用于检测对象的光电传感器和方法
阅读：433发布：2020-05-12
专利汇可以提供用于检测对象的光电传感器和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 涉及用于检测对象的光电 传感器 和方法。提供了用于检测监测区域(18)中的对象(20)的 光电传感器 (10)，该传感器具有：光发射器(12)，其用于发出 波长 范围的发射光(16)； 光接收器 (32)，其用于从在对象(20)上漫反射的发射光(22)生成接收 信号 ；布置在光接收器(32)上游的接收光学器件(24)，该接收光学器件至少具有用于聚焦被漫反射的发射光(22)的第一光学元件(26)、用于减小入射 角 的第二光学元件(28)和光学 滤波器 (30)，该光学滤波器被调谐到波长范围以用于抑制外来光；以及评估单元(34)，其被设计成从接收信号生成对象信息。在此，第二光学元件(28)具有光散射特性。，下面是用于检测对象的光电传感器和方法专利的具体信息内容。
1.一种用于检测监测区域(18)中的对象(20)的光电传感器(10)，具有：光发射器(12)，其用于发出波长范围的发射光(16)；光接收器(32)，其用于从在所述对象(20)上漫反射的发射光(22)生成接收信号；被布置在所述光接收器(32)上游的接收光学器件(24)，所述接收光学器件至少具有用于聚焦被漫反射的发射光(22)的第一光学元件(26)、用于减小入射角的第二光学元件(28)和光学滤波器(30)，所述光学滤波器被调谐到所述波长范围以用于抑制外来光；以及评估单元(34)，其被设计成从所述接收信号生成对象信息，其特征在于，
所述第二光学元件(28)具有光散射特性。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中所述光接收器(32)具有多个光接收元件(32a)，特别是盖革模式的雪崩光电二极管元件。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中所述第二光学元件(28)具有非成像特性。
4.根据权利要求3所述的传感器(10)，其中沿着穿过所述第二光学元件(28)的直径的轮廓线具有至少一个类似弯折的坡度变化，特别是在中心具有至少一个类似弯折的坡度变化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述第二光学元件(28)具有负锥体的形状。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述第二光学元件(28)在曲率半径和锥形常数的参数化中具有小于-2的锥形常数的值。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器(10)，其中所述第二光学元件(28)在作为奇次非球面的参数化中具有非零的线性分量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述第二光学元件(28)被设计为微型元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述光接收器(32)与所述第二光学元件(28)之间的距离仅在所述光接收器(32)的光敏面的大小的量级中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述光学滤波器(30)是带通滤波器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述光学滤波器(30)被布置在所述第二光学元件(28)的背面或所述光接收器(32)上，特别是作为涂层被布置在所述第二光学元件(28)的背面或所述光接收器(32)上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述评估单元(34)被设计用于根据发射所述发射光(16)与接收所述被漫反射的发射光(22)之间的光飞行时间来确定所述对象(20)的距离。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，所述传感器被设计为激光扫描仪，并且为此具有可移动的偏转单元以用于周期性地偏转所述监测区域(18)中的所述发射光(16、22)。
14.一种用于检测监测区域(18)中的对象(20)的方法，其中，发出波长范围内的发射光(16)，在所述对象(20)处漫反射之后，通过接收光学器件(24)再次接收为被漫反射的发射光(22)并且转换成接收信号，以便从所述接收信号生成对象信息，其中所述接收光学器件(24)利用第一光学元件(26)聚焦所述被漫反射的发射光(22)、利用第二光学元件(28)减小所述被漫反射的发射光(22)的入射角、并且利用被调谐到所述波长范围的光学滤波器(30)抑制外来光，
其特征在于，
所述第二光学元件(28)通过光散射特性减小所述入射角。
用于检测对象的光电传感器和方法
[0002] 许多光电传感器根据扫描原理工作，其中光束被发射到监测区域中，并且被对象反射回来的光束被再次接收，以便随后电子地评估接收信号。在此，光飞行时间通常用已知的相位法或脉冲法测量，以确定被检测的对象的距离。这种类型的距离测量也被称为ToF(飞行时间(Time of Flight))或LIDAR(光探测和测距(Light Detection and Ranging))。
[0003] 为了扩大测量区域，可以如同在激光扫描仪中进行的那样移动扫描光束。在激光扫描仪中，由激光器生成的光束借助偏转单元周期性地扫过监测区域。除了测量到的距离信息之外，还从偏转单元的角位置推断出对象的角位置，并从而检测到监测区域中的对象在二维极坐标中的位置。在大多数激光扫描仪中，扫描移动是通过旋转镜来实现的。然而，替代于此还已知的是，如在DE 197 57 849 B4中所描述的，可以旋转具有光发射器和光接收器的整个测量头。
[0004] 为了还可以检测到低的接收强度，通常在一些光电传感器中使用雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)。在这里，入射光触发受控的雪崩击穿(雪崩效应(Avalanche Effect))。由此，由入射光子产生的带电粒子倍增，并且产生光电流，该光电流与光接收强度成比例但远大于简易PIN二极管的光电流。通过以所谓的盖革模式工作的雪崩光电二极管(SPAD，单光子雪崩二极管)实现更高的灵敏度。在此，雪崩光电二极管偏压高于击穿电压，使得由单个光子释放的单个带电粒子就已经可以触发不再受控的雪崩，该雪崩由于高场强而随后收回所有可用的带电粒子。因此，如同所命名的盖革计数器一样，雪崩光电二极管对单一事件计数。这些SPAD不仅高度敏感，而且还相对成本低廉。此外，这些SPAD用少的耗费就可以集成在电路板上。具有1mm或更大的相对大的横向尺寸的SPAD是可获得的，在图像传感器具有大量SPAD的情况下尺寸还更大，并且仍然具有高模拟带宽。
[0005] 在大多数情况下，特别是在距离测量中，传感器必须可以区分有效光(例如，自身的或相关联的光发射器的光)与周围环境光或其他光源的干扰。根据应用，例如在特别明亮的周围环境中，在漫反射(remittieren)差的目标对象或大的测量距离的情况下，这在有效光水平极低时可能是非常苛刻的任务。
[0006] 已知的对策是用抑制侧向入射的外来光的光阑(Blende)来缩窄视野。例如，从EP 2 910 969已知，在具有盖革模式的雪崩光电二极管的光接收器前面将光阑定位在接收透镜的远焦平面中，并且在光阑和光接收器之间布置光学漏斗形元件(Trichterelement)。这确保了在空间上屏蔽外来光和光接收器上有利的均匀的光分布。作为机械光阑的可替代方案，EP 3 339 887 A1提出了一种类型的电子光阑，该电子光阑根据给定的空间模式有针对性地调节特定SPAD的灵敏度。
[0007] 外来光也可以在光谱上被抑制。为此，使用光学带通滤波器，该光学带通滤波器被调谐到发射光的波长，并确保在宽带外来光(例如，太阳光)的情况下明显改善信噪比。在不衰减有效光的情况下执行带通滤波器的带宽越窄，优势越大。
[0008] 图10示出了具有接收透镜102、光学带通滤波器104、光阑106和光接收器108的接收路径的已知的解决方案。带通滤波器104通常被实施为平面玻璃基板上的电介质涂层。但光谱滤波边缘(Filterkante)取决于入射角。对于660nm的红光，如果入射角从0°增加到40°，则这种结构类型的市售带通滤波器将其滤波边缘移位大约55nm。
[0009] 现在，带通滤波器104可以在平行光路中被定位在接收透镜102附近。因此，相关的入射角小，并且滤波边缘可以被实施为非常窄。然而为此，带通滤波器104应具有大的机械尺寸并且因此非常昂贵。可替代地，带通滤波器104可以被放置在光接收器108附近。在那里，光束在几何上已经非常小，因此可以使用相应小且成本低廉的带通滤波器104。然而为此，带通滤波器104上的入射角变大。这是由于接收透镜102的孔径比大，该接收透镜有针对性地将尽可能短距离处的尽可能大的接收面聚焦到光接收器108上，从而保持短的接收路径并且允许小的传感器结构。光束发散角一定在±30°或甚至±40°之内，因此上述滤波边缘移位55nm的数例是符合实际的。
[0010] 原则上，可替代方案是，带通滤波器104不借助电介质涂层来实现，而是使用有色玻璃。光谱滤波边缘则保持成与入射角无关。然而，出于环境可持续发展的原因，应尽可能避免这种含有重金属的有色玻璃。
[0011] DE 10 2015 224 715 A1公开了一种用于距离测量的传感器元件，该传感器元件具有位于光传感器前面的会聚透镜，该会聚透镜被设计为长通滤波器。具体来说，该传感器元件是通过给会聚透镜着色实现的，但却没有指出已提到的缺点。此外，滤波效果比带通滤波器差，因为长波外来光成分仍然可以通过。
[0012] US 4 106 855示出了一种具有透镜元件的光学系统，该透镜元件具有球形表面，该球形表面具有集成的窄带带通滤波器。透镜元件本身和其他光学布置用作普通光扫描仪中的接收光学器件过于复杂。
[0013] US 2017/0289524 A1描述了一种用于检测距离信息的光学系统。普通的接收透镜将光聚焦到多个机械光阑上，在这些机械光阑后面分别安置小的会聚透镜，该会聚透镜使光准直，经准直的光随后穿过光学带通滤波器入射到光接收器的相应像素上。更确切地说，小的会聚透镜减小入射角，使得光学带通滤波器可以在期望的波长范围内起作用。然而，由于到像素的距离短，这些小的会聚透镜应具有相对大的成像区域(Bildfeld)。这不可避免地导致图像变得不清晰，因为单个会聚透镜不能在大的成像区域上提供清晰的成像。
[0014] US 4 184 749公开了一种由球形透镜元件和同心弧形的透镜元件组成的装置，该同心弧形的透镜元件在其外侧上也具有同心弧形的窄带带通滤波器。该装置的任务在于接收来自大视场的光并将其散射，使得光束径向地离开同心的透镜元件，从而垂直地穿透弧形的带通滤波器。为了实现具有带通滤波器的透镜元件，必须高耗费地涂覆宏观上弯曲的盘，这阻碍了有竞争力的制造成本。该装置也仅用于大的图像平面，并且因此也用于大的光接收器。该装置不是为普通光扫描仪的常见光接收器或像素设计的，并且因此不适合这种情况。
[0015] 因此，本发明的任务在于用光学滤波器来改善外来光抑制。
[0016] 该任务通过根据权利要求1或14的用于检测监测区域中的对象的光电传感器(特别是光扫描仪)和方法来解决。光发射器生成特定波长范围的、优选窄波长范围的发射光(Sendelicht)。发射光在其至少部分地在监测区域中被对象反射回来之后被再次接收为被漫反射的发射光。评估光接收器的相应的接收信号，以便获得关于对象的光学可检测的信息，例如二元的存在信息、位置或颜色。
[0017] 在被漫反射的发射光的接收路径中，接收光学器件被布置在光接收器前面，该接收光学器件具有用于聚焦的第一光学元件(例如，主透镜或接收透镜，还可以是反射装置或具有多个透镜的物镜)。第二光学元件限定入射角，也就是使入射的光束彼此对齐，使得这些光束彼此更加平行地延伸。光学滤波器被调谐到光发射器的波长范围，以便尽可能仅允许被漫反射的发射光通过并屏蔽其光谱以外的外来光。第二光学元件确保被漫反射的发射光以限定的光束角发散度入射到光学滤波器上。优选地，第一光学元件、第二光学元件和光学滤波器以此顺序布置在被漫反射的发射光的入射方向上。
[0018] 本发明基于形成散射光的第二光学元件的基本思想。在透镜作为第二光学元件的情况下，该第二光学元件是具有负焦距并且优选地短焦距的散射透镜。然而，下文描述了优选的实施方式，其中第二光学元件不是实际的透镜，而是非成像的。特别地，光散射特性可以这样表达，即第二光学元件的边缘比中间厚，例如凹透镜就是这种情况。
[0019] 如果想象透过第二光学元件观察光接收器，则由于光散射特性，光接收器好像比实际要小，例如虚拟图像只有它的一半大小或者甚至更小。在这种情况下，尽管第二光学元件特别是非成像的，但仍使用基于凹透镜的术语虚拟图像。现在，大接收透镜的光束朝向这种明显缩小的虚拟图像射去，因此，视场仅与假想较小的光接收器的视场一样大。同时，在聚焦的第一光学元件之后仍然会聚的光束在第二光学元件后面仍仅以显著减小的角度朝向光接收器射去。
[0020] 本发明的优点在于，光学滤波器可以被更窄地调谐到光发射器的波长范围并从而可以实现明显更好的外来光抑制。由于第二光学元件的特性及其对入射角的更强抑制，光学滤波器的角度依赖性减小或根本无效。第二光学元件充当虚拟光阑，更准确地说是充当虚拟场光阑，不再需要附加的机械光阑组件。因此，外来光在空间和光谱上减少。由此，改善了信噪比，并且最终例如通过增加有效范围或更精确的测量值改善了传感器的性能。
[0021] 优选地，光接收器具有多个光接收元件，特别是盖革模式的雪崩光电二极管元件或SPAD。多个光接收元件可以实现为分立式的或集成的像素，并且可以选择性地用于空间分辨率或组合评估。特别是在SPAD的情况下，统计学上的共同评估是有利的，该评估共同考虑或叠加多个SPAD的接收信号。
[0022] 优选地，第二光学元件具有非成像特性。如上所述，第二光学元件在该优选实施方式中不是传统的散射透镜，而是被形成为非成像的。由于可能的类轴锥镜(Axicon- )构型，这种第二光学元件可以被称为散射轴锥镜。这种类型的第二光学元件应仅清晰地成像光接收器的边缘，更准确地说是其光敏面或相应像素的边缘。在这些边缘之间的内部中发生非成像的重新分布。通过接受这种失真和模糊，在接收路径中仅使用单一的第二光学元件就能应对，在其他情况下对于清晰成像而言，将需要物镜类型的多重布置。
[0023] 优选地，沿着穿过第二光学元件的直径的轮廓线具有至少一个类似弯折的坡度变化，特别是在中心具有至少一个类似弯折的坡度变化。因此，第二光学元件明显不同于凹透镜，在凹透镜中，相应的轮廓线仅平滑且缓慢地改变坡度。对于第二光学元件而言，弯折部在不可微分部位的意义上的极限情况不是必需的，但是坡度的非常突然和强烈的变化是必需的，该变化导致明显的边缘或尖端。对于第二光学元件的优选旋转对称的设计方案而言，类似弯折的坡度变化可以位于中心。
[0024] 优选地，第二光学元件具有负锥体的形状。锥体是示例的几何形状，其尖端上存在实际上不可微分的部位。然而，为简化生产，一定程度的圆化是容许的。锥体被称为负的，因为第二光学元件本身不是锥形的，而是更确切地说具有相应的凹部。因此，第二光学元件是锥体的补充部，该椎体例如从具有相同底面的圆柱体中切出。锥曲面(Kegelmantel)的径向曲率导致同样可设想的双腹形状。
[0025] 优选地，第二光学元件在曲率半径为1/c且锥形常数为k的参数化中具有锥形常数k<-2的值。该参数化在关于附图的描述中更详细地描述。与之相比，在球面透镜中k＝0，而在非球面透镜中|k|<2。
[0026] 优选地，第二光学元件在作为“奇次非球面”的参数化中具有非零的线性分量。这种参数化也将在后文详细讨论。在“奇次非球面”中，z轮廓被展开为半径为r的多项式，并且可以将奇数多项式量值看作与“偶次非球面”相反(und die ungeradenwerden im Gegensatz zu einer“Even Asphere”beachtet)。在这里，对于第二光学元件，要求线性分量r1＝r的系数β1不为零。因此，这不仅意味着在公差等意义上的非常接近于零的边际分量，还意味着β1的真实显著的量值，该量值决定性地连同影响第二光学元件的光学特性。
[0027] 优选地，第二光学元件被设计为微型元件。因此，也仅需要非常小的光学滤波器。微型元件特别适用于多个光接收元件或像素的情况，然后为这些光接收元件或像素分别分配第二光学元件。
[0028] 优选地，光接收器与第二光学元件之间的距离仅在光接收器的光敏面的大小的量级中。因此，这意味着，在光接收器的光敏面的边长为d时，第二光学元件具有最大距离为n*d，其中n≤10或甚至n≤5或n≤1，其中后一种情况意味着第二光学元件比其相对的边缘更靠近光接收器的边缘。因此，第二光学元件被布置成紧邻在光接收器的前面。在有多个光接收元件的情况下，距离不在光接收器的量级中，而是在单个光接收元件的量级中。优选地，第二光学元件与光接收器微机械地连接并且由此被适当地校准。
[0029] 优选地，光学滤波器是带通滤波器。也就是该带通滤波器可以阻断小波长和大波长的外来光。根据本发明，带通滤波器可以是特别窄带的，例如宽度为至多50nm至至多80nm或100nm。不必维持倾斜入射的光的容许波长范围，或者在任何情况下都可以比常规的波长范围明显小。
[0030] 优选地，光学滤波器被布置在第二光学元件的背面或光接收器上，特别是作为涂层被布置在第二光学元件的背面或光接收器上。因此，光学滤波器可以非常低成本地且节省空间地制造。由于第二光学元件的特性，在用电介质层压制 光学滤波器的情况下，角度依赖性大大降低，因此，不需要与角度无关的滤波器(例如，具有有问题的重金属的有色玻璃)，尽管这在技术上是可以设想的，甚至是与涂层结合。优选地，第二光学元件的背面是平面的，其中仍然可设想一定的弯曲度来支持正面的光学效果，并且涂层仍然是允许的。作为对第二光学元件的背面的涂层的替代或除了第二光学元件的背面的涂层，可以设想在光接收器上或在其光接收元件或像素上的涂层。
[0031] 优选地，评估单元被设计用于从发出发射光与接收被漫反射的发射光之间的光飞行时间来确定对象的距离。因此，产生测距传感器。特别是在有效范围大、周围环境光多和/或暗对象漫反射差的情况下，有效光的分量通常非常低，使得光飞行时间法极大地受益于改善的外来光抑制。
[0032] 优选地，传感器被设计为激光扫描仪，并且为此具有可移动的偏转单元以用于周期性地偏转监测区域中的发射光。通过这种方式，与一维光扫描仪相比，监测区域显著扩大，即扩大到角度范围高达360°的扫描平面，并且在有附加的仰角偏转和/或使用在仰角方面偏移的多个扫描光束的情况下，甚至扩大到三维空间区域。优选地，激光扫描仪使用光飞行时间法来进行距离测量，并从而在考虑发出发射光的相应角度的情况下在扫描平面内或者甚至在空间中生成3D测量点。
附图说明
[0034] 下面还基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点更详细地进行阐述。在附图中：
[0035] 图1示出了光电传感器的示意图；
[0036] 图2示出光学传感器的接收路径的示意图；
[0037] 图3a示出了在光接收器前面的接收路径中的双腹散射光学元件处的示例光路；
[0038] 图3b示出了根据图3a的光路在光接收器上的光斑的图示；
[0039] 图4a示出了类似于图3a的示例光路，当前光路在光接收器前面的接收路径中的锥形散射光学元件处；
[0040] 图4b示出了根据图4a的光路在光接收器上的光斑的图示；
[0041] 图5a示出了作为参考的在没有散射光学元件的情况下接收光在光学滤波器上的角度分布；
[0042] 图5b示出了在具有散射光学元件的情况下接收光在光学滤波器上的改善的角度分布；
[0043] 图6a示出了具有相应的散射光学元件的分立式光接收元件的多重布置；
[0044] 图6b示出了具有相应的散射光学元件的集成式光接收元件的多重布置；
[0045] 图7示出了与光接收器微机械连接的散射光学元件的布置；
[0046] 图8示出了具有圆化边缘的散射光学元件的图示；
[0047] 图9a示出了在与光接收器有明显距离的散射光学元件处的示例光路；
[0048] 图9b示出了在紧邻光接收器的散射光学元件处的示例光路；以及
[0049] 图10示出了根据现有技术的光学传感器的接收路径的示意图。
[0050] 图1示出了光电传感器10的示意性剖视图。光发射器12(例如，激光器或LED)经由发射光学器件14将发射光16发射到监测区域18中。优选地，光发射器12具有激光光源，特别地，具有VCSEL激光器或边缘发射器形式的半导体激光器，但也可以具有其他激光器，诸如光纤激光器。因此，发射光16的波长范围可以被限定得非常窄。使用的光波长通常在200nm和2000nm之间，特别是660nm、850nm、900nm和1550nm。
[0051] 如果发射光16在监测区域18中入射到对象20上，则光的一部分作为漫反射的发射光22返回至传感器10并且在该传感器处被接收光学器件24会聚到光接收器32上，该接收光学器件24具有接收透镜26、散射光学元件28和光学滤波器30。下文将参考图2至图9更详细地阐述接收光学器件24的结构和功能。光接收器32例如是PIN二极管、APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)或单光子APD(SPAD、Single-Photon APD、盖革模式的雪崩光电二极管)或它们的多重布置。
[0052] 评估单元34控制光发射器12并评估光接收器32的接收信号，以便获得对象20的光学可检测的信息，例如二元的存在确定、对象位置或颜色。优选地，评估单元34通过三角测量或光飞行时间法来确定对象20的距离。在此采用的光飞行时间法可以是单脉冲法或多脉冲法，但还可以是相位法，并且本身是已知的。
[0053] 根据图1的传感器10的基本结构仅被理解为示例性的。可以设想其他布置，例如是同轴结构而不是双轴结构以及与一维光扫描仪(特别是激光扫描仪)不同的传感器类型。
[0054] 图2再次放大地示出了根据图1的接收路径和接收光学器件24。接收透镜26是具有尽可能的大孔径和短焦距的会聚透镜，以便能够实现传感器10的小结构。也可以设想多个透镜或物镜以及可替代的反射结构来代替单个透镜。
[0055] 在这里，散射光学元件28被设计为具有负焦距的散射透镜，优选地被设计为微透镜。该散射光学元件28可以由玻璃或塑料制成，因为当直接布置在光接收器32的附近时，塑料的热膨胀和折射率变化不再重要。
[0056] 散射光学元件28的平面的或可替代地至少略微弯曲的背面具有作为电介质带通涂层的光学滤波器30。可替代地，可以设想在光接收器32上有单独的滤波元件或涂层。对于具有光学带宽窄的激光光源的光发射器12而言，光学滤波器30可以在对应于激光波长的中心波长处被变窄到例如50nm或80nm的滤波器带宽。
[0057] 散射光学元件28导致光接收器32的虚拟中间图像变小。然后，该变小的虚拟中间图像由接收透镜26再次成像到监测区域18中，并从而实现有利的减小的视场(FOV，Field of View)。此外，光接收器32上的入射角通过散射光学元件28而减小。因此，在散射光学元件28的背面也仅出现较小的入射角。这样，就不必考虑或基本不考虑安装在该散射光学元件处的光学滤波器30的与角度相关的通带移位，并且因此可以有利地被设计得更窄。
[0058] 现在，散射光学元件28应尽可能紧邻光接收器32布置，使得它本身可以实施得更小，并且还仅具有待涂覆的小的背面用于涂覆光学滤波器30。从这种接近性得出了对清晰地成像相对大的图像场的要求。换句话说，从散射光学元件28的位置，光接收器的两个边缘出现大的角距，其中被设计为SPAD的光接收器正好轻易地达到0.5mm或甚至1mm的边缘长度。单个透镜不能完成大图像场的这种清晰成像，为此需要多个透镜或者一个物镜，这又出于成本原因而不作考虑。因此，出现了强成像误差，尤其是在图像边缘处，也就是说，特别光接收器32的边缘处被非常不清晰地成像。以使得边缘尤其被清晰地成像并且接受内部的不清晰度的方式设计传统的透镜，这种尝试仅略微改善了情况。
[0059] 因此，如在图2中，可以使用传统的散射透镜作为散射光学元件28。在此，光接收器32的边缘的不清晰成像是可接受的。然而，有效光由于这种方式而丢失，并且同时探测到更多的外来光。
[0060] 当使用非成像的、类轴锥镜的透镜来代替散射光学元件28时，可以实现更好的结果。在此，不再试图清晰地成像整个图像场(即，光接收器32的整个平面)，因为这是单个透镜不能令人满意地完成的。换句话说，在点图像整体上变得非常小的意义上，不试图清晰地成像。更确切地说，目标是使所有场点的点图像，或者实际上还仅使最外面的场点的点图像，完全保留在光接收器32的计划的探测表面上。因此，与传统的清晰成像相比，子结构丢失，但是全部光量仍然被收集并以尽可能小的损失被偏转到光接收器32上。可以说，相关的光量被限定在由光接收器32的边缘构成的边内，使得光接收器32(如果可能的话)不会损失被漫反射的发射光22的光能。但在该环绕边的内部中，成像是不清晰的。然而，有针对性地接受了这种乍一看不利的特性，以便获得期望的虚拟光阑效应(Blendenwirkung)，即，尽可能仅将有效光且尽可能将所有的有效光偏转到边内的光接收器32上。
[0061] 现在，将更详细地描述各种非成像的散射光学元件28的结构和特性。图3a仅在散射光学元件28的周围环境中放大地示出了被漫反射的发射光22a-22b的光路，其中为了清楚起见，在这里和一些其他附图中没有示出散射光学元件背面上的光学滤波器30。通过虚线或实线示出了具有不同场角的两束被漫反射的发射光22a、22b。图3b示出了在光接收器32上的图像平面中的相关的接收光斑36a-36b。
[0062] 散射光学元件28具有正面，该正面具有与负轴锥镜或散射轴锥镜类似的轮廓。负轮廓或散射轮廓的形象描述是边缘区域比中心厚，例如传统的凹散射透镜。例如，通过具有急剧的坡度变化(在极限情况下是不可微分的折点)的部位，该轮廓变成非成像的。在图3a的示例中，得出中间有弯折部或尖端类型的双腹(doppelbauchig)轮廓。
[0063] 作为典型应用情况的具体数例，对于图3a中的被漫反射的发射光22a-22b的光路和图3b中的接收光斑36a-36b，假设接收透镜26的焦距为f＝50mm且其接收孔径的直径为φ＝80mm，由此得出被漫反射的发射光22a-22b在接收透镜26后面的汇聚的光束的角度为arctan(40/50)≈38.7°。接收透镜26被优化以用于对无穷远处的单个轴向物点进行成像，使得沿着光学轴线的准直光的接收光斑受到衍射限制可以是小的。虚线所示的被漫反射的发射光22a对应于0.23°的场角，实线所示的被漫反射的发射光22b对应于0°的场角。±0.23°的场角又与例如在光接收器32的0.8mm至1mm大小的SPAD上的0.4mm大小的接收光斑相对应。
[0064] 现在，散射光学元件28的形状以如下方式设计，使得替代在SPAD上产生0.8mm大小的接收光斑，因此该散射光学元件具有两倍的成像的比例。在下文更详细地被看作为“奇次非球面”的参数化中，该形状具有参数β1＝-0.9且β2＝0.5、中心厚度0.5mm以及从其背面至SPAD的距离约0.14mm。散射光学元件28与接收透镜26之间的距离又以如下方式选择，使得这些SPAD的相对的边缘的光束在该图像部分中还没有完全分离。这可以通过被漫反射的发射光22a的一些用虚线所示的光束仍然穿过散射光学元件28的下半部分清楚地看出。
[0065] 在图3b中可以看出，场边缘处的对准这些SPAD或光接收器32的边缘的光束还以使得这些光束保持在±0.4mm的目标范围内的方式被偏转。在这个意义上，尽管该点图像不具有非常小的范围，但散射光学元件28仍然清晰地成像。场角为0°的点图像甚至还更大，因此在这里中心被更加不清晰地成像。然而，乍一看，具有大的点图像的成像特性看起来是差的。散射光学元件28非常适合于收集在光接收器32上被漫反射的发射光22a-22b并且在此照亮光接收器32上具有双横向尺寸的面，而不将光束偏转超出这里为±0.4mm的期望边缘，在该期望边缘处这些光束不能再被探测到。
[0066] 图4a和图4b示出了现在为圆锥形或锥形的散射光学元件28的另一个事例，而没有再次具体的示例性的数字说明。在横截面上，该散射光学元件28看起来如同两个棱镜，在空间上观察，该散射光学元件通常是圆柱体或具有锥形凹部的类似几何体。对接收光斑36a中的边缘的成像不再如此清晰地限定于边缘。因此，光接收器32上的放大的光斑在边缘处稍微模糊。然而，散射光学元件28的这种设计仍然非常良好，并且特别地比传统的散射透镜可更好地使用。此外，解释和结论参考图3a和图3b。
[0067] 散射光学元件28的这种形状可以在参数化中表示为挠度 z，该挠度z是距透镜中心的距离r的函数，其中曲率半径为1/c并且锥形常数为k：
[0068]
[0069] 其中，对锥形形状要求k<-2。相反地，在球面透镜的情况下k＝0，并且在非球面的情况下通常为|k|<2。因此，在数学意义上，该形状是双曲线。
[0070] 可以在作为“偶次非球面”的透镜形状的扩展的参数化中为k列出相同的要求：
[0071]
[0072] 在作为“奇次非球面”的透镜形状的参数化中：
[0073]
[0074] 还可以选择k＝0且明显不为零的β1的值来代替这里也可能的k<-2。对于球面透镜和成像非球面，β1＝0适用。此外，在至少一些优选的实施方式中，β2也明显不为零并且优选也是正的。
[0075] 一般来说，散射光学元件28在其至少50％、75％或甚至80％或90％的大部分使用面积上延伸，使得该外推面朝向中间的锐边尖端延伸。可以说，散射光学元件28在中点弯折，由此得出与传统的散射透镜相比能够实现分开地处理光束并使这些光束朝向光接收器32的不同边缘射去的自由度。因此，仅用一个光学元件就实现了对整个边缘清晰地成像，这用传统的散射透镜或会聚透镜是不可能的。另外，优选地，散射光学元件28是旋转对称的，即使可以在框架内有所偏离也不会强烈损害功能。
[0076] 图5a-图5b再次图示了散射光学元件28的效果。在此，图5a示出了没有散射光学元件28的角度分布，而图5b示出了具有如图3a-图3b和图4a-图4b所示的散射光学元件28的角度分布。明显可以看出，右侧的具有散射光学元件28的入射角的分布呈现出明显较小的值。因此，在根据图5b的情况中，光学滤波器30可以被选择成明显更窄的，而不会丢失大量光强，因为在这里出现的入射角明显受限。简单地说，入射角范围减半，因此，光学滤波器30仅需要处理例如±20°而不是±40°。
[0077] 图6a示出了接收路径的另一实施方式。上面已经提到，光接收器32还可以具有多个光接收元件32a。在图6a中是多个分立式光接收元件32a的布置，这些光接收元件32a例如可以是SPAD或者光电二极管或者APD。此外，优选地，接收光学器件24仅包括一个共同的接收透镜26，但是每个光接收元件32a有自身的散射光学元件28a。
[0078] 图6b示出了可替代方案，具有集成在光接收器32上的光接收元件32a或像素的矩阵布置，例如，具有行、矩阵或其他布置的图像传感器。该矩阵布置被分配多个散射光学元件28a的适配光栅(Raster)，这些散射光学元件28a生成多个虚拟光阑。此外，接收透镜26在这里被多透镜的物镜代替，这已经被描述为所有实施方式的可能的替代方案。
[0079] 图7示出了与光接收器32微机械连接的散射光学元件28的示例结构形式。例如，散射光学元件28代替光接收器32的电子外壳38的覆盖玻璃。微机械连接还自动地确保了散射光学元件28与光接收器32之间所需的准确的定位精度。
[0080] 图8示出了散射光学元件28的另一实施方式。与目前为止所示的锥形或楔形凹部相比，中间的尖端或弯折部在这里被圆化，并且根据需要相应地也在外边缘处被圆化。这简化散射光学元件28的制造。为了不严重损害功能并保持与传统的成像的散射透镜明显不同的形状，该中心圆化的面积比例不应过大，例如限定在20％内。
[0081] 图9a-图9b图示了将散射光学元件28直接定位在光接收器32附近是有利的原因。例如，轴锥顶点直至光接收器的光敏面的距离至多是光敏面或者单个光接收元件32a或像素的尺寸的5倍。
[0082] 如果距离过大，如图9a所示，则用于光接收器32的上边缘的被漫反射的发射光22a的光束和用于光接收器32的下边缘的被漫反射的发射光22b的光束还穿过散射光学元件28的同一表面元件，该表面元件以无意义的方式执行其功能。光束被无差别地偏转到相同的方向上。由此，入射角范围产生移位，但不会变窄。在此，被漫反射的发射光22a-22b的虚线和实线可以理解为类似于图3a和图4a。
[0083] 如图9b所示，通过将散射光学元件28直接布置在光接收器附近，实现了期望的效果，入射角范围显著减小。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 核废物桶暂存库热源分布监测模拟装置及监测方法 | 2020-05-11 | 921 |
| 一种用于5G中传的高速收发模块 | 2020-05-08 | 805 |
| 一种巷道围岩变形量监测装置 | 2020-05-08 | 823 |
| 矿用本安型DTS系统、脉冲光源、APD模块的启动系统及方法 | 2020-05-11 | 741 |
| 距离传感器、距离测量装置和图像传感器 | 2020-05-08 | 462 |
| 一种用于人体皮肤上微观位置的重复显微镜成像系统 | 2020-05-12 | 683 |
| 基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法 | 2020-05-11 | 776 |
| 固态光探测和测距(LIDAR)系统 | 2020-05-08 | 25 |
| 一种量子随机数发生器 | 2020-05-08 | 470 |
| 一种测距装置、移动平台 | 2020-05-11 | 465 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
雪崩光电二极管热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈