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1. (WO2018228807) FILTEREINRICHTUNG FÜR EINEN OPTISCHEN SENSOR
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

Titel

Filtereinrichtung für einen optischen Sensor

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung für einen optischen Sensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Filtereinrichtung für einen optischen Sensor.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind zum Beispiel im Kraftfahrzeug- oder im Werkzeugbereich ferner Lidarsensoren in Form von sogenannten TOF-Sensoren (engl, time of flight) bekannt, die über einen Umlenkspiegel oder eine Transmissionsoptik Sendelicht in die Umgebung leiten und dabei reflektierte Strahlung erfassen.

Lidar-Sensoren werden für das autonome bzw. hochautomatisierte Fahren immer wichtiger. Neben Radar- und Videosensoren bieten sie eine weitere Möglichkeit der Umgebungserfassung. Sie basieren auf einem anderen Messprinzip und tragen somit bei einer Sensordatenfusion zur Sicherheit der gemessenen Datenpunkte bei. Meist haben Lidar-Sensoren ein Sichtfeld (engl, field-of-view), welches unterschiedliche Ausdehnungen in horizontaler und vertikaler Richtung aufweist. Für eine Funktionalität eines autonom fahrenden Fahrzeugs wird ein Sichtfeld benötigt, welches horizontal einen definierten Winkel abdeckt und vertikal einen definierten Winkel detektieren kann (ohne Justagetoleranzen). Beispielhafte Werte für die genannten Winkel sind: horizontal ca. 50°, vertikal ca. 9°.

Es kommen bei den genannten Lidar-Sensoren unterschiedlichste Systemkonzepte zum Einsatz (z.B. Mikrospiegel, Makrospiegel, scannend, rotierend, usw.). Einige dieser Konzepte verwenden empfangsseitig ein Objektiv, welches

das von den Objekten zurückgestreute Licht sammelt und auf einen Detektor abbildet. Falls die Empfangsoptik nicht mitbewegt wird, muss ein solches

Objektiv das gesamte Sichtfeld (inklusive Justagetoleranzen) auf den Detektor abbilden, wodurch Anforderungen an das Sichtfeld erhöht sein können.

Im Gegensatz zu konventionellen Optiken wird bei holografischen optischen Elementen, welche als Volumenhologramme realisiert werden, die Strahl-umlenkung nicht durch Brechung vorgegeben, sondern durch Beugung am Volumengitter. Die holografischen optischen Elemente lassen sich sowohl in Transmission als auch in Reflexion fertigen und durch die freie Wahl von Einfallsund Ausfalls- bzw. Beugungswinkel ermöglichen sie neue Bauformen. Das holografische Beugungsgitter wird dabei in eine Schicht aus lichtsensitivem Material (z.B. Fotopolymer, Silberhalogenid, usw.) belichtet. Diese ist auf einen

Brechungsindex-angepassten Träger (z.B. Folie, Glas, usw.) aufgetragen. Auch flüssige holografische Materialien sind denkbar, die z.B. bei einer Anwendung auf gekrümmten Oberflächen Vorteile haben.

Durch die Volumenbeugung kann den holografisch optischen Elementen zusätzlich noch eine charakteristische Wellenlängen- und Winkelselektivität oder auch Filterfunktion zugeordnet werden. Abhängig von der Aufnahmebedingung (Wellenlänge, Winkel) wird nur Licht aus definierten Richtungen und mit definierten Wellenlängen an der Struktur gebeugt. Die Abhängigkeit der Wellenlängenselektivität bei holografisch optischen Elementen von der Orientierung des holografischen Gitters oder auch der Ausrichtung und der Periodizität des Beugungsgitters von der Aufnahmebedingung ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt darin auf der x-Achse einen Verkippungswinkel eines holografischen Gitters und auf der y-Achse einen Abstand der Interferenzebenen der holografischen Gitter in Nanometer. Die Skalierung in Fig. 1 stellt die spektrale Selektivität (optisch aktiver Bereich) der Gitter dar. Abhängig vom Gittertyp (Verkippungswinkel und Abstand der Interferenzebenen) wird nur ein definierter Wellenlängenbereich an der Struktur gebeugt. Dieser Bereich stellt die Skalierung 20nm -180nm in Fig. 1 dar.

Die Winkel- und Wellenlängenselektivität der Volumenhologramme ist in den Figuren 2 und 3 für eine definierte Geometrie und definierte Materialeigenschaften dargestellt. Eine Breite des Bereichs, in dem sich die Wellenlänge des zum Abspielen des Hologramms genutzten Lichtes bewegen kann und die Größe des Winkelbereichs, unter dem der dazu genutzte Lichtstrahl relativ zur Ausrichtung der Gitterebenen einfallen kann, damit die Beugung wie gewünscht mit ausreichender Effizienz stattfindet, ist durch die Dicke der holografischen Schicht und der Brechungsindexmodulation vorgegeben. Licht einer anderen Wellenlänge oder eines anderen Einfallswinkels wird vom Hologramm nicht beeinflusst. Die Lage dieses Bandes aus beeinflussbaren Wellenlängen und Winkeln wird durch die Wellenlänge und den Einfallswinkeln der zur Hologrammaufnahme verwendeten Lichtstrahlen bestimmt. Diese Aufnahmeparameter werden in den Figuren 2 und 3 durch die Mittelachse (30° bzw. 450 nm) wiedergegeben.

Licht, welches aus Bereichen außerhalb des Sichtfelds kommt, trifft vereinfacht betrachtet nicht auf dem Detektor auf. Allerdings kann dieses Licht, wie in Fig. 4 angedeutet, ungewollte Pfade (z.B. Reflexionen an den Linsenrändern, Mehr-fachreflexionen zwischen Linsen, usw.) durch das Objektiv nehmen und somit trotzdem auf den Sensor gelangen. In diesem Zusammenhang spricht man von sogenannten„Geisterbildern".

Dieses Störlicht wird z.B. auch von der Sonne erzeugt und kann dadurch auch sehr hohe Intensitäten erreichen. Zusätzlich kann eine an sich bekannte Kaffee-tassenkaustik entstehen, die dazu führt, dass es Bereiche gibt, in denen sich das Licht konzentriert.

Es gibt dagegen zwar bekannte Abhilfemaßnahmen (z.B. Schwärzen der Linsen-ränder), wobei diese aber nur bedingt wirken und bei jeder kleinen Designänderung des Objektivs eine neue Geisterbildanalyse durchgeführt werden muss.

Offenbarung der Erfindung

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maßnahme zur Verbesserung eines optischen Sensors gegenüber Störlichteinflüssen bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Filtereinrichtung für einen optischen Sensor, aufweisend:

ein Hologramm mit einer definierten Anzahl von holografischen Funktionen, die derart ausgebildet sind, dass aus einem definierten ersten Raumwinkel auf das Filterelement auftreffende optische Strahlung von der Filtereinrichtung blockiert wird und dass aus einem definierten zweiten Raumwinkel auf die Filtereinrichtung auftreffende optische Strahlung die Filtereinrichtung passieren kann.

Auf diese Weise wird ein anisotroper holografischer Störlichtfilter für einen optischen Sensor bereitgestellt, der Störlicht aus definierten Richtungen in einem definierten Ausmaß abblockt. Vorteilhaft gelangt dadurch weniger Störlicht auf einen Detektor des optischen Sensors, wodurch ein besseres Signal/Rauschverhältnis erreicht wird und dadurch für den Sensor größere Reichweiten und/oder ein höheres Auflösungsvermögen realisierbar sind. Vorteilhafterweise ist die Filtereinrichtung unabhängig von einem spezifisch vorgegebenen

Optikdesign und kostengünstig realisierbar, da holografische Folien verwendet werden können. Vorteilhafterweise kann das holografische optische Design auf definierte Sichtfelder bzw. Raumwinkel der Filtereinrichtung ausgelegt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Filtereinrichtung für einen optischen Sensor, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines Hologramms mit einer definierten Anzahl von

holografischen Funktionen, wobei die holografischen Funktionen derart ausgebildet sind, dass aus einem definierten ersten Raumwinkel auf die Filtereinrichtung auftreffende optische Strahlung von der Filtereinrichtung blockiert wird und dass aus einem definierten zweiten Raumwinkel auf die Filtereinrichtung auftreffende optische Strahlung die Filtereinrichtung passieren kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Filtereinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Filtereinrichtung als ein Volumenhologramm ausgebildet ist. Dadurch ist eine einfache Realisierung von mehreren holografischen Funktionen für die

Filtereinrichtung unterstützt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Volumenhologramm mehrere Schichten aufweist, wobei jede Schicht mindestens eine holografische Funktion aufweist. Im Ergebnis wird dadurch pro Hologramm eine vereinfachte optische Funktion bereitgestellt, wobei die gesamte holografische Funktion mittels eines Laminierens der einzelnen

Schichten erreicht wird. Durch holografisches Multiplexing können auch mehrere optische Funktionen in einer Schicht gespeichert werden, wobei auch eine Kombination aus beidem denkbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Volumenhologramm eine definierte Anzahl von mehreren holografischen Funktionen pro Schicht aufweist. Auf diese Weise werden mittels eines bekannten Multiplexing-Verfahrens mehrere Hologramme in einer Schicht bereitgestellt, wodurch ein Multiplexing-Hologramm bereitgestellt wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die holografischen Materialien polymerbasierte Materialien sind. Auf diese Weise werden vorteilhaft gute Umwelteigenschaften und eine Wärmeun-empfindlichkeit der Vorrichtung realisiert, die in rauen KFZ-Umgebungen vorteil-haft 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.

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 Übersicht-lichkeit 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 die

Vorrichtung zur Detektion von monochromatischer Strahlung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zur Detektion von monochromatischer Strahlung ergeben und umgekehrt.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wellenlängenselektivität von Reflexionshologrammen mit unterschiedlichen Ausführungen des holografischen Beugungsgitters;

Fig. 2 u. 3 eine Darstellung einer Winkel- und Wellenlängenselektivität eines holografischen optischen Elements in Reflexion mit definierter Aufnahmegeometrie;

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung eines Geisterbildes bei einem 4- linsigen Lidar-Objektiv;

Fig. 5 eine Draufsicht einer vorgeschlagenen Filtereinrichtung;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer vorgeschlagenen Filtereinrichtung;

Fig. 7 u. 8 optische Funktionen einer vorgeschlagenen Filtereinrichtung;

Fig. 9 und 10 Beugungscharakteristiken der vorgeschlagenen Filtereinrichtung für eine definierte Nutzwellenlänge unter Variation des

Rekonstruktionswinkels Θ in vertikaler Richtung;

Fig. 1 1 eine Filterwirkung für ein komplettes Sichtfeld und eine

Segmentierung des horizontalen Sichtfelds aufgrund der in Fig. 10 dargestellten Beugungscharakteristik bei schrägem

Strahlungseinfall auf die Filtereinrichtung; und

Fig. 12 u. 13 eine Winkeldefinition einer Hologrammaufnahme in vertikaler und in horizontaler Richtung.

Beschreibung von Ausführungsformen

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, für einen optischen Sensor für monochromatische Strahlung einen anisotropen Störlichtfilter bereit zu stellen.

Vorgeschlagen wird ein anisotroper holografischer Störstrahlungsfilter. Optische

Strahlung, die von außerhalb des Sichtfelds auf den Störstrahlungsfilter auftrifft, wird von diesem weitestgehend bzw. in einem definierten Ausmaß abgelenkt bzw. geblockt und kann somit nicht in ein Objektiv des optischen Sensors gelangen und wenn, dann nur in vorteilhaft stark gedämpfter Form.

Ein optischer Sensor umfasst, wie in den Figuren 5 und 6 schematisch dargestellt, ein Detektionselement 10, das auf einer ersten Oberfläche 21 eines Objektivs 20 angeordnet ist. Auf dem Objektiv 20 ist auf einer zweiten Oberfläche 22 eine vorgeschlagene Filtereinrichtung 30 angeordnet, welche aus einem Raumwinkel bzw. Sichtfeld 40 auf die Filtereinrichtung 30 auftreffende optische

Strahlung im Wesentlichen vollständig reflektiert bzw. beugt. Fig. 5 zeigt die Anordnung mit dem optischen Sensor und der Filtereinrichtung 30 in einer Draufsicht und Fig. 6 in einer Seitenansicht.

Erkennbar ist, dass die Filtereinrichtung 30 ein unsymmetrisches Sichtfeld FOV aufweist, das in der Draufsicht (Fig. 5) anders ausgebildet ist als in der Seitenansicht (Fig. 6). Dabei umfasst das horizontale Sichtfeld FOVhori einen definierten Winkelbereich (beispielsweise von ca. 50° bis ca. 120°), der damit deutlich größer ist als ein Winkelbereich (beispielsweise von ca. 9° bis ca. 16°) eines vertikalen Sichtfelds FOVvert.

Damit Störstrahlung von außerhalb des genutzten Sichtfelds FOV nicht in das Objektivelement 20 gelangen kann, wird eine anisotrope, d.h. eine im horizontalen Sichtfeld FOVhori und im vertikalen Sichtfeld FOVvert unterschiedlich filternde holografische Filtereinrichtung 30 auf einer Oberfläche 22 des Objektivelements

20 angeordnet. Dies ermöglicht es, dass aus dem Raumwinkel 40 einfallende optische Strahlung nicht in das Objektiv 20 gelangt. Dazu ist die verwendete holografische optische Funktion der Filtereinrichtung 30 derart ausgebildet, dass die Winkel, für die die Reflexion (realisiert durch Beugung) stattfindet, horizontal und vertikal unterschiedlich sind. Vorzugsweise werden für die Filtereinrichtung

30 Volumenhologramme genutzt, die eine sehr hohe Beugungseffizienz

(theoretisch bis zu 100 %) erreichen können. Das Sichtfeld FOVhori, FOVvert wird durch die holografische optische Funktion der Filtereinrichtung 30 nicht gestört.

In Fig. 7 und 8 ist die optische Funktion bzw. der optische Pfad der anisotropen holografischen Filtereinrichtung 30 dargestellt. Um das Licht außerhalb des vertikalen Sichtfelds FOVvert abzulenken, benötigt man für die Filtereinrichtung 30 zwei optische holografische Funktionen HOE1 , HOE2. Diese können entweder durch holografisches Multiplexing in einer einzelnen Schicht oder durch Erzeugung eines Schichtstapels mit mehreren holografischen Schichten erzeugt werden. Im dargestellten Beispiel von Fig. 7 wird eine Störstrahlung ST oberhalb des vertikalen Sichtfelds FOVvert durch die holografische Funktion HOE1 der Filtereinrichtung 30 in eine ähnliche Richtung zurück gelenkt. Für den Winkelbereich unterhalb des vertikalen Sichtfelds FOVvert übernimmt dies die optische holografische Funktion HOE 2 der Filtereinrichtung 30.

Die berechnete Beugungscharakteristik der anisotropen holografischen

Filtereinrichtung 30 ist am Beispiel der holografischen Funktion HOE1 der Filtereinrichtung 30 in Fig. 9 dargestellt. Die Figur zeigt bei einem horizontalen Rekonstruktions- bzw. Reflexionswinkel 0° eine Charakteristik der Rekon-struktionswellenlänge der Störstrahlung in nm über einem Verlauf des vertikalen

Rekonstruktionswinkels in Grad. Eine Effizienz der Reflexion bzw. Beugung aufgrund der holografischen Funktion HOE1 ist anhand eines Grauschemas angedeutet. Dabei wurden die Winkel bei der holografischen Funktion HOE1 so definiert, dass ein Störstrahlungsstrahl mit einem Einfallswinkel von 50° zur Normalen in einen Winkel von 40° zur Normalen (und umgekehrt) gebeugt wird.

Für die Berechnung wurde eine beispielhafte Aufnahmewellenlänge der

Strahlung von 970 nm definiert, wobei der Einfallswinkel zur Normalen in vertikaler Richtung und die Rekonstruktionswellenlänge variiert wurden.

Man kann in der Fig. 9 einen Bereich bzw. ein Band erkennen, in welchem die holografische Funktion HOE1 mit sehr hoher Effizienz Strahlung einer definierten Wellenlänge beugt. Die Lage des Bandes wird durch die Aufnahmewellenlänge bzw. die Wellenlänge der elektromagnetischen Nutzstrahlung vorgegeben. Die Breite des Bandes hängt von den Materialparametern der holografischen Schicht (z.B. Schichtstärke und Brechungsindexmodulation) ab. Erkennbar ist, dass die holografische Funktion HOE1 innerhalb des vertikalen Sichtfelds FOVvert zwischen 0° und ca. 9° inaktiv ist.

Um den Raumwinkel der Störstrahlung sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung abzudecken, wird das Sichtfeld FOV der Filtereinrichtung

30 vorzugsweise in mehrere Segmente unterteilt, was schematisch in Fig. 1 1 dargestellt ist. Die Fig. 1 1 stellt das Sichtfeld FOV von vorne dar, wobei Bereiche 40 außerhalb des Sichtfelds FOV mit insgesamt sechs holografischen

Funktionen HOE1.1 , HOE1 .2, HOE1 .3, HOE2.1 , HOE2.2 und HOE2.3

(„Unterhologramme") bearbeitet werden.

Dabei ist jede der genannten sechs holografischen Funktionen jeweils über die gesamte Oberfläche der Filtereinrichtung 30 angeordnet. Man erkennt, dass die anisotrope Filterfunktion der Filtereinrichtung 30 umso selektiver wird, je mehr holografische Funktionen darin ausgebildet sind. Es hat sich herausgestellt, dass die Filtereinrichtung 30 wenigstens vier unterschiedliche holografische

Funktionen HOE1 ...HOE4 aufweisen sollte, um optische Störstrahlung in Bereichen 40 außerhalb des Sichtfelds FOV effektiv abzublocken.

Bei der Aufnahme der Hologramme wird eine Referenzwelle mit einer Objektwelle interferiert. Dies ist schematisch in der Seitenansicht von Fig.12 und der Draufsicht von Fig. 13 dargestellt, wobei erkennbar ist, dass die Strahlen sowohl in vertikaler Richtung zur Normalen 9Ref, Oobj als auch in horizontaler Richtung zur Normalen cpRef, c obj verkippt werden. Bei schrägem Einfall (d.h. cpRekonstmktion + c Ref, cpobj) verändert sich die Beugungscharakteristik der Volumenhologramme.

Für einen Rekonstruktions- bzw. Reflexwinkel c Rekonstmktion = cpRef + 30° ergibt sich für das vertikale Sichtfeld FOVvert die in Fig. 10 dargestellte Beugungscharakteristik. Dabei ist erkennbar, dass sich das Band im Vergleich zu der in Fig. 9 dargestellten Beugungscharakteristik bei c Rekonstmktion = cpRef zu kleineren

Wellenlängen hin verschiebt. Sind die Anforderungen an das System hoch (z.B. betreffend Temperaturbereich, Genauigkeit, usw.), steigt die Zahl der Unterhologramme der Filtereinrichtung 30. Diese Unterhologramme können entweder durch holografisches Multiplexing in ein holografisches Volumen eingeschrieben werden, oder aber durch Bildung eines Stapels aus mehreren aufeinander laminierten holografischen Schichten.

Vorzugsweise werden für die Filtereinrichtung 30 holografische Polymermaterialien bzw. polymerbasierte Materialien verwendet, die günstige

Eigenschaften bei einer Verwendung im Kraftfahrzeugbereich aufweisen, da sie gegenüber dort herrschenden Umwelteinflüssen (z.B. Temperatur-, Feuchtigkeitsschwankungen, usw.) sehr widerstandsfähig sind.

Durch Multiplexing können in eine Schicht eines holografischen Materials mehrere optische Funktionen eingeschrieben werden. Wie viele Hologramme in ein holografisches 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 holografische, 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.

Vorteilhaft kann der mit der vorgeschlagenen Filtereinrichtung versehene optische Sensor zum Detektieren von monochromatischer Strahlung als ein Lidar-Sensor oder als ein Time-of-Flight- Sensor ausgebildet werden.

Es versteht sich von selbst, dass sämtliche vorgehend genannten Zahlenwerte (z.B. betreffend Winkel, Sichtfelder, usw.) lediglich beispielhaft sind.

Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.