CN103119463A

CN103119463A - 激光雷达成像器

Info

Publication number: CN103119463A
Application number: CN2011800439738A
Authority: CN
Inventors: J-L·凯泽
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-05-22
Also published as: US20130182239A1; LU91737B1; CN109001753A; DE112011103100T5; WO2012034881A1; US9927524B2

Abstract

本发明涉及一种用于获得场景的距离图像的激光雷达成像器，包括：用于发射光束的光源，用于将光束扫描过整个场景的扫描装置和用于接收从场景反射的光的光传感器。扫描装置包括空间光调制器（SLM），其构造为显示将光束偏转到待成像的场景内的不同方向的全息图。

Description

激光雷达成像器

技术领域

本发明大体上涉及距离成像（range imaging），即，场景像素图像的形成，其中每个像素表示从成像器至场景中相应点的距离。本发明具体地涉及扫描激光雷达成像器。

背景技术

一种三维景象的已知方法使用“飞行时间”测量原理。从成像装置至场景中的点的距离（间距）通过投射到该点的光脉冲返回的定时来测量。激光雷达系统将调制光束透射入场景并且比较透射和返回信号的调制以确定距离。例如，相干频率调制器（FM）激光雷达结合频率调制/混合以确定距离。然而，FM激光雷达系统受到当前激光二极管的有限的频率调制能力的影响。相移（AM）激光雷达是将输出和输入的振幅调制的光束之间的相移相关联以确定距离的优选方法。

激光雷达3D成像系统能够分为两类：第一类激光雷达成像器使用折射性或反射性成像光学器件来将场景成像到检测器阵列上。

第二类激光雷达成像器通过将光束扫描过整个场景并且确定被光束照亮的每个点的距离值来以时分复用方式得到场景的距离图像。为了将光束扫过待成像的场景，通常使用扫描镜面。文献EP 0 448 111公开了一种激光雷达扫描系统，其具有用于将调制的光从其一个面透射到待成像的表面的旋转多面多棱镜。透射和接收的光之间的调制相差然后用于计算该表面距扫描系统的距离。

目前的这两类系统通常都受到其不能容易地重新配置的缺点的影响。一旦系统已经建立，那么视野一般被固定并且仅能通过更换成像光学器件或机械扫描装置来改变。具有自动变焦的系统非常复杂并且因而昂贵。而且，这种系统通常包括大量的移动部件，这对于一些应用而言是不利的。借助于扫描激光雷达成像器，帧频还由扫描镜面的频率给定。

技术问题

本发明的目的是提供一种更灵活的激光雷达成像器。这个目的由如权利要求1所述的装置来实现。

发明内容

一种用于获得场景的距离图像的激光雷达成像器，包括：用于发射光束的光源（一般是激光器）；用于将光束扫描过整个场景的扫描装置以及用于接收从场景反射的光的光传感器。根据本发明，扫描装置包括空间光调制器（SLM），其构造为显示将光束偏转到待成像的场景内的不同方向的全息图。本领域技术人员将理解的是，依照本发明的激光雷达图像无需可机械移动的部件诸如旋转或枢转的镜面来将光束扫过整个场景。该系统因而可以在机械方面保持简单。本发明的重要优点在于，该系统能够容易地通过适当编制SLM来调整或重新配置。例如，发射的光束的形状（例如，发散）和/或光传感器的视野能够经由SLM调整。与一直重复相同扫描模式的机械扫描器不同，仅通过用待显示的全息图的相应顺序来编制SLM，就可以使得光束以随机顺序照亮场景中的点。那么帧频就可以灵活地选择。

因而，通过仅改变由SLM显示的全息图（以及测量的定时），就能覆盖从需要低分辨率下非常快速的帧频到需要低帧频下的高分辨率的大范围的不同应用或运行模式。可以通过以下方式将不同的运行模式结合，即，例如在场景中限定需要高帧频下的高分辨率的关注区域，而对于场景的其余区域，仅在低帧频和/或低分辨率下粗略测量已足够。该系统还能构造为按需或在出现触发事件时从低帧频和/或低分辨率下的“待机”模式切换到高帧频和/或高分辨率的完全运行模式。

如将理解到的，SLM能够是反射型或透射型SLM。SLM可以例如包括（透射型）铁电液晶（FLC）面板或（反射型）硅基铁电液晶（FLCoS）。市售的FLCoS面板具有高达1280×1024像素（能够重新配置的元件）。其响应时间小于100μs（这使得能够在1Hz的帧频下成像具有100×100像素的场景，或者在100Hz的帧频下成像具有10×10像素的场景）。在研究论文中，提供响应时间小于10μs的FLC单体。替代地，空间光调制器能够包括数字微镜装置，例如表面上具有数十万可枢转的微型光学镜面的矩形阵列的芯片。其他技术，诸如例如可动态调节的衍射光栅（例如可用为“栅格光阀”），也能够用于SLM。

根据本发明的优选实施例，光传感器和SLM相对彼此布置以使得光传感器经由SLM接收反射光。SLM可以例如包括第一区域以显示将光束偏转的全息图以及分开的第二区域以显示将反射光偏转和/或聚焦到光传感器上的又一全息图。替代地，SLM可以包括用于发射光束和反射光的共同区域，其中将光束偏转的全息图还将反射光偏转和/或聚焦到光传感器上。如果发射光束和反射光在SLM中叠加，那么激光雷达成像器优选地包括分束器以将反射光与发射光束分开。

根据本发明的另一优选实施例，提供分开的空间光调制器以显示将反射光偏转和/或聚焦到光传感器上的全息图。

相对于机械扫描系统的优点是SLM可以用来确保被照亮的点一直正确地成像到光检测器上。对于机械扫描系统，这个对准仅能够通过将不同部件（透镜、镜面、光源、检测器）相对彼此物理地移动来实现。

优选地，激光雷达成像器包括以增加光束的偏转的方式与空间光调制器关联布置的光学元件。

有利地，空间光调制器可以构造为调制光束的相位而非振幅。

优选地，激光雷达成像器包括一个或多个光学过滤器以抑制由空间光调制器产生的不利的衍射级。

附图说明

本发明的优选实施例现在将借助示例参照附图描述，其中：

图1是根据本发明第一实施例的激光雷达成像器的示意图；

图2是根据本发明第二实施例的激光雷达成像器的示意图；

图3是图1的激光雷达成像器的变型的示意图。

在附图中，相同或类似的元件由相同的附图标记指示；在适当的时候，为了避免不同示例之间的混淆，使用根据附图编号的前缀。

具体实施方式

根据本发明的激光雷达成像器10的第一示例在图1中示出。激光雷达成像器包括光源12（例如，激光器），其发射具有足够相干长度的光束14。光束14由光学器件16（一个或多个透镜和/或镜面）成形（校准）。发射的光束14在穿过分束器20之后入射到反射SLM18上，分束器分开发射和接收光路径。在运行中，SLM显示一系列全息图，全息图成形光束14并且将其重新定向到场景22的不同部分上。在光束撞击到场景中的障碍时，光的一部分沿相反方向反射至位于光路中的激光雷达图像。反射的光由SLM18偏转并且在穿过分束器20之后由光学器件26聚焦至光电检测器24上。

控制单元28（例如，微处理器、应用特定的集成电路、场可编程选通阵列等）控制光源12、SLM18和光电检测器24的运行。控制单元28基于发射的光的飞行时间来计算激光雷达成像器10与场景中的当前照亮的点之间的距离。控制单元28还确定由SLM18显示的全息图的顺序并且因而控制场景22的哪个点或区域在什么时间被照亮。图1用虚线示出用于由SLM18显示的另一全息图的发射和接收光路。

图2示出激光雷达成像器210的第二示例。这个示例与图1的示例的不同之处在于其使用分开的光学路径用于发射和接收。因而在这个示例中不需要分束器。激光雷达成像器210包括具有分开区域以偏转发射和反射光的单个SLM18。作为替代，激光雷达成像器210能够配备有用于发射和接收的分开SLM。在所有其他方面中，激光雷达成像器210对应于图1的激光雷达成像器并且以相同的方式运行。

图3示出图1的激光雷达成像器的变型。激光雷达成像器310包括放大和/或过滤光学器件30（一个或多个透镜和/或镜面）用于增加光束的偏转和/或抑制不利的衍射级。在所有其他方面中，激光雷达成像器310对应于图1的激光雷达成像器并且以相同的方式运行。

附图标记：

10，210，310 激光雷达成像器

12 光源（例如，激光器）

14 光束

16 校准光学器件

18 空间光调制器（SLM）

20 分束器

22 待成像的场景

24 光电检测器

26 聚焦光学器件

28 控制单元

30 放大和/或过滤光学器件

Claims

1.用于获得场景（22）的距离图像的激光雷达成像器（10），包括：

用于发射光束（14）的光源（12）；

用于将所述光束（14）扫描过整个所述场景（22）的扫描装置；和

用于接收从所述场景（22）反射的光的光传感器（24），

其特征在于所述扫描装置包括空间光调制器（18），所述空间光调制器（18）构造为显示将所述光束（14）偏转的全息图。

2.如权利要求1所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）是反射型空间光调制器。

3.如权利要求1所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）是透射型空间光调制器。

4.如权利要求1至3中任一所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）包括铁电液晶面板。

5.如权利要求1至3中任一所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）包括数字微镜装置。

6.如权利要求1至5中任一所述的激光雷达成像器（10），其中所述全息图还成形所述光束。

7.如权利要求1至6中任一所述的激光雷达成像器（10），其中所述光传感器（24）和所述空间光调制器（18）相对彼此布置以使得所述光传感器（24）经由所述空间光调制器（18）接收所述反射光。

8.如权利要求7所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）包括第一区域以显示将所述光束偏转的所述全息图以及分开的第二区域以显示将所述反射光偏转和/或聚焦到所述光传感器（24）上的又一全息图。

9.如权利要求7所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）包括用于所述发射光束（14）和所述反射光的共同区域，其中将所述光束偏转的所述全息图还将所述反射光偏转和/或聚焦到所述光传感器（24）上。

10.如权利要求9所述的激光雷达成像器（10），包括分束器（20）以将所述反射光与所述发射光束（14）分开。

11.如权利要求1至6中任一所述的激光雷达成像器（10），包括又一空间光调制器以显示将所述反射光偏转和/或聚焦到所述光传感器（24）上的又一全息图。

12.如权利要求1至11中任一所述的激光雷达成像器（10），包括以增加所述光束偏转的方式与所述空间光调制器（18）关联布置的一个或多个光学元件（30）。

13.如权利要求1至12中任一所述的激光雷达成像器（10），其中所述空间光调制器（18）构造为调制所述光束（14）的相位而非振幅。

14.如权利要求1至13中任一所述的激光雷达成像器（10），包括一个或多个光学过滤器以抑制由所述空间光调制器（18）产生的不利的衍射级。