CN108027425B - 激光雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

一种激光雷达传感器，其尤其用于机动车，所述激光雷达传感器具有光源(12)，可运动的偏转镜(18)和光学接收器(42)，所述偏转镜用于通过使由所述光源(12)发射的光束(14)偏转来产生扫描监控空间(36)的探索射束(32)，所述光学接收器用于探测在监控空间(36)中由所述探索射束(32)照射到的对象(38)处反射的光，其特征在于，所述光源(12)和所述偏转镜(18)设置用于以所述偏转光束(26)扫描微光学元件(22)的区域(20)，所述元件的每个——如果所述元件由所述光束照射到——将所述光束扩展成发散射束(28)，并且与所述微光学元件的区域(20)间隔开地布置有对光进行集束的元件(32)，所述元件将所述发散射束(28)变形成形成所述探索射束(32)的光束，所述光束的射束直径大于所述偏转光束(26)的射束直径。

Description

激光雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种激光雷达传感器，其尤其用于机动车的，所述激光雷达传感器具有光源、可运动的偏转镜和光学接收器，所述偏转镜用于通过使由光源发射的光束偏转来产生掠过(überstreichen)监控空间的探索射束，所述接收器用于探测在监控室中的由探索射束照射的对象处已经反射的光。
背景技术
此外，激光雷达传感器在用于机动车的驾驶员辅助系统中用于检测交通周围环境，例如用于定位在前面行驶的车辆或其他障碍物。
在以上提及的类型的传统的激光雷达传感器的情况下，通过光学器件微小地扩展由光源(例如半导体激光器)产生的光束，使得所述光束具有例如1-2mm的射束直径。然后在偏转镜处偏转所述射束并且直接形成用于定位对象的探索射束。使偏转镜振荡地在一个维度中或在两个维度中运动，使得探索射束掠过确定的角度范围或者——在偏转镜的二维运动的情况下——掠过形成监控空间的确定的空间角度范围。
基于小的射束直径可以使用小型化的偏转镜，所述偏转镜具有相应小的惯性转矩，使得镜的机构(Mechanik)即使在高振荡频率的情况下也不过载并且因此能够实现以高的帧率扫描监控空间。
然而不利的是，在尘、雨或雪的情况下出现相对高的吸收或散射损耗，因为射束直径与散射粒子(例如雪花)相比相对小。在不利的条件下，由此限界激光雷达传感器的作用距离和敏感度。此外，通过眼睛安全性的要求限界激光射束的最大允许强度。由此也得出在作用距离和敏感度方面的限制。
作为替代方案，已知所谓的宏观扫描器(Makroscanner)，在所述宏观扫描器的情况下通过光学器件显著更强烈地扩展激光射束。基于获得射束参数乘积，在远场中可以实现探索射束的非常小的张角。为了偏转光束，总之需要非常大尺寸的偏转镜。出于所述原因，激光雷达传感器大多作为整体以方位角偏转。然而基于传感器的尺寸和质量惯性仅能够实现监控空间的相对小的张角和/或小的扫描频率，并且因此仅能够实现低的帧率。如果也在仰角方面需要角度分辨率，则大多以多光束系统工作，在所述多光束系统的情况下在不同的仰角角度下发射多个探索射束。
发明内容
本发明的任务是，提供一种激光雷达传感器，所述激光雷达传感器在必要的眼睛安全性和相对于散射粒子小的敏感度的情况下能够实现监控空间的高的扫描频率和/或大的张角。
根据本发明，所述任务通过如下解决：光源和偏转镜设置用于，以经偏转的光束扫描微光学元件的区域，所述微光学元件元件中的每个元件——当其由光束照射时——将所述光束扩展成发散射束，并且与微光学元件的区域间隔开地布置有对光进行集束的元件，所述对光进行集束的元件将发散射束变形成形成探索射束的射束，所述射束的射束直径大于经偏转的射束的射束直径。
微光学元件和对光进行集束的元件共同实现类似如在宏观扫描器的情况下那样的射束扩展，使得即使在提高激光射束的总功率的情况下也可以保障眼睛安全性，因为射束直径大于人眼的瞳孔直径。相对于散射粒子的敏感度也类似如在宏观扫描器的情况下那样的小。然而因为照射到偏转镜上的光束具有显著更小的直径，所以可以使用小型化的偏转镜，以所述偏转镜能够实现相应高的扫描频率。在偏转镜处偏转的射束不直接扫描监控空间，而是仅扫描微光学元件的区域。发射探索射束的方向与分别涉及的微光学元件相对于对光进行集束的元件的光轴的位置有关。因此，监控空间的张角可以明显地大于使光束在偏转镜处最大地偏转的角度。以这种方式能够实现以高的帧率扫描具有大的张角的监控空间。
根据本发明的一种有利的扩展方案，所发射的光束和所述经偏转的光束具有最大5mm的直径并且对光进行集束的元件具有至少15mm的直径。
微光学元件可以可选地是对光进行折射的元件(例如散射透镜)或对光进行反射的元件(例如拱形镜或凹面镜)。也可以使用进行衍射的元件(例如DOE、衍射光学元件)。
对光进行集束的元件可以是光学透镜，微光学元件的区域处于所述光学透镜的焦平面内，使得发散射束通过透镜变形成几乎平行的射束。替代地，也可考虑凹面镜替代透镜。
对光进行集束的元件可以同时构成光学接收器的镜头，使得入射的、在对象处反射的射束与发射的射束同轴，并且在分析处理所探测的信号时不需要考虑视差误差。例如，可以在光源与对光进行集束的元件之间(即光源与偏转镜之间)、偏转镜与微光学元件的区域之间或微光学元件的区域与对光进行集束的元件之间的光路中设置有分束器，所述分束器使所接收的光偏转到探测器区域上。在一种实施方式中，微光学元件的区域也可以同时具有分束器的功能。
为了补偿成像误差可能有利的是：微光学元件的区域或使光偏转到所述区域上的镜呈拱形地构造。
附图说明
以下根据附图进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1：根据本发明的激光雷达传感器的示意图；
图2：应用例的图解，在所述应用例的情况下激光雷达传感器用于机动车中的对象定位；和
图3至图8：根据本发明的其他实施方式的激光雷达传感器的草图。
具体实施方式
图1示出的激光雷达传感器10具有半导体激光器作为光源12，所述半导体激光器发射光谱的可视范围内的光束14或也可选地发射红外范围内的光束14。成像透镜16将光通过偏转镜18聚焦到微光学元件22的区域20上。在所示出的示例中，区域20是透明的板，例如玻璃板，所述板具有作为微光学元件22的散射透镜的精细栅格。
偏转镜18能够围绕垂直于图1中的制图图层延伸的轴线24旋转并且振荡地运动，如图1中通过双向箭头说明的那样。使光束14在偏转镜18处如此偏转，使得所述光束形成扫描区域20的经偏转的射束26。散射透镜中的由经偏转的射束26照射的散射透镜产生发散射束28，所述发散射束照射到呈透镜30的形式的对光进行集束的元件上。
区域20与透镜30之间的间距大约相应于透镜30的焦距，使得发散射束28通过透镜变形成几乎平行的射束集束，所述射束集束作为探索射束32由激光雷达传感器10发射。在此，探索射束32的发射方向与微光学元件22的位置有关，所述元件恰好由经偏转的射束26照射。以这种方式，偏转镜18也间接地实现探索射束32的偏转。
图2示出机动车34，在所述机动车的情况下，激光雷达传感器10安装在前端中并且在行驶方向上朝向前面。借助偏转镜使探索射束32振荡地偏转，并且所述探索射束掠过角度范围±α，所述角度范围在所示出的示例中是±12°并且定义由激光雷达传感器10扫描的监控空间36。在所示出的示例中，对象38处于监控空间36中，所述对象即在前面行驶的车辆，所述车辆由探索射束32照射并且反射辐射的一部分，使得反射射束40回到激光雷达传感器10并且在那里被接收。
在图1中示出的示例中，激光雷达传感器的接收器42通过透镜44和光电子的图像传感器46构成。反射射束40通过布置在透镜30旁边的透镜44聚焦到图像传感器46上。图像传感器例如通过CCD元件的行或的CCD元件的区域构成。
在图1中示出的装置的情况下，偏转镜18与区域20之间的间距确定如下角度：必须使偏转镜围绕所述角度旋转，以便完整地扫描区域20。所述间距越大，则偏转镜18必须偏转的角度范围越小。反之，由扫描光束32扫描并且因此定义监控空间36的角度范围与透镜30的焦距有关，并且因此所述角度范围与区域20与透镜30之间的间距有关，并且因此所述角度范围可以明显地大于偏转镜18偏转的角度范围的两倍。
在一维的激光雷达传感器的情况下，使探索射束32仅在一个维度内偏转，例如以如图2中那样的方位角。在所述情况下，存在紧密并排地布置的微光学元件22的仅一个唯一的行的区域20。
反之，在也使探索射束32以仰角偏转的二维的激光雷达传感器的情况下，区域20是二维的区域，所述区域也在垂直于图1中的制图图层的方向上旋转，并且偏转镜18不仅能够围绕轴线24偏转，而且能够围绕垂直于轴线24且在镜的纵向上延伸的轴线偏转。
在实际的示例中，由光源12产生的光束14具有大约3.3的衍射率M2、大约1.7°的张角和在最薄的位置处大约0.14mm的直径。成像透镜16具有3mm的直径和29mm的焦距，所述成像透镜相对于光源的间距是76mm。偏转镜18距离成像透镜16大约11mm并且距离微光学元件的区域20大约40mm。区域20在主扫描方向上(在图1中竖直地)具有22mm的长度并且形成每毫米十个微透镜。透镜30具有50mm的直径和50mm的焦距。然后探索射束32可以在所提及的+/-12°的角度范围内偏转并且具有如下直径：所述直径在透镜的位置处是大约19mm并且在180m的距离上增大至大约57cm。因此，探索射束32的直径甚至直接在激光雷达传感器处大于人眼的入射光瞳(大约7mm)的两倍，使得甚至在激光射束的大的总功率与激光雷达传感器的相应大的作用范围和敏感度的情况下可以维护必要的眼睛安全性。此外，射束直径大于散射粒子的典型的直径，如雪花48、雨滴、尘微粒等，使得仅出现相应小的散射和吸收损耗。
作为其他的实施例，图3示出激光雷达传感器10a，其具有微光学元件22a的区域20a，所述区域通过进行反射的板构成。在这种情况下，各个微光学元件22a通过小的拱形镜(或者可选地通过也具有非常短的焦距的凹面镜)构成。
在所述实施例中，透镜30同时构成接收器42a的镜头，所述接收器此外具有分束器50(例如半透镜)，所述半透镜允许发散射束从微光学元件22a透过至透镜30，然而使所接收的光的一部分偏转到图像传感器46a上。明显地，在所述实施方式的情况下，借助对光进行折射的元件作为微光学元件也能够实现接收器42a的所述构造，反之，与进行反射的微光学元件22a组合也能够实现与透镜30分开布置的接收器。
图4示出激光雷达传感器10b，其与激光雷达传感器10a区别如下：设置有不同地构造的接收器42b。所述接收器具有呈半透镜形式的分束器50b，所述半透镜布置在光源12与成像透镜16之间并且使所接收的光偏转到图像传感器46b上，所述图像传感器通过单个光敏元件构成。因此，在所述实施例的情况下，所接收的光由透镜30聚焦到区域20a上，在那里反射到偏转镜18上并且最后通过成像透镜16并且通过分束器50b聚焦到图像传感器46b上。在这种情况下，所接收的光入射的方向由偏转镜18的在每个时刻已知的角度姿态得出，其中假设，光的信号运行时间是如此短的，使得偏转镜18在所述时间以内旋转的旋转角是可忽略地小的。
图5示出激光雷达传感器10c，其与根据图4的激光雷达传感器区别如下：作为微光学元件的区域设置有拱形的区域20c。所述区域的拱形允许使成像误差最小化。在所述示例中，作为微光学元件设置有对光进行衍射的元件22c。然而，也可以可选地设置有对光进行折射或反射的元件。
在所述示例中，在偏转镜18与区域20c之间设置有另一镜52，所述镜使光如此偏转，使得所述光沿着透镜30的光轴落到区域20c上。
作为改进的实施例，图6示出激光雷达传感器10d，其具有如图5中的激光雷达传感器10c那样相等的原则上的结构，具有如下区别：根据图5的拱形的区域20c通过根据图1的微光学元件的非拱形的区域20替代。为此，在此为了补偿成像误差，设置拱形镜52d替代平面镜52。
图7示出激光雷达传感器10e，在所述激光雷达传感器的情况下光源12产生强烈集束的平行的激光射束，所述激光射束通过偏转镜18和分束器50e的半透镜偏转到微光学元件的区域20上。所接收的并且由透镜30集束的光(在此通过虚线表示)穿过(透光的)区域20落到分束器50e上并且通过所述分束器耦合输出到接收器42e上，所述接收器通过面式的(或行状的)图像传感器46e和成像透镜16e构造。附加的成像透镜16e能够实现使用非常小的图像传感器46e。此外，在所述装置的情况下可以更好地充分利用接收光圈。图像传感器46接收射束集束的所有光，所述射束集束在透镜30处填满所述透镜的整个横截面。以这种方式在接收路径中实现更高的信号强度。
最后，图8示出激光雷达传感器10f，其与激光雷达传感器10e区别如下：设置有进行反射的微光学元件的区域20f，所述区域然而是半透的并且因此同时充当分束器。

Claims (12)

1.一种激光雷达传感器，其尤其用于机动车，所述激光雷达传感器具有光源(12)，可运动的偏转镜(18)和光学接收器，所述偏转镜用于通过使由所述光源(12)发射的光束(14)偏转来产生掠过监控空间(36)的探索射束(32)，所述光学接收器用于探测在所述监控空间(36)中的由所述探索射束(32)照射的对象(38)处已经反射的光，其特征在于，所述光源(12)和所述偏转镜(18)设置用于以经偏转的光束(26)扫描一些微光学元件(22；22a；22c)的区域(20；20a，20c；20f)，当这些微光学元件中的每个由所述光束照射时，其将所述光束扩展成发散射束(28)，并且与这些微光学元件的区域(20；20a，20c；20f)间隔开地布置有对光进行集束的元件(30)，所述对光进行集束的元件将所述发散射束(28)变形成形成所述探索射束(32)的射束，所述形成所述探索射束的射束的射束直径大于经偏转的光束(26)的射束直径，
其中，所述对光进行集束的元件(30)同时构成所述接收器(42a；42b；42e)的镜头，在所述光源(12)与所述对光进行集束的元件(30)之间的光路中设有分束器(50；50b；50e)，所述分束器用于使所接收的光偏转到所述接收器的图像传感器(46a；46b；46e)上，
其中，所述分束器(50)布置在微光学元件的区域(20a)与所述对光进行集束的元件(30)之间，或者，所述分束器(50b)布置在所述光源(12)与所述偏转镜(18)之间，或者，所述分束器(50e)布置在所述偏转镜(18)与所述微光学元件的区域(20)之间。
2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，这些微光学元件(22)是微透镜。
3.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述微光学元件(22a)是进行反射的元件。
4.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述微光学元件(22c)是对光进行衍射的元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达传感器，其具有成像透镜(16)，所述成像透镜将由所述光源(12)发射的光束(14)通过所述偏转镜(18)聚焦到所述微光学元件的区域(20；20a)上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所发射的光束(14)和所述经偏转的光束(26)具有最大5mm的直径并且所述对光进行集束的元件(30)具有至少15mm的直径。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述接收器具有透镜(16；16e)，所述透镜用于将所接收的、由所述对光进行集束的元件(30)预聚焦的光聚焦到图像传感器(46b；46e)上。
8.根据权利要求7所述的激光雷达传感器，其中，所述接收器(46e)的透镜(16e)和所述对光进行集束的元件(30)具有共同的光轴，并且分束器(50e)如此布置在所述共同的光轴上，使得所述分束器使来自所述偏转镜(18)的光偏转至所述对光进行集束的元件(30)并且将所接收的光耦合输出到所述接收器中。
9.根据权利要求8所述的激光雷达传感器，其中，通过微光学元件的区域(20f)构造所述分束器。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达传感器，其中，微光学元件的区域(20c)是拱形的。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达传感器，其中，在所述对光进行集束的元件(30)的光轴上布置有镜(52；52d)，所述镜使由所述偏转镜(18)偏转的射束偏转到微光学元件的区域(20；20c)上。
12.根据权利要求11所述的激光雷达传感器，其中，所述镜(52d)是拱形的。
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