DE112018005682T5

DE112018005682T5 - Optische elemente mit fokusregion für optische hochleistungsscanner

Info

Publication number: DE112018005682T5
Application number: DE112018005682.1T
Authority: DE
Inventors: Noel Axelrod; Refael Della Pergola
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-07-30
Also published as: CN110832347B; US20190094531A1; CN110832347A; US10473923B2; WO2019067057A1

Abstract

Eine optische Vorrichtung (20) umfasst eine Lichtquelle (22), die dazu konfiguriert ist, einen Lichtstrahl mit einer gegebenen Wellenlänge zu emittieren, und mindestens einen Scanspiegel (26), der dazu konfiguriert ist, den Strahl über eine Zielszene (24) zu scannen. Eine Lichtsammeloptik schließt ein: eine Sammeloptik (32), die so positioniert ist, dass sie das Licht von der Szene empfängt, das von dem mindestens einen Scanspiegel reflektiert wird, und das gesammelte Licht auf eine Fokalebene (34) fokussiert, und ein nicht abbildendes optisches Element (21, 60), das ein massives Stück eines Materials einschließt, das bei der gegebenen Wellenlänge transparent ist, mit einer vorderen Oberfläche (37, 62), die in der Fokalebene der Sammellinse positioniert ist, und einer rückwärtigen Oberfläche, durch die das geleitete Licht aus dem Material in der Nähe eines Sensors (38) emittiert wird, sodass das gesammelte Licht durch das Material geleitet und über den Erfassungsbereich des Sensors ausgebreitet wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf optoelektronische Vorrichtungen und insbesondere auf optische Scanner.
HINTERGRUND
Optische Scanner werden verbreitet zum optischen Sondieren von ausgedehnten Objekten oder Zielszenen verwendet. In einem typischen Scanner sendet eine Lichtquelle einen Lichtstrahl aus; der Strahl wird über das Objekt gescannt, zum Beispiel durch einen Scanspiegel; dann wird das von dem Objekt zurückgeworfene Licht durch eine Sammeloptik gesammelt und auf einen Sensor gerichtet. Der Sensor emittiert ein Signal zur weiteren Analyse an eine Steuerung.
Optische Hochleistungsscanner verwenden in der Regel sowohl Hochleistungslichtstrahlen als auch Hochgeschwindigkeitsscanner, um entfernte Zielszenen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis abzutasten und zu erfassen.
KURZFASSUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die nachstehend beschrieben werden, stellen verbesserte optische Scanner und Verfahren zum Scannen bereit.
Es wird daher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine optische Vorrichtung bereitgestellt, die eine Lichtquelle, die dazu konfiguriert ist, einen Lichtstrahl mit einer gegebenen Wellenlänge zu emittieren, mindestens einen Scanspiegel, der dazu konfiguriert ist, den Strahl über eine Zielszene zu scannen, und einen Sensor mit einem Erfassungsbereich einschließt. Die Lichtsammeloptik schließt eine Sammeloptik ein, die so positioniert ist, dass sie das Licht von der Szene empfängt, das von dem mindestens einen Scanspiegel reflektiert wird, und das gesammelte Licht auf eine Fokalebene fokussiert. Ein nicht abbildendes optisches Element schließt ein massives Stück eines Materials ein, das bei der gegebenen Wellenlänge transparent ist, mit einer vorderen Oberfläche, die in der Fokalebene der Sammellinse positioniert ist, und einer rückwärtigen Oberfläche, durch die das geleitete Licht aus dem Material in der Nähe des Sensors emittiert wird, sodass das gesammelte Licht durch das Material geleitet und über den Erfassungsbereich des Sensors ausgebreitet wird.
In einer offenbarten Ausführungsform ist die rückwärtige Oberfläche des nicht abbildenden optischen Elements in Kontakt mit dem Sensor, und das nicht abbildende optische Element schließt einen zusammengesetzten, parabolisch gekrümmten Konzentrator (compound parabolic contentrator, CPC) ein. Das Material kann Silizium oder Glas einschließen.
In einigen Ausführungsformen schließt der Lichtstrahl einen Strahl von Lichtimpulsen ein, und der Sensor ist dazu konfiguriert, ein Signal auszugeben, das eine Einfallszeit eines einzelnen Photons auf dem Sensor angibt. Eine Steuerung ist dazu konfiguriert, Laufzeiten der Lichtimpulse zu und von Punkten in der Szene als Reaktion auf das Signal zu finden.
Ebenfalls wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Erfassen bereitgestellt, welches das Scannen eines Lichtstrahls mit einer gegebenen Wellenlänge über eine Zielszene unter Verwendung von mindestens einem Scanspiegel einschließt. Das Licht von der Szene, das von dem mindestens einen Scanspiegel reflektiert wird, wird gesammelt und auf eine Fokalebene fokussiert. Eine vordere Oberfläche eines nicht abbildenden optischen Elements, das ein massives Stück eines Materials einschließt, das bei der gegebenen Wellenlänge transparent ist, wird in der Fokalebene positioniert. Das gesammelte Licht wird unter Verwendung eines Sensors erfasst, der in der Nähe einer rückwärtigen Oberfläche des nicht abbildenden optischen Elements positioniert ist, welches das gesammelte Licht über einen Erfassungsbereich des Sensors ausbreitet.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ihrer Ausführungsformen in Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verständlich, in denen Folgendes gezeigt wird:
Figurenliste

1 ist eine schematische Seitenansicht eines optischen Scanners mit einem nicht abbildenden optischen Element gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine schematische bildliche Ansicht eines nicht abbildenden optischen Elements mit durch das Element verfolgten optischen Strahlen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
3 ist eine schematische bildliche Ansicht eines nicht abbildenden optischen Elements mit durch das Element verfolgten optischen Strahlen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Überblick
Optische Hochleistungsscanner, zum Beispiel Sensoren zur Lichterfassung und Entfernungsmessung (Light-Detection-and-Ranging-Sensoren, LiDAR-Sensoren), verwenden in der Regel sowohl Hochintensitätslichtstrahlen als auch Hochgeschwindigkeitsscanner, um entfernte Zielszenen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis abzutasten und zu erfassen. Die Entfernung zur Zielszene kann im Bereich von einigen zehn Zentimetern bis zu Hunderten von Metern liegen.
Der von der Lichtquelle emittierte Strahl wird von einem Hochgeschwindigkeitsscanner über die Zielszene gescannt, zum Beispiel durch einen schnell oszillierenden Scanspiegel. Das von der Szene zurückgeworfene Licht wird von einem Scanspiegel (entweder dem oben beschriebenen Scanspiegel oder einem anderen Spiegel, der mit dem obigen Spiegel synchronisiert ist) in Richtung einer Sammellinse reflektiert. Eine abbildende Sammellinse fokussiert das zurückgeworfene Licht in einem kleinen Fleck auf dem Sensor, und das von dem Sensor emittierte Signal wird zur weiteren Analyse von einer Steuerung empfangen.
Hochgeschwindigkeitsscanner werden in dieser Anwendung eingesetzt, um die Messrate zu maximieren. Bei sehr hohen Winkelgeschwindigkeiten kann die Umlaufzeit des Lichts einen Nacheilwinkel an dem Empfänger einführen. Um Abweichungen von dem fokussierten Fleck aufgrund des Scanners zu kompensieren, wird ein großer Erfassungsbereich benötigt. Ferner weisen kleine, fokussierte Flecken sowohl von zurückgeworfenem Licht als auch gestreutem Licht eine sehr hohe Bestrahlungsstärke auf, die den Sensor beschädigen und möglicherweise die Erfassungseffizienz verschlechtern kann.
Der Nacheilwinkel γ wird angegeben durch den Ausdruck $γ = 2 τ ω_{0} θ_{0},$
wobei ω₀ und θ₀ die Scannerfrequenz bzw. -amplitude sind und τ die Verzögerungszeit ist, angegeben durch $τ = 2R/c,$
wobei R die Entfernung zu der Szene ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Länge L des Streifens in der Fokalebene der Sammellinse wird angegeben durch den Ausdruck $L = 2 γ = 4 τ ω_{0} θ_{0} f,$
wobei f die Brennweite der Sammellinse ist.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung adressieren die obigen Beschränkungen, um optische Hochgeschwindigkeitsscanner mit hoher Auflösung zu ermöglichen, die einen Sensor mit hoher Bandbreite, geringem Dunkelrauschen und reduziertem Potential für Beschädigung und Sättigung verwenden. Die offenbarten Ausführungsformen verwenden ein nicht abbildendes optisches Element, das aus einem massiven Stück dielektrischen Materials hergestellt ist und zwischen der Fokalebene der Sammeloptik und dem Sensor positioniert ist. Diese Anordnung bietet mindestens die folgenden Vorteile:

1) Der Strahl, der von der Zielszene zurückgeworfen und durch die Sammeloptik fokussiert wird, wird auf dem Sensor über einen Bereich ausgebreitet, der größer ist als der Fleck in der Fokalebene;
2) Der Strahl wird auf dem Sensor auf eine Position stabilisiert, die im Wesentlichen unabhängig von der Spiegelgeschwindigkeit und der Zielentfernung ist; und
3) Das Verwenden eines massiven Stücks eines dielektrischen Materials für das nicht abbildende optische Element erhöht dessen Öffnungswinkel (numerische Apertur).

Die Verwendung eines nicht abbildenden optischen Elements ermöglicht es, den Erfassungsbereich des Sensors relativ zu dem zu reduzieren, was ansonsten in Abwesenheit der nicht abbildenden Optik erforderlich wäre, sowie die Spitzenbestrahlungsstärke auf dem Sensor zu verringern. Beide Vorteile führen zu einer größeren Signalbandbreite und längeren Erfassungsbereichen, als ansonsten ohne die extrafokalen Elemente erreicht werden könnten.
Die offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen optische Scanner bereit, wobei die Lichtquelle entweder eine Nicht-Laserquelle (wie etwa eine thermische Quelle, eine Festkörperquelle oder eine Gasentladungsquelle) oder eine Laserquelle (entweder Dauerstrich oder gepulst) sein kann. Solche Scanner können in Tiefenabbildungssystemen, wie etwa LIDARs, verwendet werden, wobei die Lichtquelle eine gepulste Laserquelle ist, der Sensor eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) ist und eine Steuerung die Entfernung zu der Zielszene durch Laufzeitanalyse findet.
In alternativen Ausführungsformen können andere Sensoren mit hoher Empfindlichkeit, wie etwa eine Avalanche-Photodiode (APD), verwendet werden.
Beschreibung des Systems
1 ist eine schematische Seitenansicht eines optischen Scanners 20 mit einem nicht abbildenden optischen Element 21 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Strahl von einer Lichtquelle 22, wie z. B. einem Dauerstrich- oder gepulsten Laser, der bei einer gegebenen Wellenlänge emittiert wird, wird von einem Scanspiegel 26 auf eine Zielszene 24 gerichtet, wodurch ein Beleuchtungsfleck 28 über der Zielszene gebildet und gescannt wird.
(Die Begriffe „Licht“ und „Beleuchtung“ werden hierin so verwendet, dass sie sich auf jede Art von optischer Strahlung beziehen, einschließlich Strahlung im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich.) Das von dem Beleuchtungsfleck 28 zurückgeworfene Licht wird von dem Scanspiegel 26 und einem Strahlteiler 30 in Richtung einer Sammellinse 32 reflektiert, die das Licht als Strahlen 35 auf ihre Fokalebene 34 fokussiert.
Das nicht abbildende optische Element 21 hat seine vordere Oberfläche 37 an oder in der Nähe der Fokalebene 34 positioniert und seine rückwärtige Oberfläche 39 an oder in der Nähe eines Sensors 38, wie etwa einer Photodiode, einer SPAD oder einer APD. Das nicht abbildende optische Element 21 ist aus einem massiven Stück eines Materials hergestellt, das bei der gegebenen Wellenlänge transparent ist und dazu konfiguriert ist, das von der Sammellinse 32 gebündelte Licht über den Erfassungsbereich des Sensors 38 auszubreiten. Die vorderen und rückwärtigen Oberflächen 37 bzw. 39 sind mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung beschichtet, um die Reflexionsverluste an diesen Oberflächen zu minimieren.
Eine Steuerung 40 ist mit der Lichtquelle 22, dem Scanspiegel 26 und dem Sensor 38 verbunden. Die Steuerung 40 umfasst in der Regel einen programmierbaren Prozessor, der in Software und/oder Firmware programmiert ist, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Zusätzlich oder alternativ können mindestens einige der Funktionen der Steuerung 40 von Hardware-Logikschaltungen ausgeführt werden, die fest verdrahtet oder programmierbar sein können. In jedem Fall hat die Steuerung 40 geeignete Schnittstellen zum Empfangen von Daten und zum Übertragen von Anweisungen an andere Elemente des Systems, wie beschrieben. Somit kann zum Beispiel die Steuerung 40 gekoppelt werden, um die Lichtquelle 22 und den Scanspiegel 26 anzutreiben sowie um von dem Sensor 38 emittierte Signale zu empfangen und zu analysieren. Bei einem LIDAR, der zum Beispiel zum Abbilden der Tiefe der Zielszene 24 verwendet wird, umfasst die Lichtquelle 22 einen gepulsten Laser, und der Sensor 38 umfasst eine SPAD. Die Steuerung 40 misst Zeiten des Auftreffens von Photonen am Sensor 38 relativ zu von der Lichtquelle 22 emittierten Impulsen, um Laufzeiten über die Zielszene abzuleiten und so eine Tiefenabbildung der Zielszene zu erzeugen.
Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, ermöglicht die geeignete Wahl eines nicht abbildenden optischen Elements 21 die Verwendung eines Sensors 38 mit einem Erfassungsbereich, der kleinere Abmessungen aufweist, als erforderlich wären, wenn der Sensor sich direkt in der Fokalebene 34 befände. Die Verwendung eines kleineren Erfassungsbereichs ergibt eine höhere Bandbreite und ein geringeres Dunkelrauschen im Vergleich zu einem größeren Sensor. Des Weiteren breitet das nicht abbildende optische Element 21 das in der Fokalebene 34 fokussierte Licht über den Erfassungsbereich des Sensors 38 aus, wodurch Probleme gemindert werden, die mit einer hohen lokalen Bestrahlungsstärke verbunden sind.
2 ist eine schematische bildliche Ansicht eines nicht abbildenden optischen Elements 21, das aus massivem Silizium hergestellt ist, mit durch das Element verfolgten optischen Strahlen 35 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst das nicht abbildende optische Element 21 einen zusammengesetzten, parabolisch gekrümmten Konzentrator (CPC) und fungiert als Lichtleiter, um Licht von der vorderen Oberfläche 37 zu der rückwärtigen Oberfläche 39 zu leiten.
Ein CPC ist ein optisches Element, das eine rotationssymmetrische Oberfläche um die optische Achse und ebene vordere und rückwärtige Oberflächen senkrecht zu der optischen Achse umfasst. Die Form der rotationssymmetrischen Oberfläche wird durch Drehen eines Abschnitts einer Parabel (Parabelabschnitt) um eine Achse definiert. Diese Achse ist definiert als die Mittelsenkrechte der Linie, die den Brennpunkt der Parabel mit dem Punkt des Parabelabschnitts verbindet, der dem Brennpunkt am nächsten liegt. Die durch die Drehung dieser Verbindungslinie definierte Oberfläche bildet die rückwärtige Oberfläche des CPC. Die vordere Oberfläche des CPC wird durch eine geeignete Wahl des Endpunkts des Parabelabschnitts weg von der rückwärtigen Oberfläche bestimmt. Der maximale Öffnungswinkel eines hohlen CPC, d. h. eines CPC, der mit Luft gefüllt ist, ist in der Regel einige zehn Grad und ist gleich dem Neigungswinkel zwischen der Achse der Parabel und der Rotationsachse. Der maximale Öffnungswinkel für einen massiven CPC, d. h. einen aus einem massiven Stück Material hergestellten CPC, ist aufgrund der Brechung der optischen Strahlen an der vorderen Oberfläche nach dem Snelliusschen Gesetz gegenüber dem eines hohlen CPC mit der gleichen Geometrie erhöht. Folglich ist ein massiver CPC in der Lage, eine größere Winkelausdehnung von Licht zu sammeln als ein hohler CPC. Ein hohler CPC wird in der Regel aus Glas oder Metall hergestellt, und seine Innenseite mit einem geeigneten reflektierenden Material wie etwa Aluminium beschichtet. Ein massiver CPC wird aus einem Material hergestellt, das bei der Wellenlänge von Interesse durchlässig ist, und seine rotationssymmetrische Oberfläche kann außen mit einem geeigneten reflektierenden Material wie etwa Aluminium beschichtet sein.
Wie in 1 gezeigt, ist das nicht abbildende optische Element 21 mit der vorderen Oberfläche 37 an oder in der Nähe der Fokalebene 34 und mit der rückwärtigen Oberfläche 39 in Kontakt mit oder in der Nähe von dem Sensor 38 positioniert.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das nicht abbildende optische Element 21 aus Silizium hergestellt und wird in dem Scanner 20 bei einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet. Bei dieser Wellenlänge ist Silizium hochdurchlässig, mit einem Brechungsindex von 3,5. Die vorderen bzw. rückwärtigen Oberflächen 37 und 39 sind mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung beschichtet, um Reflexionsverluste zu reduzieren und die Gesamtdurchlässigkeit des nicht abbildenden optischen Elements 21 zu erhöhen. Eine rotationssymmetrische Oberfläche 50 des nicht abbildenden optischen Elements 21 erfordert aufgrund des hohen Brechungsindex von Silizium, der eine vollständige interne Reflexion der Strahlen 35 sicherstellt, keine reflektierende Beschichtung.
Die Strahlen 35 treffen an einem Punkt 52, der in diesem Beispiel als der Mittelpunkt der vorderen Oberfläche gewählt ist, auf die vordere Oberfläche 37 auf. Die Strahlen 35 breiten sich innerhalb des nicht abbildenden optischen Elements 21 aus, wobei sie intern von der rotationssymmetrischen Oberfläche 50 reflektiert werden, und treten durch die rückwärtige Oberfläche 39 aus. An der rückwärtigen Oberfläche 39 haben sich die Strahlen 35 auf einen wesentlich größeren Bereich als Punkt 52 auf der vorderen Oberfläche 37 ausgebreitet, wodurch die Probleme gemindert werden, die mit einer hohen lokalen Bestrahlungsstärke verbunden sind, wenn der Sensor 38 in der Fokalebene 34 platziert würde. Strahlen, die an anderen Punkten auf der vorderen Oberfläche 37 auftreffen, breiten sich ähnlich innerhalb des nicht abbildenden optischen Elements 21 zur rückwärtigen Oberfläche 39 aus.
Somit kommen, unabhängig von der Position der fokussierten Strahlen 35 in der Fokalebene 34, alle Strahlen, die durch das nicht abbildende optische Element 21 übertragen werden, innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors 38 an, wodurch die Verwendung eines Sensors ermöglicht wird, dessen Abmessungen unabhängig von der Zielentfernung und der Scangeschwindigkeit sind, solange die Streifenlänge L kleiner ist als der Durchmesser der vorderen Oberfläche 37. Als ein Beispiel ergeben unter Anwendung der oben dargestellten Gleichungen ein Nacheilwinkel γ von 0,75 ° und eine Brennweite f von 13,6 mm eine Streifenlänge L von 356 µm. Somit muss für jede Scangeschwindigkeit und Zielentfernung, die einen Nacheilwinkel von nicht mehr als 0,75 ° ergeben, der Durchmesser der vorderen Oberfläche 37 356 µm nicht überschreiten.
Die Kondensatoreffizienz des nicht abbildenden optischen Elements 21, definiert als das Verhältnis zwischen den Bereichen der vorderen Oberfläche 37 und der rückwärtigen Oberfläche 39, beträgt 12,25. Folglich kann der Sensor 38 wesentlich kleiner sein als es erforderlich wäre, wenn der Sensor in der Fokalebene 34 positioniert wäre.
Die numerische Apertur für Strahlen, die von dem nicht abbildenden optischen Element aufgenommen werden, beträgt 0,76. Die Durchlässigkeit des nicht abbildenden optischen Elements 21 beträgt 98 %.
3 ist eine schematische bildliche Ansicht eines nicht abbildenden optischen Elements 60, das aus massivem Glas hergestellt ist, mit durch das Element verfolgten optischen Strahlen 35 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform umfasst das nicht abbildende optische Element 60 einen zusammengesetzten, parabolisch gekrümmten Konzentrator (CPC), der als Lichtleiter fungiert, um Licht von einer vorderen Oberfläche 62 zu einer rückwärtigen Oberfläche 64 des Elements zu leiten. Bezugnehmend auf 1 ist das nicht abbildende optische Element 60 mit der vorderen Oberfläche 62 an oder in der Nähe der Fokalebene 34 und mit der rückwärtigen Oberfläche 64 in Kontakt mit oder in der Nähe von dem Sensor 38 positioniert.
Das nicht abbildende optische Element 60 ist aus massivem Glas hergestellt. Ähnlich wie bei dem aus Silizium hergestellten nicht abbildenden optischen Element 21 sind die vorderen und rückwärtigen Oberflächen 62 und 64 mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung beschichtet, um Reflexionsverluste zu reduzieren und die Gesamtdurchlässigkeit des nicht abbildenden optischen Elements 60 zu erhöhen. Die Durchlässigkeit des aus Glas hergestellten nicht abbildenden optischen Elements 60 beträgt 90 %. Eine rotationssymmetrische Oberfläche 66 des nicht abbildenden optischen Elements 60 kann mit einem geeigneten reflektierenden Material wie etwa Aluminium beschichtet sein.
Die Strahlen 35 treffen an einem Punkt 68, der wieder beispielhaft als der Mittelpunkt der vorderen Oberfläche gewählt ist, auf die vordere Oberfläche 62 auf. Die Strahlen 35 breiten sich innerhalb des nicht abbildenden optischen Elements 60 aus, wobei sie intern von der rotationssymmetrischen Oberfläche 66 reflektiert werden, und treten durch die rückwärtige Oberfläche 64 aus. An der rückwärtigen Oberfläche 64 haben sich die Strahlen 35 auf einen wesentlich größeren Bereich als Punkt 68 auf der vorderen Oberfläche 62 ausgebreitet, wodurch die Probleme gemindert werden, die mit einer hohen lokalen Bestrahlungsstärke verbunden sind. Strahlen, die an anderen Punkten auf der vorderen Oberfläche 62 auftreffen, breiten sich ähnlich innerhalb des nicht abbildenden optischen Elements 60 zur rückwärtigen Oberfläche 64 aus. Somit kommen, unabhängig von der Position der fokussierten Strahlen 35 in der Fokalebene 34, alle Strahlen, die durch das nicht abbildende optische Element 60 übertragen werden, innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors 38 an, wodurch die Verwendung eines Sensors ermöglicht wird, dessen Abmessungen unabhängig von der Zielentfernung und der Scangeschwindigkeit sind, solange die Streifenlänge L kleiner ist als der Durchmesser der vorderen Oberfläche 62.
Die Kondensatoreffizienz des nicht abbildenden optischen Elements 60 beträgt 4, die numerische Apertur beträgt 0,76, und das nicht abbildende optische Element 21 kann einen Nacheilwinkel γ von 0,4 ° akzeptieren.
Obwohl die nicht abbildenden optischen Elemente 21 und 60 beide einen CPC umfassen, können andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andere Arten von nicht abbildenden optischen Elementen verwenden, die ein massives Stück eines Materials umfassen, die in der Technik bekannt sind, wie etwa verschiedene Arten von Lichtleitern.
Daher versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen als Beispiele angeführt werden, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschränkt ist, was hierin vorstehend besonders gezeigt und beschrieben worden ist. Vielmehr beinhaltet der Bereich der vorliegenden Erfindung sowohl Kombinationen und Subkombinationen der verschiedenen oben beschriebenen Merkmale als auch deren Variationen und Modifikationen, die für einen Fachmann nach Lektüre der obigen Beschreibung naheliegen und die im Stand der Technik nicht offenbart sind.

Claims

Optische Vorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die dazu konfiguriert ist, einen Lichtstrahl bei einer gegebenen Wellenlänge zu emittieren; mindestens einen Scanspiegel, der dazu konfiguriert ist, den Strahl über eine Zielszene zu scannen; einen Sensor mit einem Erfassungsbereich; und eine Lichtsammeloptik, umfassend: eine Sammeloptik, die so positioniert ist, dass sie das Licht von der Szene empfängt, das von dem mindestens einen Scanspiegel reflektiert wird, und das gesammelte Licht auf eine Fokalebene fokussiert; und ein nicht abbildendes optisches Element, umfassend ein massives Stück eines Materials, das bei der gegebenen Wellenlänge transparent ist, mit einer vorderen Oberfläche, die in der Fokalebene der Sammellinse positioniert ist, und einer rückwärtigen Oberfläche, durch die das geleitete Licht aus dem Material in der Nähe des Sensors emittiert wird, sodass das gesammelte Licht durch das Material geleitet und über den Erfassungsbereich des Sensors ausgebreitet wird.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die rückwärtige Oberfläche des nicht abbildenden optischen Elements in Kontakt mit dem Sensor steht.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das nicht abbildende optische Element einen zusammengesetzten, parabolisch gekrümmten Konzentrator (compound parabolic concentrator, CPC) umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material Silizium umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material Glas umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lichtstrahl einen Strahl von Lichtimpulsen umfasst und wobei der Sensor dazu konfiguriert ist, ein Signal auszugeben, das eine Einfallszeit eines einzelnen Photons auf dem Sensor angibt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 6 außerdem eine Steuerung umfassend, die konfiguriert ist, um Laufzeiten der Lichtimpulse zu und von Punkten in der Szene als Reaktion auf das Signal zu finden.
Verfahren zum Erfassen, umfassend: Scannen eines Lichtstrahls bei einer gegebenen Wellenlänge über eine Zielszene unter Verwendung von mindestens einem Scanspiegel; Sammeln des Lichts von der Szene, das von dem mindestens einen Scanspiegel reflektiert wird, und Fokussieren des gesammelten Lichts auf eine Fokalebene; und Positionieren einer vorderen Oberfläche eines nicht abbildenden optischen Elements, umfassend ein massives Stück eines Materials, das bei der gegebenen Wellenlänge transparent ist, in der Fokalebene; und Erfassen des gesammelten Lichts unter Verwendung eines Sensors, der in der Nähe einer rückwärtigen Oberfläche des nicht abbildenden optischen Elements positioniert ist, welches das gesammelte Licht über einen Erfassungsbereich des Sensors ausbreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Sensor in Kontakt mit der rückwärtigen Oberfläche des nicht abbildenden optischen Elements positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das nicht abbildende optische Element einen zusammengesetzten, parabolisch gekrümmten Konzentrator (CPC) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Material Silizium umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Material Glas umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Lichtstrahl einen Strahl von Lichtimpulsen umfasst und das Erfassen des gesammelten Lichts das Erfassen der Lichtimpulse und das Emittieren eines Signals umfasst, das eine Einfallszeit eines einzelnen Photons auf dem Sensor angibt.
Verfahren nach Anspruch 13, außerdem das Finden von Laufzeiten der Lichtimpulse zu und von Punkten in der Zielszene als Reaktion auf das Signal umfassend.