CN111868509A - 用于探测污染的探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测光学元件(4)的污染的探测设备，该探测设备具有耦合设备(5)并且具有探测器(8)，该耦合设备包括用于将光源(2)的至少一个波长的光(10)耦合输入到光学元件(4)中的第一耦合元件(5a，6)和用于将耦合输入的光从光学元件(4)中耦合输出的第二耦合元件(5b，7)，其中，耦合元件(6：5a；7：5b)中的至少一个包括全息图，该探测器用于检测耦合输出的光。

Description

用于探测污染的探测设备

技术领域

本发明涉及一种用于探测光学元件上的污染的探测设备。

本发明还涉及一种用于借助至少一个波长的光来探测对象的传感器设备。

本发明还涉及一种用于制造用于光的耦合输入和耦合输出的耦合设备的方法。

尽管本发明可应用于任何光学元件上，但是参考覆盖玻璃(Deckglas)、出射窗或盖玻片描述本发明。

尽管本发明可应用于任何传感器设备上，但是参考激光雷达传感器设备描述本发明。

背景技术

为了防止污染物和水并且为了密封，可以使激光雷达传感器设备配备有对于相应的波长透明的覆盖玻璃。由于环境条件，污染物和水沉积在该覆盖玻璃上，这干扰通过激光雷达传感器设备识别对象的光学路径。

从DE 10 2013 211 738 A1中已知一种雨滴传感器。在此，将电磁辐射经由耦合输入元件耦合输入到覆盖玻璃中，并且在穿过覆盖玻璃的一定部分之后经由耦合输出元件又从覆盖玻璃中耦合输出并且输送到探测器。借助由探测器探测到的电磁辐射推断出覆盖玻璃的表面上的液滴的存在。

发明内容

在一种实施方式中，本发明提供一种用于探测光学元件的污染的探测设备，该探测设备具有：

-耦合设备，其包括第一耦合元件和第二耦合元件，第一耦合元件用于将光源的至少一个波长的光耦合输入到光学元件中，第二耦合元件用于将光从光学元件中耦合输出，其中，耦合元件中的至少一个包括全息图；

-探测器，其用于检测耦合输出的光。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于借助至少一个波长的光来探测对象的传感器设备，该传感器设备包括：用于将至少一个波长的光发射到对象空间中的对象光源，用于接收由对象反射的光的对象探测器，构造为传感器设备的覆盖装置(Abdeckung)的光学元件和根据权利要求1至7中任一项所述的探测设备，其中，耦合设备和传感器设备的覆盖装置以共同作用的方式构造用于光的耦合输入和耦合输出。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于制造耦合设备的方法，该方法包括以下步骤：

-提供用于将光耦合输入到光学元件中的第一耦合元件；

-提供用于将光从光学元件中耦合输出的第二耦合元件；

其中，借助印刷或借助载体材料上的全息图的模拟记录来提供至少一个耦合元件。

因此实现的优点中的一个是，通过在至少一个耦合元件中使用全息图或通过将耦合元件中的至少一个构造为全息图，能够实现高效且成本有利地监控例如激光雷达系统在保护盘、覆盖玻璃等上的污染。与已知的耦合输入元件和耦合输出元件相比，另一优点是成本有利的制造和小的结构空间。另外，实现提高在具体构型和衍射效率方面的灵活性。同样地，在设备的同时稳健性的情况下能够实现简单的实现。

在下文中描述或由此公开本发明的其他特征、优点和其他实施方式。

根据一种有利的扩展方案，全息图构造为体积全息图。由此甚至进一步增加灵活性，因为通过由体积全息图引起的体积衍射还可以将预给定的波长选择性和/或角度选择性以及(如有必要)滤光功能分配给至少一个耦合元件。根据在波长和/或角度方面的相应条件，然后仅将来自限定方向和具有限定波长的光在体积全息图处衍射。由于体积全息图的角度选择性和波选择性，可以有效地减少杂散光。

根据另一有利的扩展方案，全息图构造成进行偏转且至少部分地进行聚焦。以这种方式可以进一步提高效率。

根据另一有利的扩展方案，全息图构造为透射光栅或反射光栅。这增加灵活性，因为至少一个耦合元件可以构造为透射光栅或反射光栅。

根据另一有利的扩展方案，耦合元件构造为全息膜。这使得能够在同时成本有利的制造的情况下实现特别小的结构空间。

根据另一有利的扩展方案，耦合元件中的至少一个至少部分地布置在光学元件中。这使得能够实现节省空间的布置，例如与保护玻璃结合。

根据另一有利的扩展方案，探测器构造用于探测光源的在光学元件中全反射的光的衰减。这样的优点是因此可以以简单且同时有效的方式探测污染。例如，如果污染物或水碰到激光雷达系统的保护窗口，则由于污染中断保护窗口的基于全反射的导光功能，这导致探测器处的强度损失。

根据另一有利的扩展方案，可以借助第一耦合元件来耦合输入对象光源的光。这样的优点是可以省去用于探测的附加的光源，这降低成本。

根据传感器设备的另一有利的扩展方案，传感器设备的对象光源具有有效视场区域(Nutzsichtfeldbereich)和边际视场区域(Nebensichtfeldbereich)，并且耦合设备的用于光的耦合输入的第一耦合元件布置在边际视场区域中。因此实现的优点中的一个是，因此不影响例如激光雷达系统的传感器设备的功能，同时可以省去用于探测的附加的光源。

根据该方法的另一有利的扩展方案，将至少一个耦合元件层压到光学元件上。这使得能够实现在光学元件上的特别成本有利且简单的固定。

本发明的其他重要特征和优点从从属权利要求、从附图以及从基于附图的所属附图说明得出。

可以理解，在不背离本发明的范畴的情况下，上面所提及的和下面将要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用。

本发明的优选的实施方案和实施方式在附图中示出并且在之后的说明中进一步阐述，其中，相同的附图标记涉及相同或相似或功能相同的构件或元件。

附图说明

图1示出一种已知的激光雷达传感器；

图2示出根据本发明的实施方式的激光雷达传感器中的探测设备；

图3a示出根据本发明的实施方式的探测设备的一部分和没有污染的光学元件；

图3b示出根据本发明的实施方式的探测设备的一部分和具有污染的光学元件；

图4示出根据本发明的实施方式的传感器设备的一部分。

具体实施方式

图1示出一种已知的激光雷达传感器。

在图1中示出旋转的激光雷达传感器1。该旋转的激光雷达传感器1由保护玻璃4包围。在尤其固定地构造的保护玻璃4的内部布置有激光器形式的光源2，该光源经由发送光学器件3发射在水平方向上具有低发散度的光束10。此外，布置有探测器20，接收光学器件30置于该探测器20前面，以便接收激光器2的由对象反射的光。在此，激光器2、发送光学器件3、接收光学器件30和探测器20可以围绕垂直于附图平面的轴在顺时针方向上共同旋转(附图标记9)。保护玻璃4用于保护(例如用于防止污染物和水)以及用于密封。如果现在污染物或水沉积在保护玻璃4上，则所发射的光束10和——在此未示出的——接收射束的光学路径受到干扰，并且激光雷达传感器1不能无误差地工作，或者伴随有分辨率损失和作用距离损失。

图2示出根据本发明的实施方式的激光雷达传感器中的探测设备。

在图2中基本上示出根据图1的激光雷达传感器1。与根据图1的激光雷达传感器1不同，在根据图2的激光雷达传感器1中，现在在所发射的光束10的区域中布置有耦合设备5、5a，该耦合设备具有全息光学元件6形式的耦合元件和全息光学元件7形式的耦合输出元件。两者都布置在保护玻璃4的内侧上。也可以设想将耦合输入元件6和/或耦合输出元件7布置在保护玻璃4中，即布置在保护玻璃复合体中。在此——在图2的视图中——耦合设备5、5a可以仅覆盖所发射的光束2的部分区域(附图标记5)或完全覆盖所发射的光束2(附图标记5a)。在图2中，将光束10基本上在附图平面中发射。由于激光器2的光束10的高斯射束特性(Gauβstrahl-Profil)并且由于相应的发送光学器件3，光束10还具有垂直于附图平面的垂直分量。通过如此布置耦合设备5、5a，使得将垂直分量的光经由耦合设备5、5a解耦合到保护玻璃4中，可以使用光束10的垂直分量。然后，优选地，将相应的耦合输出元件7布置在保护玻璃4上的以下区域中：该区域不再施加有激光器2的光10。耦合输入元件6具有以下功能：如此重新考虑激光雷达传感器1的辐射的部分，使得该部分在保护玻璃4中在全反射的角度下传播。如果耦合设备5、5a的耦合输入元件6和/或相应的耦合输出元件7构造为体积全息图，则在此可以将效率任意地匹配于相应的应用，并且可以实现高达100％的衍射效率。

为了制造多个具有全息图的耦合输入元件和/或耦合输出元件6、7，制造具有所选择的偏转功能以及如有必要附加地具有部分聚焦功能的主全息图。接着，可以借助接触复制的方法来复制该主全息图，其中，通过复制方法来调节参考效率(Bezugseffizienz)。在此，可以打印或模拟地记录主全息图，并且根据全息图在保护玻璃4上的位置(即根据耦合输入元件的和/或耦合输出元件6、7的位置)可以如此匹配效率，使得激光雷达传感器1的基本功能(即对象识别)不受限制。

图3a示出根据本发明的实施方式的探测设备的一部分和没有污染的光学元件，并且图3b示出根据本发明的实施方式的探测设备的一部分和具有污染的光学元件。

在图3a中现在详细示出探测设备8‘。在此，分别包括至少一个全息图的耦合设备5的耦合输入元件6和耦合输出元件7布置在保护玻璃4上。激光雷达传感器1的对象光源2的光10照射到耦合输入元件6上，并且在一定角度下耦合输入到保护玻璃4中，从而该光借助全反射在保护玻璃4中沿着传播(光束12)。在合适的位置，将该光经由耦合输出元件7又从保护玻璃4中耦合输出并且输送给探测设备8‘的探测器8。

在图3b中现在示出以下情况：在该情况下，水或污染物11处于保护玻璃4的背向探测设备8的一侧上。在此，通过污染物11至少部分地阻碍耦合输入到保护玻璃4的内部中并且借助全反射透射的光束12的全反射。换句话说：如果在激光雷达传感器1的保护玻璃4上存在污染物或水11，则至少部分地中断保护玻璃4的导波功能，并且由此导致探测器8处的耦合输出的光的强度损失。

通常，电磁波(即在此光束12)从具有折射率n1的光学上较稠密的介质到具有折射率n2的光学上较稀疏的介质(大多是空气)的出射导致该效应，其中n1>n2。电磁波的处于光疏介质中的部分也称为消逝场(evaneszentes Feld)。

因此能够实现通过全反射的光的衰减来测量与对于所使用的光而言透明的材料的表面接触的颗粒或薄膜，因为这些颗粒可以与消逝场相互作用并且吸收该场的一部分或者从材料中散射出来。

图4示出根据本发明的实施方式的传感器设备的一部分。

在图4中示出激光雷达传感器1的一部分。在此，图4的附图平面基本上相应于垂直于图2的附图平面的平面。通过保护玻璃4保护激光器2形式的光源。在保护玻璃4的朝向激光器2的一侧上布置有耦合输入元件6和耦合输出元件7，该输入耦合元件和输出耦合元件均构造为全息光学元件，即分别包括全息图。在此，耦合输出元件7在垂直方向上布置在耦合输入元件6上方。在耦合输出元件7的侧上布置有探测设备8‘，该探测设备包括用于探测借助耦合输出元件7耦合输出的光的探测器8。此外，激光器2和发送光学器件3(在此未示出)具有两个不同的区域13和14。区域14是所谓的有效区域或有效视场区域，其用于借助激光雷达传感器1来探测对象。该区域14关于激光器2或发送光学器件3的中心轴基本上居中地布置。在有效区域14的侧面或上方和下方存在边际区域(Nebenbereich)或边缘区域13，该边际区域或边缘区域不用于探测对象，然而同样地由激光器2借助发送光学器件3来施加光。在此，激光器2的发送辐射的该区域用于污染探测。来自边际区域13的光照射到耦合输入元件6上，在保护玻璃4的内部被全反射(保护玻璃4内部的光束12)，并且经由耦合输出元件7被耦合输出并且被输送到探测器8以进行探测。在总体上，这具有以下优点：不需要用于污染探测的附加光源。换句话说：将同一光源(即激光器2)用于对象的识别或探测以及用于污染探测。

同样地，可以例如将耦合输入元件6布置在激光雷达传感器1的有效视场区域14的中心区域中。然后可以布置具有低效率的耦合输入全息图6，从而所使用的来自有效光的份额尽可能低。同样地，如在图4中所示，也可以将耦合输入元件6布置在保护玻璃4的边缘处。在此，尤其由于传感光学器件3并且由于激光器2的光束10的高斯射束特性，强度降低并且将耦合输入全息图6的效率选择得更高。换句话说：有效视场区域14不仅通过光束10的高斯射束特性形成，而且通过相应的发送光学器件3形成。在此，可以如此设计激光雷达传感器1，使得将借助激光器2与发送光学器件3的照明设计为(例如在上部或下部区域中)比有用视场所需的区域14稍大。因此，同样可以将激光器2用于污染探测，而不妨碍有效视场区域14。该实施方式不仅可以用于具有列照明的激光雷达传感器1中(更长时间地实施列)，而且可以用于具有点照明的激光雷达传感器1中(更多地照亮一个点)。

总之，本发明的实施方式中的至少一个具有以下优点中的至少一个：

·入射角和反射角的自由选择以及由此耦合输入元件、耦合输出元件和探测器的空间布置中的灵活性；

·在设计方面的灵活性：可以将耦合输入元件和耦合输出元件印刷并且个体化地匹配于相应的设备；

·在构造为透射光栅或反射光栅方面以及在衍射效率方面的灵活性；

·稳健性；

·简单的实现，因为例如不影响激光雷达系统；

·在保护玻璃/覆盖玻璃上的待监控的面的构造方面的灵活性；

·低成本，因为不需要单独的光源；

·在借助全反射来探测保护玻璃上的污物或一般杂质时的高效率；

·可以将探测器布置在传感器设备的壳体中。这在旋转的系统中尤其有利，因为不必将附加的数据从转子传输到定子中；

·简单的匹配和集成，尤其在微型扫描仪和宏扫描仪处；

·在耦合元件的尺寸和构造方面的灵活性。

尽管已经基于优选的实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是可以以多种方式进行修改。

Claims (12)

1.一种探测设备(8‘)，所述探测设备用于探测光学元件(4)的污染，所述探测设备具有：

-耦合设备(5)，所述耦合设备包括第一耦合元件(6)和第二耦合元件(7)，所述第一耦合元件用于将光源(2)的至少一个波长的光(10)耦合输入到所述光学元件(4)中，所述第二耦合元件用于将光从所述光学元件(4)中耦合输出，其中，所述耦合元件(6，7)中的至少一个耦合元件包括全息图；

-探测器(8)，所述探测器用于检测所述耦合输出的光。

2.根据权利要求1所述的探测设备，其中，所述全息图构造为体积全息图。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的探测设备，其中，所述全息图构造成进行偏转且至少部分地进行聚焦。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的探测设备，其中，所述全息图构造为透射光栅或反射光栅。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的探测设备，其中，所述耦合元件(6，7)中的至少一个耦合元件构造为全息膜。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的探测设备，其中，所述耦合元件(6，7)中的至少一个耦合元件至少部分地布置在所述光学元件(4)中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的探测设备，其中，所述探测器(8)构造用于探测所述光源(2)的在所述光学元件(4)中全反射的光(12)的衰减。

8.一种传感器设备(1)，所述传感器设备用于借助至少一个波长的光来探测对象，所述传感器设备包括：

对象光源(2)，所述对象光源用于将至少一个波长的光发射到对象空间中；

对象探测器(20)，所述对象探测器用于接收由对象反射的光；

光学元件，所述光学元件构造为所述传感器设备(1)的覆盖装置(4)；

根据权利要求1至7中任一项所述的探测设备(8‘)，其中，所述耦合设备(5)和所述传感器设备(1)的覆盖装置(4)以共同作用的方式构造用于光的耦合输入和耦合输出。

9.根据权利要求8所述的传感器设备，其中，所述对象光源(2)的光能够借助所述第一耦合元件(6)被耦合输入。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器设备(1)的对象光源(2)具有有效视场区域(14)和边际视场区域(13)，并且所述耦合设备(5)的第一耦合元件(6)布置在所述边际视场区域(13)中，所述第一耦合元件用于光的耦合输入。

11.一种用于制造耦合设备(5)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供第一耦合元件(6)，所述第一耦合元件用于将光耦合输入到光学元件(4)中；

-提供第二耦合元件(7)，所述第二耦合元件用于将光从所述光学元件(4)中耦合输出；

其中，借助印刷或借助载体材料上的全息图的模拟记录来提供所述耦合元件(6，7)中的至少一个耦合元件。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述至少一个耦合元件(6，7)层压到所述光学元件(4)上。

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