CN108693539A - 用于扫描扫描角的激光雷达设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开一种用于扫描扫描角的方法，其中，产生至少两个射束，使所述至少两个射束沿着所述扫描角转向，接收以及探测在对象上反射的至少两个到达的射束，其中，相互错开地产生并且探测所述至少两个射束。此外，公开一种用于扫描扫描角的激光雷达设备。

Description

用于扫描扫描角的激光雷达设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于扫描扫描角的方法以及一种用于扫描扫描角的激光雷达设备。

背景技术

在作为用于LIDAR(Light Detection And Ranging：光探测和测距)设备的射束源的半导体激光器中，可取得的输出功率尤其取决于半导体激光器的发射面的光学功率密度。如果功率密度过高，则这可能导致半导体激光器的损坏。在实施为边发射器的半导体激光器中，因此可以提高发射面积，其方式是，使发射面加宽。然而边发射器不能够以任意的宽度来实现，因为将形成损耗巨大的所不希望的模式。取而代之地，以直至400μm的宽度实现各个边发射器，并且将另外的在其旁的边发射器以一间距地放置。该结构称为激光器线阵(Laserbarre)。在远处的反差明显的照明可以通过半导体激光器的近场的成像来实现。对此，通常可以将透镜相对于发射面恰恰以透镜的焦距的间距地放置。然而，在该成像形式中，通过边发射器之间的间距产生照明方面的间隙。在将半导体激光器作为表面发射器的应用中，也形成照明方面的类似的间隙。

发明内容

本发明所基于的任务可以视为在于，提出一种激光雷达设备和一种方法，其能够实现扫描角的无间隙的照明。

所述任务借助根据本发明的方面的相应的主题来解决。本发明的有利的构型是各实施例的主题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于扫描扫描角的方法。在此，通过至少两个射束源产生至少两个射束，通过转向单元使所述至少两个射束沿着所述扫描角转向，通过接收单元接收并且接着探测在对象上反射的至少两个到达的射束，其中，相互错开地产生并且探测所述至少两个射束。

在此，通过至少一个第一射束源以及通过至少一个第二射束源产生所述至少两个射束。所述至少一个第一射束源和所述至少一个第二射束源可以例如实施为半导体激光器。不仅所述至少一个第一射束源而且所述至少一个第二射束源可以分别实施为半导体线阵(Halbleiter-Barre)。所述至少一个第一射束源和所述至少一个第二射束源可以一起形成叠阵(Stack)或射束源堆叠。所述至少一个第一射束源和所述至少一个第二射束源分别具有通过相应的射束源自身不能够照明的至少一个区域。这尤其由射束源的发射面之间的间距通过发射面的有限的延展以便避免相应的射束源的所不期望的模式引起。通过光学器件和转向单元或转向镜使所产生的射束沿着扫描角转向。因为射束的近场成像到更大的距离上，所以射束源的发射面之间的间距作为曝光间隙或扫描间隙随着增加的距离而变得更大。在至少两个射束源的情况下，所述至少一个第一射束源曝光或扫描至少一个第二射束源的至少一个扫描间隙。在此，菱形的相互错开的至少两个射束源可以实现扫描角的类似菱形图案的扫描。通过所产生的射束的转向，使相应的射束错开地沿着扫描角转向并且错开地接收相应的射束。也即，至少一个第一射束源的扫描间隙可以通过后续的错开的射束源来填充。扫描角在此可以是空间角。射束源的相应的发射面在此可以具有相同的几何形状和大小，替代地，发射面的几何形状和/或大小可以改变。

根据所述方法的一个实施例，相互角错开地产生所述至少两个射束。用于此的射束源相互角错开地布置。这些射束源不仅可以以射束源叠阵形式相互连接地或整体地实施而且可以单独地布置。由此可以实现错开的射束导向，其独立于与射束源或转向单元的距离地具有不断更强的偏移(Versatz)。替代地或附加地，射束源的发射面虽然可以位于一个平面中，但可以倾斜地布置，以便产生翻转的线性射束。在另一种有利的实施中，也可以减小交叉形的照明光晕(blooming)效应。

在所述方法的另一个实施例中，相互位置错开地产生和/或探测所述至少两个射束。在此，例如多个第一射束形成第一射束源线阵并且多个第二射束源形成第二射束源线阵。两个线阵可以如此相互移位地或错开地布置，使得第一射束源线阵的发射面布置在第二射束源线阵的发射面之间的区域旁，反之亦然。在此，汇总成一个叠阵的射束源线阵的数目不限于2。相反，在一个叠阵中的可能的射束源线阵的数目可以理解为至少两个射束源线阵。发射面可以在此至少局部地重叠。

替代地或附加地，射束源的发射面之间的区域也可以更大地实施，从而所述至少两个射束源线阵可以在照明方面最优地自我改善。通过位置错开地堆叠的射束源可以产生菱形的照明。该布置的一个大的优点是，经堆叠的射束源线阵或激光器线阵相比单个的射束源线阵可以提供更多的光学功率，然而电感仅仅略微地提高，因为对此不需要附加的电线路。低的电感恰恰对于非常短的脉冲的实现是决定性的。此外，可以如此设计各个线阵，使得最终产生闭合的线中的无间隙的照明。这在单个的射束源线阵的近场成像中是不可能的。在探测器侧，在此可以同样相应于射束源的或叠阵的数目地使用至少两个行或具有匹配的大小的探测器阵列来分辨菱形的照明。因此，可以堆叠任意多的射束源线阵。那么所需要的探测器行或探测器元件(Detektorzelle)的数目也相应地增加。优选地，不同的探测器元件探测被反射的第一射束和被反射的第二射束以及另外的可能的射束。例如，探测器的每个第二探测器元件可以探测第二射束源的被反射的射束。

根据另一个实施例，相互时间错开地产生和/或探测所述至少两个射束。在此，可以在至少一个射束源线阵内产生所述至少两个射束。所述至少一个射束源线阵尤其可以具有多个发射面，所述多个发射面尽可能无相互的间距地布置和连续编号。因此，例如在第一时间可以启用奇数地编号的射束源并且产生多个第一射束。在第二时间可以启用偶数地编号的射束源并且产生多个第二射束。这可以根据射束源线阵的数目来继续并且接着重复。因此，形成所产生的射束的时间错开的菱形形状的图案，所产生的射束可以通过扫描角转向。在第一时间和在第二时间产生的射束的在对象上反射的射束同样可以时间错开地由探测器探测并且接着合并或累积成无间隙地扫描的扫描区域或扫描角。在位置错开的射束源的情况下，被反射的射束的探测通过所产生的射束的转向决定地并且通过转向单元的确定的角速度确定地时间错开地进行。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于扫描扫描角的激光雷达设备。所述激光雷达设备具有用于产生至少两个射束的至少两个射束源和具有用于使所述至少两个射束沿着所述扫描角转向的转向单元。所述激光雷达设备的接收单元接收在对象上反射的至少两个到达的射束并且将其引导到至少一个探测器上，其中，所述至少两个射束源相互错开地布置并且至少一个第一射束源填补所述至少一个第二射束源的至少一个扫描间隙。

因为射束源的发射面不能够任意大或长地实施，所以可以汇总多个射束源。射束源的发射面通过其结构以及电连接以及机械连接决定地具有相互的间距。该间距或在相应数目的所汇总的射束源的情况下的多个间距在扫描角的扫描过程中引起曝光间隙。在此如此布置所述至少两个射束源，使得通过发射面产生的射束局部地重叠或无间距地并排延伸。这例如可以通过具有相互的偏移的多行射束源来实现。由此，所产生的射束可以相互错开地间隔开。可选地，射束源可以布置在菱形图案中。通过转向单元使错开地产生的射束沿着扫描角转向并且可以如此经汇总地或经累积地无间隙地曝光扫描角。

根据激光雷达设备的一个实施例，所述至少一个第一射束源时间错开地填补所述至少一个第二射束源的至少一个扫描间隙。错开地产生的射束分别用于扫描在扫描角内的确定的扫描区域。因此，例如第一射束可以曝光第一行或条带状的第一扫描区域并且在此之后不久第二射束曝光布置在条带状的第一扫描区域之下的第二扫描区域。通过射束源与所产生的射束的位置偏移决定地，例如根据转向单元的角速度，时间错开地进行条带状的第二扫描区域的曝光。由此，射束源可以相互间隔开，从而射束源不能够负面地相互影响。

根据另一个实施例，所述至少两个射束源是边发射器半导体激光器或表面发射器半导体激光器。所述至少两个射束源在此可以构造为半导体激光器。有利地，所述半导体激光器以边发射器结构型式实施并且如此错开地布置，使得发射面形成菱形图案。替代地或附加地，这样的菱形图案也可以通过表面发射器，如例如VCSEL(垂直腔面发射激光器)或VeCSEL(垂直外腔面发射激光器)来实现。为此，发射面同样以棱形图案来设计并且通过光学器件成像到远处。

根据激光雷达设备的另一个实施例，所述至少一个第一射束源和所述至少一个第二射束源分别实施为线阵并且一起形成叠阵。由此可能的是，实现射束源的更高的功率密度。叠阵的电感在此仅仅略微地被提高，从而尤其具有短脉冲式的射束的高频应用最多可能经历低的限制。

根据另一个实施例，所述叠阵的所述至少两个线阵通过至少一个共同的电极相互连接。由此，两个射束源线阵的发射面之间的间距可以是较小的。通过较小的间距可以减小扫描角的扫描过程中的时间延迟。

附图说明

下面根据强烈简化的示意图详细阐述本发明的优选的实施例。在此示出：

图1示出根据第一实施例的激光雷达设备的示意图；

图2示出根据第一实施例的方法的示意图；

图3示出根据第二实施例的方法的示意图；以及

图4a、b示出射束源叠阵的示意图。

在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据第一实施例的激光雷达设备1。激光雷达设备1具有第一射束源2和第二射束源4，所述第一射束源和第二射束源分别具有一个发射面6、8。发射面6、8相互错开地布置并且形成重叠区域。由此，在通过发射面6、8产生的射束5之间不产生成像间隙。两个射束源2、4组合成叠阵10。错开地产生的射束5通过光学器件12成像到转向单元14上。根据该实施例，所述转向单元14是可旋转的镜14，所述镜沿着转动轴线R使所产生的射束5沿着扫描角转向。所产生的射束5可以射到对象16上，如果该对象位于扫描角中。所产生的射束5在对象16上被反射成在对象16上反射的射束7并且由接收单元18引导到探测器20上。探测器20在此由多个探测器元件22组成，所述多个探测器元件能够根据射束源2、4的分布或射束源2、4的发射面6、8的分布来位置分辨地以及时间分辨地探测和辨识被反射的射束7。

在图2中示出根据第一实施例的方法的示意图。在此尤其示出具有光学器件12的射束源叠阵10。根据该实施例，所述射束源叠阵10由第一射束源线阵和第二射束源线阵组成，所述第一射束源线阵由三个第一射束源2组成，所述第二射束源线阵由两个第二射束源4组成。每个射束源2、4具有自身的发射面6、8。这两个射束源线阵的射束源2、4和因此发射面6、8如此相互错开地布置，使得发射面6、8形成菱形图案。通过光学器件12和在此为概览性起见未示出的转向单元14，将发射面6、8越过例如100m的距离24地成像。在第一时间步Z1中，成像A1在各个发射面6、8的距离24处可见并且由探测器20可探测。在此，在第一时间步Z1中成像的发射面26、28具有相互的间距30。间距30是扫描间隙30。在第二时间步Z2中，由转向单元14使通过发射面6、8产生的射束5转向。由探测器20与在时刻Z1的成像A1累积或汇总的成像A2现在具有来自第一时刻Z1的所成像的发射面26、28以及在第二时刻Z2成像的发射面36、38。在第二时刻Z2，第二发射面8、28的扫描间隙30通过第一发射面6的所成像的发射面36来填补。现在连续地或逐步地重复该过程直至扫描或曝光扫描角。在第三时间步Z3中例如曝光在发射面26、36、28、38的成像之间的大多数间隙30。随着时间步数目的增加，完整的和无间隙的曝光的数目也增加。在通过整个扫描角的两个或更多个扫描过程中，也曝光第一时间步Z1的曝光间隙30。视射束源线阵的或整个叠阵10的垂直延展而定地，可以完全省去转向单元14沿垂直方向的偏转，因为可以曝光和探测足够大的空间角作为扫描角。由此在一个扫描通过过程(Abtastdurchgang)时已经可以曝光扫描间隙30的大部分。

图3示出根据第二实施例的方法的示意图。根据该实施例，射束源2、4构造为射束源线阵并且具有直接并排布置的发射面6、8。通过所不期望的模式的形成，不能够使无间距地实施的发射面6、8同时运行。相反，在此，在第一时间步Z1中将第一射束源2的发射面6启用并且成像成发射面26。在第二时间步Z2中，转向单元14进一步转动一定义的角。在此，在第二时间步Z2中启用第二射束源4的发射面8、28，而停用发射面6、26。由被反射的射束7，探测器20可以合并成所接收的被反射的射束7。在第三时间步Z3中，全部的扫描间隙30存在于所成像的发射面26、28之间。在扫描角在时刻ZN的第二曝光过程之后才曝光扫描间隙30。根据该实施例，需要多个扫描通过过程用于完全曝光扫描角。为此，射束源2、4可以更简单地以唯一的射束源线阵形式实施。

图4a和4b示出射束源叠阵10的示意图。射束源叠阵10在此可以如在图4a中所示出的那样由相同方向的两个射束源2、4或射束源线阵组成。该箭头说明用于激活发射面6、8的电流方向。对此替代地，在图4b中示出射束源叠阵10，所述射束源叠阵由相反方向的射束源线阵或射束源2、4组成。这两个射束源2、4共享共同的电极32。电极2同时将这两个射束源线阵相互连接。如通过箭头可以看出的那样，电流走向从电极32通过射束源线阵到边缘区域中地定向。通过具有共同的电极32的结构型式，发射面6、8可以相互更近地布置并且因此可以提高系统的或激光雷达设备1的水平分辨率。

Claims (9)

1.一种用于扫描扫描角的方法，所述方法具有以下步骤：

产生至少两个射束(5)，

使所述至少两个射束(5)沿着所述扫描角转向，

接收在对象(16)上反射的至少两个到达的射束(7)，

探测所述至少两个到达的射束(7)，

其特征在于，相互错开地产生并且探测所述至少两个射束(5，7)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，相互角错开地产生所述至少两个射束(5)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，相互位置错开地产生和/或探测所述至少两个射束(5，7)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，相互时间错开地产生和/或探测所述至少两个射束(5，7)。

5.一种激光雷达设备(1)，其用于执行根据以上权利要求中任一项所述的用于扫描扫描角的方法，所述激光雷达设备具有用于产生至少两个射束(5)的至少两个射束源(2，4)、具有用于使所述至少两个射束(5)沿着所述扫描角转向的转向单元(14)、具有用于接收在对象(16)上反射的至少两个到达的射束(7)并且将其引导到至少一个探测器(20)上的接收单元(18)，其特征在于，所述至少两个射束源(2，4)相互错开地布置并且至少一个第一射束源(2)填补所述至少一个第二射束源(4)的至少一个扫描间隙(30)。

6.根据权利要求5所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个第一射束源(2)时间错开地填补所述至少一个第二射束源(4)的所述至少一个扫描间隙(30)。

7.根据权利要求5或6所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个射束源(2，4)是边发射器半导体激光器或表面发射器半导体激光器。

8.根据权利要求7所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个第一射束源(2)和所述至少一个第二射束源(4)分别实施为线阵并且一起形成叠阵(10)。

9.根据权利要求8所述的激光雷达设备，其中，所述叠阵(10)的所述至少两个线阵通过至少一个共同的电极(32)相互连接。