet, wobei die optischen Elemente der ersten Vielzahl jeweils als Empfangsoptik ausgebildet und angeordnet sind. Die optischen Elemente der ersten und/oder zwei ten Vielzahl können parallel zueinander angeordnet sein, wobei Licht nacheinander durch die optischen Elemente tritt. So dienen die optischen Elemente der ersten Viel zahl gemeinsam dazu durchtretendes Licht in die Umgebung des LIDAR-Sensors abzu- bilden, während die optischen Elemente der zweiten Vielzahl gemeinsam dazu dienen Licht auf die Empfangseinheit abzubilden.

Ferner kann die erste Vielzahl identisch zur zweiten Vielzahl ausgebildet sein. In ande ren Worten enthalten beide Vielzahlen die gleichen optischen Elemente, wobei sich die optischen Elemente innerhalb einer Vielzahl unterscheiden können.

Vorzugsweise sind die mit einer Mikrostruktur versehenden optischen Elemente die einzigen als Sendeoptik und/oder Empfangsoptik agierenden optischen Elemente und der LIDAR-Sensor weist keine weiteren Linsen als Sendeoptik oder Empfangsoptik auf, die keine auf einem Träger ausgebildete Mikrostruktur aufweisen. Ausgenommen hiervon sind erneut lichtdurchlässige Oberflächen eines Fahrzeuges, durch die Mess pulse ohnehin durchtreten. Dies kann sich auf die Oberflächen eines Oberflächenele mentes des Fahrzeuges oder eines Bandpassfilters beziehen.

Zudem kann das optische Element zusammen mit einer Linse, die keine Mikrostruktur aufweist, als Sendeoptik und/oder Empfangsoptik fungieren. Das mit einer Mikro struktur versehende optische Element kann somit im Rahmen eines hybriden Ansat zes mit einer herkömmlichen Linse, bspw. einer refraktiven Linse, Zusammenwirken.

Ferner kann der LIDAR-Sensor ein erstes optisches Element umfassen, das als Sende optik ausgebildet ist und ausschließlich dazu dient, erzeugte Messpulse in eine Umge bung des LIDAR-Sensors abzubilden und ein zweites optisches Element, das als Emp fangsoptik dient und reflektierte Messpulse auf die Empfangseinheit abbildet. Beide optischen Elemente weisen jeweils einen Träger und eine Mikrostruktur auf.

Dabei sind das erste optische Element und das zweite optische Element insbesondere derart ausgebildet, dass die Brennweite des ersten optischen Elementes und die des zweiten optischen Elementes identisch sind, wobei das erste optische Element durch die Mikrostruktur als Zerstreuungslinse dient, während das zweite optische Element als Sammellinse fungiert.

Vorzugsweise ist das optische Element als Metalinse ausgebildet, sodass die Mikro struktur eine Vielzahl von Strukturelementen als Lichtwellenleiter umfasst, wobei die Strukturelemente als Säulen oder Vertiefungen, insbesondere Sacklöcher, ausgebildet sind. Die Strukturelemente sind vorzugsweise getrennt voneinander ausgebildet. Ins besondere sind die Strukturelemente beabstandet voneinander angeordnet. Die Strukturelemente können somit als voneinander beabstandete Säulen oder Vertie fungen ausgebildet sein. Dabei kann sich die Höhe der Mikrostruktur, die parallel zu einer Dickenrichtung des Trägers angeordnet ist, auf die Strukturelemente in Bezug auf die erste Seite bzw. deren Oberfläche beziehen. Insbesondere sind alle Struktu relemente gleich hoch beziehungsweise gleich tief ausgebildet. Es kann sich vorzugs weise um eine dielektrische Metalinse handeln.

Die Strukturelemente haben insbesondere eine Ausdehnung senkrecht zu deren Hö henrichtung bzw. senkrecht zur Dickenrichtung des Trägers, von 0,1 pm bis 1 miti, vor zugsweise zwischen 0,2 pm und 0,5 pm. Die Höhenrichtung entspricht vorzugsweise der Dickenrichtung des Trägers. Der Abstand der Strukturelemente ist insbesondere kleiner als 1 pm, vorzugsweise kleiner als 0,5 pm, am meisten bevorzugt kleiner als 0,2 pm. Die Querschnittsform der Strukturelemente kann insbesondere ein Quader, Rechteck oder Kreis sein. Die Ausdehnung kann sich somit auf die Seiten des Quaders, die längere und/oder kürzere Seite des Rechtecks oder den Durchmesser des Kreises beziehen.

Der Teil der ersten oder der zweiten Seite, auf dem die mindestens eine Mikrostruktur angeordnet ist, kann als Metaoberfläche bezeichnet werden. In anderen Worten ist zumindest auf einem Teil der ersten oder der zweiten Seite des Trägers eine Metao berfläche ausgebildet.

Bei den Strukturelementen handelt es sich um diskrete nanoskalige Elemente, die als Nanoantennen dienen. Jedes Strukturelement erzeugt beim Durchtreten von Licht eine Punktwelle, wobei sich die erzeugten Punktwellen überlagern und somit durch Interferenz eine neue Wellenfront, in anderen Worten Phasenfront der Welle, die im Vergleich zur Wellenfront des eintretenden Lichts vor Durchtritt durch das optische Element verändert ist.

Jedes Strukturelement kann somit als Quelle einer elektromagnetischen Welle vorge stellt werden, die sich mit allen anderen elektromagnetischen Wellen der anderen Strukturelemente überlagert und somit eine bestimmte Gesamtwelle, bspw. eine Ku gelwelle, die in einem Brennpunkt zusammenläuft, erzeugt. Dabei ist die Anordnung und die Ausbildung der Strukturelemente entscheidend, da diese die resultierende Phasenfront bestimmt. Bspw. können die Strukturelemente derart ausgebildet und angeordnet sein, dass eine ebene Phasenfront in eine hyperbolische Phasenfront um geformt wird, sodass das optische Element als fokussierende Linse agiert. Andersher um kann das optische Element mittels der Strukturelemente als Streulinse agieren.

Ferner kann das optische Element als diffraktives optisches Element ausgebildet sein, sodass die Mikrostruktur eine Vielzahl von Zonen unterschiedlicher Höhe umfasst, wobei sich die Höhen parallel zur Dickenrichtung des Trägers erstrecken. Im Gegen satz zu einer Metalinse sind keine diskreten Strukturelemente im Nanobereich ausge bildet, sondern, vorzugsweise konzentrische, unterschiedliche Zonen der Mikrostruk tur.

Das diffraktive optische Element ist insbesondere eine diffraktive Linse. Bspw. kann die Mikrostruktur zwei Höhen aufweisen, sodass es sich um ein binäres diffraktives optisches Element handelt. Ferner können mehr als zwei Zonen unterschiedlicher Hö he ausgebildet sein, sodass es sich um eine multidiffraktive Linse handelt. Durch die unterschiedlichen Zonen wird durchfallendes Licht durch das optische Element unter schiedlich stark gebeugt. In anderen Worten unterscheidet sich der optische Weg, den das Licht erfährt, wenn es verschiedene Zonen durchläuft. Auf diese Weise kann das diffraktive optische Element erneut als Sammellinse oder Zerstreuungslinse fungieren.

Bei den Zonen handelt es sich insbesondere um konzentrische radiale Zonen. In ande ren Worten können die Zonen ringförmig ausgebildet sein. Bspw. kann eine erste Zo ne in der Mitte des diffraktiven optischen Elementes angeordnet sein, die einen be stimmten maximalen Radius umfasst, während eine sich daran anschließende zweite Zone einen identischen minimalen Radius und einen größeren maximalen Radius auf weist. Die verschiedenen Zonen erstrecken sich somit ringförmig und koaxial um den Mittelpunkt des optischen Elementes. Die Zonen sind vorzugsweise als Stufen ausge bildet, sodass eine Stufenlandschaft entsteht.

Die Mikrostruktur mit den unterschiedlichen Zonen kann bspw. ein optisches Gitter darstellen. Es erfolgt die Lichtbeugung an der Mikrostruktur. Vorzugsweise handelt es sich bei dem diffraktiven optischen Element um ein hologra fisches optisches Element, sodass die Mikrostruktur ein Hologramm darstellt.

Vorzugsweise kann auf der zweiten Seite des Trägers eine als Bandpassfilter ausgebil dete Beschichtung angeordnet sein. In anderen Worten kann ein Bandpassfilter direkt in das optische Element integriert sein. Dies betrifft insbesondere ein als Sendeoptik ausgebildetes optisches Element. Die Integration erlaubt den Verzicht auf eine weite re optisch aktive Fläche und somit die Reduktion von Streulicht und störenden Resek tionen.

Vorzugsweise kann der LIDAR-Sensor als Solid-State-Sensor ausgebildet sein, sodass die Sendeeinheit als Sendearray und die Empfangseinheit als Empfangsarray ausgebil det ist mit einer Vielzahl von Sendeelementen und Empfangselemente, bspw. von La sern und Detektoren, wobei eine Ausleuchtung eines Messbereichs des LIDAR-Sensors durch eine selektive Ansteuerung der Sendeelemente und Empfangselemente er reicht wird. Der Sendearray und/oder der Empfangsarray können als Focal-Plane- Array ausgebildet sein. Insbesondere werden keine beweglichen Spiegel eingesetzt, um ein zentrales Laserlicht unter unterschiedliche Raumwinkel auszusenden.

Dabei können Sendeelemente und Empfangselemente jeweils eineindeutig in Paaren zugeordnet sein. Durch die Sendeoptik kann folglich jedem Sendeelement ein be stimmter Raumwinkel zuordnet, wobei durch die Empfangsoptik der gleiche Raum winkel dem entsprechenden Empfangselement zuordnet sein kann. Alternativ kann ein Sendeelement einen größeren Teilbereich des Blickfeldes beleuchten, wobei das reflektierte Licht empfangsseitig mehrere Empfangselemente beleuchtet.

Ferner kann der LIDAR-Sensor in einem Fahrzeug angeordnet sein, wobei der Träger des optischen Elementes als lichtdurchlässiges Oberflächenelement des Fahrzeuges ausgebildet sein kann. Bei dem Oberflächenelement kann es sich insbesondere um eine Windschutzscheibe oder eine Frontplatte eines Scheinwerfers handeln. Ferner sind auch seitliche oder rückblickende Oberflächenelemente möglich. Dies ermöglicht einen Verzicht auf weitere optische Flächen, da das optische Element direkt in dem Oberflächenelement integriert ist. Entsprechende Oberflächenelemente sind meistens gekrümmt ausgebildet, sodass die Mikrostruktur dazu ausgebildet sein kann, die entsprechende Krümmung zu kompen sieren, um optimale Abbildungseigenschaften zu erreichen. Insbesondere ist die Mik rostruktur auf einer Innenseite des Oberflächenelementes ausgebildet. Es entfällt die Notwendigkeit der Justierung, da bereits bei einer Fertigung des optischen Elementes auf dem Oberflächenelement eine hohe Genauigkeit erreicht wird.

Bevorzugterweise kann das mindestens eine optische Element schräg zur Empfangs einheit und/oder zur Sendeeinheit angeordnet sein. Dabei kann durch die Ausbildung der Mikrostruktur der Einfluss der Schrägstellung, bspw. auf die Brennebene, kom pensiert werden. Durch die Schrägstellung können ferner Streueffekte, bspw. Ghosting und Flair, wesentlich reduziert werden. Unter einer Schrägstellung ist vor zugsweise zu verstehen, dass die Dickenrichtung des optischen Elementes nicht senk recht auf einer optisch aktiven Oberfläche einer Sendeeinheit und/oder auf der op tisch aktiven Oberfläche einer Empfangseinheit steht. Insbesondere beträgt der Win kel zwischen unter 88°, vorzugsweise unter 85°. In anderen Worten ist das optische Element nicht parallel zur Sendeeinheit und/oder Empfangseinheit ausgerichtet. Durch die Schrägstellung kann der Rückreflex, der nach Abbilden von Licht auf die Empfangseinheit entsteht, von der optisch aktiven Empfangseinheit ferngehalten werden.

Insbesondere weist das optische Element eine F-Zahl, das heißt ein Verhältnis von Brennweite zu Eintrittspupillendurchmesser, auf, der unter 1 liegt. Dies kann im Stand der Technik nur sehr schwierig mittels herkömmlicher, meist refraktiver, Linsen er reicht werden.

Es wird mittels des optischen Elementes die Bildkrümmung minimiert, da bei konven tionellen Linsen nur mit weiteren optisch aktiven Flächen, bspw. mit asphärischen Linsen die Bildebene auf eine Ebene gebracht werden kann, da abhängig vom Ein fallswinkel das Licht auf einer gekrümmten Brennebene fokussiert wird. Bei den oben beschriebenen optischen Elementen, vor allem bei Metalinsen, erfolgt die Verände rung der Phase vorzugsweise bereits auf einer Ebene beziehungsweise auf einer ge krümmten Fläche, wobei die Mikrostruktur diese Krümmung kompensiert, sodass die Bildfeldkrümmung minimiert werden kann. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Abbildungsleistung über dem Bildbereich erheblich. Ferner kann mittels der optischen Elemente, die vorzugsweise als Metalinsen ausge bildet sind, eine telezentrische Abbildung ermöglicht werden, ohne dass dies zu einer hohen Beeinträchtigung der Bildschärfe oder anderen kritischen Parametern geht.

Vorzugsweise kann das optische Element zwei unterschiedlich große Brennweiten umfassen. Durch eine bestimmte Anordnung und Ausbildung der Strukturelemente der Metalinse kann das optische Element mit zwei Brennweiten versehen werden.

Bspw. kann die Mikrostruktur erste Strukturelemente und zweite Strukturelemente umfassen, die sich unterscheiden. Einfallendes Licht kann mittels der ersten Struktu relemente bei einer ersten Brennweite und mittels der zweiten Strukturelemente bei einer zweiten Brennweite fokussiert werden. Dabei können die Bereiche der Mikro struktur, die für die unterschiedlichen Brennweiten sorgen, räumlich voneinander ge trennt sein. Bspw. kann ein innerer Bereich ausschließlich mit ersten Strukturelemen ten und somit einer ersten Brennweite und ein äußerer Bereich ausschließlich mit zweiten Strukturelementen und somit einer zweiten Brennweite versehen sein. Fer ner können die Strukturelemente nicht voneinander räumlich getrennt sein, sondern erste Strukturelemente und zweite Strukturelemente können im gleichen Bereich vor liegen. Bei den verschiedenen Brennweiten kann es sich um unterschiedliche Brenn weiten in vertikaler oder horizontaler Richtung handeln. Ferner kann sich die Brenn weite kontinuierlich, bspw. in vertikaler oder horizontaler Richtung, verändern.

Ferner kann der LIDAR-Sensor ein optisches Element umfassen, das sowohl sendesei tig als auch empfangsseitig tätig ist. Das optische Elemente kann einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfassen, wobei im zweiten Bereich eine erste Mikro struktur angeordnet ist. Der erste Bereich kann bspw. ein zentraler Bereich um den Mittelpunkt des optischen Elementes sein. Der zweite Bereich kann sich vorzugsweise als radialer, in anderen Worten ringförmiger, Bereich um den ersten Bereich herum erstrecken.

Im ersten Bereich kann eine zweite Mikrostruktur ausgebildet sein, die unterschied lich zu der im zweiten Bereich ausgebildeten Mikrostruktur ist. Diese zweite Mikro struktur könnte im ersten Bereich auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des optischen Elementes angeordnet sein. Ferner kann im ersten Bereich keine Mikro struktur, weder auf der ersten Seite noch auf der zweiten Seite, ausgebildet sein.

Der zweite Bereich ist insbesondere derart ausgebildet und angeordnet, um reflektier te Messpulse auf die Empfangseinheit abzubilden. Ferner kann der erste Bereich der art ausgebildet und angeordnet sein, um von der Sendeeinheit erzeugte Messpulse in eine Umgebung des LIDAR-Sensors abzubilden. Es kann sich somit um ein konfokales System handeln, das durch unterschiedliche optische Bereiche eingehendes Licht un terschiedlich abbilden kann.

Ferner kann im ersten Bereich auf einer Seite des Trägers, bspw. auf der ersten oder der zweiten Seite, des optischen Elementes ein Umlenkelement zum Umlenken von Messpulsen einer Sendeeinheit angeordnet sein, vorzugsweise eine MEMS-Einheit, bspw. ein MEMS-Spiegel. Dieser kann Licht von einer Sendeeinheit umlenken, die bspw. seitlich vom optischen Element angeordnet ist.

Ferner kann im ersten Bereich entweder auf der zweiten Seite oder der ersten Seite die Sendeeinheit, bspw. ein optisches phasengesteuertes Array, angeordnet sein, der durch entsprechende Lichtkanäle Messpulse aussendet.

Dabei gilt es durch Anordnung des optischen phasengesteuerten Arrays und/oder der der Umlenkeinheit einen möglichst kleinen Bereich des optischen Elementes abzude cken.

Ferner kann das Umlenkelement oder die Sendeeinheit nicht direkt auf dem Träger angeordnet sein, sondern das Umlenkelement oder die Sendeeinheit können in Di ckenrichtung des Trägers vor der ersten Seite und in einem Abstand zu dieser oder vor der zweiten Seite und in einem Abstand zu dieser angeordnet sein.

Die Sendeeinheit und/oder das Umlenkelement können eine Mikrostruktur auf einer Oberfläche aufweisen, sodass die Phasenfront des erzeugten und ausgesandten bzw. umgelenkten Lichtes direkt optisch verändert werden kann.

Das optische Element mit den zwei Bereichen kann mit einem weiteren optischen Element mit einem Träger und einer Mikrostruktur Zusammenarbeiten. Dabei können beide optischen Elemente den gleichen Durchmesser aufweisen und parallel zueinan der angeordnet sein.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur optischen Distanz messung, wobei das Verfahren einen oben beschriebenen LIDAR-Sensor verwendet. Insbesondere umfasst das Verfahren das Abbilden von mittels einer Sendeeinheit er zeugter Messpulse und/oder reflektierter Messpulse mittels eines oben beschriebe nen optischen Elementes. Ferner kann das Verfahren eine Ermittlung der Lichtlaufzeit der reflektierten Messpulse und somit eine Bestimmung der Entfernung von Objek ten, an dem die Messpulse reflektiert wurden, umfassen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigen in rein schematischer Darstellung:

Figur 1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 2: eine Seitenansicht eines als Empfangsoptik ausgebildeten optischen Ele mentes des LIDAR-Sensors der Figur 1;

Figur 3: eine Seitenansicht eines als Sendeoptik ausgebildeten optischen Elemen tes des LIDAR-Sensors der Figur 1;

Figur 4: eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 5: eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 6: einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines optischen Elemen tes eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 7: einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines optischen Elemen tes eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 8: einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines optischen Elemen tes eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 9: eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;

Figur 10: eine Draufsicht auf die erste Seite des optischen Elementes der Figur 9;

Figur 11: eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors; und

Figur 12: eine Draufsicht auf die erste Seite des optischen Elementes der Figur 11. Bevorzugte Ausführungsformen

In Figur 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10 zu sehen, der eine Sendeeinheit 11 und eine Empfangseinheit 12 umfasst. Diese sind auf einem Halter 42 angeordnet. Der LIDAR-Sensor 10 umfasst zwei optische Elemente 13, und zwar eine Sendeoptik 40 zum Aussenden erzeugter Messpulse 44 und eine Emp fangsoptik 41 zum Empfangen reflektierter Messpulse 45. Die optischen Elemente 13, die jeweils von einem Objektivhalter 43 gehalten werden, umfassen jeweils einen Träger 14 und eine Mikrostruktur 16 (siehe Figuren 2 und 3). Die Sendeoptik 40 ist hinter der Sendeeinheit angeordnet, während die Empfangsoptik 41 vor der Emp fangseinheit 12 angeordnet ist.

In Figur 2 ist eine Seitenansicht des als Empfangsoptik 41 ausgebildeten optischen Elementes 13 des LIDAR-Sensors der Figur 1 dargestellt, wobei deutlich der Träger 14 mit einer ersten Seite 14a und einer zweiten Seite 14b zu sehen ist. Auf der ersten Seite 14a ist die Mikrostruktur 16 ausgebildet. Der Träger 14 ist als Plättchen ausge bildet, sodass die erste Seite 14a und die zweite Seite 14b (bis auf die Mikrostruktur) plan ausgebildet sind. Die Mikrostruktur 16 erstreckt sich in Dickenrichtung 15 des Trägers 14. Auf der zweiten Seite 14b weist der Träger 14 eine als Bandpassfilter aus gebildete Beschichtung 46 auf. Der Bandpassfilter ist somit in das optische Element 13 integriert.

Figur 3 zeigt eine Seitenansicht des als Sendeoptik 40 ausgebildeten optischen Ele mentes 13, ebenfalls umfassend einen Träger 14 und eine Mikrostruktur 16, die sich in Dickenrichtung 15 des Trägers 14 erstreckt. Auf der zweiten Seite 14b ist kein Bandpassfilter ausgebildet.

In Figur 4 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10 zu sehen, der bis auf die folgenden Unterschiede analog zu dem LIDAR-Sensor 10 der Figur 1 ausgebildet ist: Bei dem LIDAR-Sensor der Figur 4 ist nur die Empfangsoptik 41 als op tisches Element 13 ausgebildet. Die Empfangsoptik 41 kann nach Figur 2 ausgebildet sein. Die Sendeoptik 40 ist hingegen als Optik ohne Mikrostruktur 16 ausgebildet, bspw. als refraktive Linse. Figur 5 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10, der bis auf die folgenden Unterschiede analog zum LIDAR-Sensor 10 der Figur 1 ausgebildet ist: Im Gegensatz zum LIDAR-Sensor 10 der Figur 1 ist nur die Sendeoptik 40 als opti sches Element 13 ausgebildet, während die Empfangsoptik 41 als Optik ohne Mikro struktur 16 ausgebildet, bspw. als refraktive Linse, ausgebildet sein kann. Die Sendeo ptik 40 kann nach Figur 3 ausgebildet sein.

In Figur 6 ist ein Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines optischen Elementes 13 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10 gezeigt.

Es sind der Träger 14, und zwar dessen erste Seite 14a, und die darauf ausgebildete Mikrostruktur 16 zu sehen. Die Mikrostruktur 16 setzt sich in diesem Fall aus einer Vielzahl von Strukturelementen 23 zusammen, die sich säulenartig von der ersten Sei te 14a erheben. Die Höhe 22 ergibt sich als maximaler Höhenunterschied der Struktu relemente 23 im Vergleich zur ersten Seite 14a. Es handelt sich bei dem optischen Element 13 um eine Metalinse 13a. Die einzelnen Strukturelemente 23 fungieren als Lichtwellenleiter.

In Figur 7 ist ein Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines optisches Elementes

13 eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10 gezeigt, das als diffraktives optisches Element 13b ausgebildet ist.

Es umfasst einen Träger 14 und eine Mikrostruktur 16 die sich in Dickenrichtung 15 des Trägers 14 erstrecken. In Figur 7 ist eine erste zentrale Zone 25 sowie eine zweite, sich daran anschließende radiale Zone 26 zu sehen. Während sich in der ersten Zone 25 eine erste Stufe 31 der Mikrostruktur 16 in Dickenrichtung 15 erhebt, ist die Mikro struktur 16 in der zweiten Zone 26 nicht gegenüber der ersten Seite 14a des Trägers

14 erhaben. Es schließen sich weitere erste Zonen 25 und zweite Zonen 26 mit ent sprechenden ersten Stufen 31 in den ersten Zonen 25 abwechselnd an. Es ist eine bi näre Stufenlandschaft zur Beugung von Licht ausgebildet. Es ergibt sich eine Höhe 22 der Mikrostruktur 16, die dem maximalen Höhenunterschied, sprich der Höhe der ersten Stufe 31, entspricht.

Figur 8 zeigt ebenfalls einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines als dif fraktives optisches Element 13b ausgebildeten optischen Elementes 13 mit verschie- denen Zonen 24, also auch eine zweite Zone 26, eine dritte Zone 27 und eine vierte Zone 28. In der ersten Zone 25 befindet sich eine erste Stufe 31, in der zweiten Zone 26 eine zweite Stufe 32, in der dritten Zone 27 eine dritte Stufe 33 und in der vierten Zone 28 eine vierte Stufe 34. Insgesamt ist eine vierstufige Stufenlandschaft zur Beu gung einfallenden Lichtes ausgebildet. Die Höhe 22 der Mikrostruktur 16 ergibt sich als größter Höhenunterschied, und zwar hier zwischen der ersten Stufe 31 und der zweiten Stufe 32.

In Figur 9 ist eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10 gezeigt, der eine Empfangseinheit 12 und einen optischen phasengesteuerten Ar- ray 21, der die Sendeeinheit 11 bildet, aufweist. Der optische phasengesteuerte Array 21 ist direkt auf der ersten Seite 14a des Trägers 14 eines optischen Elementes 13 des LIDAR-Sensors 10 ausgebildet, und zwar in einem ersten zentralen Bereichs 29 des optischen Elementes 13. In einem zweiten radial äußeren Bereich 30 ist auf der ersten Seite 14a des Trägers 14 eine Mikrostruktur 16, und zwar eine erste Mikrostruktur 17, zum Empfangen reflektierter Messpulse 45 ausgebildet. Die erste Mikrostruktur 17 bildet empfangende Messpulse auf die Empfangseinheit 12 ab.

Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf die erste Seite 14a des optischen Elementes 13 der Figur 9, wobei deutlich der erste Bereich 29 und der zweite Bereich 30 zu sehen ist, wobei im ersten Bereich 29 der optische phasengesteuerte Array 21 und im zweiten Bereich 30 die Mikrostruktur 16 ausgebildet ist. Auf der Oberfläche des optischen phasengesteuerten Arrays 21 kann eine weitere Mikrostruktur angeordnet sein.

Figur 11 zeigt eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 10, der bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede analog zu dem LIDAR- Sensor der Figur 7 ausgebildet ist:

Statt einem optischen phasengesteuerten Array 21 ist auf der ersten Seite 14a des Trägers 14 des optischen Elementes 13 eine MEMS-Einheit 20, insbesondere ein MEMS-Spiegel, in Strahlenrichtung der erzeugten Messpulse vor dem optischen Ele ment 13 angeordnet, um erzeugte Messpulse einer Sendeeinheit 11 durch den ersten Bereich 29 zu lenken. Im ersten Bereich 29 ist auf der ersten Seite 14a eine zweite Mikrostruktur 18 ausgebildet, die unterschiedlich zur ersten Mikrostruktur 17 ist. Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf die erste Seite 14a des optischen Elementes 13 der Figur 11, mit dem ersten Bereich 29 mit der ersten Mikrostruktur 17 und dem zweiten radial äußeren Bereich 30 mit der zweiten Mikrostruktur 18.

Bezugszeichen

10 LIDAR-Sensor

11 Sendeeinheit

12 Empfangseinheit

13 optisches Element

13a Metalinse

13b diffraktives optisches Element

14 Träger

14a erste Seite

14b zweite Seite

15 Dickenrichtung des Trägers

16 Mikrostruktur

17 erste Mikrostruktur

18 zweite Mikrostruktur

20 MEMS-Einheit

21 optischer phasengesteuerter Array

22 Höhe

23 Strukturelemente

24 Zonen

25 erste Zone

26 zweite Zone

27 dritte Zone

28 vierte Zone

29 erster Bereich

30 zweiter Bereich

31 erste Stufe

32 zweite Stufe

33 dritte Stufe

34 vierte Stufe

40 Sendeoptik

41 Empfangsoptik Halter Objektivhalter erzeugte Messpulse reflektierte Messpulse als Bandpassfilter ausgebildete Beschichtung