CN109116328A - 用于激光雷达系统的探测器装置、激光雷达系统和车辆 - Google Patents

Abstract

提出一种探测器装置(1)，其用于探测激光雷达系统(100)的反向散射的光(30)。所述探测器装置包括光波导体(10)和探测器单元(20)。所述光波导体包括光耦合输入面(11)、光耦合输出面(12)和发光材料(14)，为了耦合输入所述激光雷达系统的反向散射的光，所述光耦合输入面由所述光波导体的周面的至少一个部分面构成，所述光耦合输出面由所述光波导体的轴向末端(13)处的、光波导体的横截面构成，所述发光材料被引入所述光波导体内部并且构造为用于在激光雷达系统的波长范围内发射由于发光物质而再发射的光(32)。为了探测所述再发射光的至少一部分，所述探测器单元布置在所述光波导体的光耦合输出面处。

Description

用于激光雷达系统的探测器装置、激光雷达系统和车辆

技术领域

本发明涉及一种用于激光雷达系统的探测器装置、一种具有这种探测器装置的激光雷达系统以及一种具有这种激光雷达系统的车辆。

背景技术

激光雷达系统(Lidar＝light detection and ranging，激光探测与测距)用于检测激光雷达系统的周围环境或周围环境中的对象。为此，例如由激光源扫描式地发射激光脉冲，并且借助探测器来检测在这样的对象处反向散射的激光。由信号的传播时间和光速可以确定至散射位置的距离，并且因此可以重建周围环境。

激光雷达系统或激光雷达传感器越来越多地应用在自主车辆的研发中。在此，现有技术的激光雷达传感器经常使用机械运动的镜，以便使一个或多个准直的光束运动通过待观察的场景。该镜也用于将分别从场景反向散射的光偏转到点探测器上。存在以下激光雷达传感器：所述激光雷达传感器直接测量短脉冲的传播时间(pulsed Time-of-Flight，TOF：脉冲飞行时间)、幅度调制的相移或频率调制的差频(FMCW)。作为机械运动的镜的替代方案，为了扫描准直的射束提出如下系统，该系统基于：机械微镜、“光学相控阵列(optically phased arrays)”以及由多个光源构成的阵列。

然而，在探测器方面仍存在如下问题：需要通过大孔径来探测大角度范围内的光。在此，在物理学上无法借助光学系统来减小光场的集光率(面积与角度范围的乘积)。因此，也无法使在大角度范围内穿过大面积的全部光成像到小面积(点探测器)上。所有上面提到的用于避免大型机械镜的原理的共同之处在于：这些镜要么依赖于进行扫描的探测器光学器件，要么依赖于大面积的探测器。这两种替代方案是昂贵并且复杂的。

发明内容

根据本发明，提供一种用于激光雷达系统的探测器装置，该探测器装置用于探测反向散射的光。在此，该探测器装置包括光波导体和探测器单元。该光波导体包括光耦合输入面、光耦合输出面和发光材料，为了耦合输入激光雷达系统的反向散射的光，该光耦合输入面由光波导体的周面构成，该光耦合输出面由光波导体的轴向末端处的光波导体横截面构成，该发光材料被引入光波导体的内部，并且构造为用于在激光雷达系统的波长范围内发射由于发光物质而再发射的光。为了探测再发射的光的至少一部分，探测器单元布置在光波导体的光耦合输出面处。

有利地，在当前的探测器装置中不直接探测激光雷达系统的反向散射的光，而是探测由于反向散射的光光耦合输出到光波导体中而由发光材料的发光物质再发射的光。光波导体的光耦合输入面由光波导体的周面的至少一个部分区域构成。光耦合输入面不一定是光波导体的整个周面，而是也可以是周面的仅一部分，例如优选是周面的朝向入射光的部分。在此，探测器单元的面积对应于光波导体的耦合输出面的面积，该耦合输出面又是光波导体的横截面的至少一部分。

因此，根据本发明的探测器装置具有如下优点：可以增大光波导体的长度并且因此可以增大光耦合输入面，而不需要在此改变探测器单元的大小，因为在增大光波导体长度的情况下，光波导体的横截面以及光耦合输出面不改变其大小。因此，探测器孔径的大小与探测器单元的大小脱耦，该探测器孔径的大小由光波导体的周面的至少一个部分区域所展开的光耦合输入面给定。因此，大角度范围内的光可以通过大面积偏转到小的(且快速的)探测器单元上。因此，激光雷达系统可以设有小的探测器单元，由此可以有利地避免过大的探测器单元。

在此，可以考虑将发光颜料作为发光材料。在此，发光物质破坏入射光的方向信息，其中，借助全反射或直接沿光波导体在轴向方向上通过侧向的耦合输出面将所述再发射光的一部分引至探测器单元。在此，再发射光的波长通常略大于激光雷达系统的有效波长。在本发明的范畴内，术语“耦合输入”表示光进入光波导体内部。例如可以考虑将发光二极管作为探测器单元，其中，也可以考虑使用其他符合目的的探测器单元来探测光。

优选地，颜色滤波器安置在探测器单元与光波导体的末端之间，其中，该颜色滤波器构造成布拉格滤波器(Bragg-Filter)。在传统的探测器装置中，颜色滤波器必须被构造得相当大并且对角度敏感，以便例如不让干扰光(例如太阳光)到达探测器单元。在当前情况下，可以使用简单的布拉格滤波器，因为传播通过光波导体的光束形成在很大程度上准直的光束，其仅覆盖小角度范围。布拉格滤波器具有高滤波效率。此外，所需滤波器的小面积对整个系统的成本有积极影响，因为滤波器成本直接与滤波器面积正相关。

在一种特别的实施方式中，光波导体以螺旋的形式构造。在此，可以有利地覆盖大的耦合输入面，由此增大探测器装置的孔径。

优选地，至少一个光波导体构造成透明薄膜。因此，光波导体和发光材料都是透明的，其中，透明是指对人眼可见的波长范围的透光性。例如可以有利地将这种实施方案安装在车辆的挡风玻璃处，而不干扰车辆乘员的视野。

在一种特别的实施方式中，探测器装置包括多个光波导体，所述多个光波导体具有各自配属的探测器单元，其中，每个光波导体具有一个角度选择性元件，其中，为了选择确定的角度范围，每个角度选择性元件如此构造，使得仅将该确定角度范围内的反向散射光引导至相应的光波导体。在车辆中的激光雷达系统方面，借助角度选择性元件将挡风玻璃的整个待检测的视野分解或划分成单个视野，其中，对于每个视野范围有一个确定的光波导体负责。有利地，这种探测器装置可以使用在干扰更加敏感的系统中、例如具有雪崩光电二极管(APD)的所谓的直接飞行时间(TOF)方法中，因为在这种情况下，每个光波导体的视野范围、即所谓的“视野(Field of View)”相应地减少并且因此改善接收信号的相应信噪比。在此，从确定视野范围反向散射的光可以被传输至确定的光波导体，而视野范围的剩余部分被反射或阻挡并且因此不到达该确定的光波导体。例如可以考虑将光学仪器作为角度选择性元件。

在此优选地，每个角度选择性元件如此构造成波长选择性的，使得仅将确定波长范围引导至光波导体，其中，确定波长范围包括激光雷达系统的有效波长。由此实现了进一步的滤波作用。

优选地，角度选择性元件构造成全息光学构件。所述全息光学构件尤其是体积全息图，该体积全息图不仅可以被制成透射全息图，而且也可以被制成反射全息图。在此，全息光学构件特别适用于实现针对确定视野范围、或角度范围以及确定波长范围的限定的记录条件。在体积全息图中，可以借助层厚度和折射率调制来精确调节记录条件。

在一种特别的实施方式中，全息光学构件中的至少一个由多个亚全息图(Unterhologramm)构成。在此，还可以更精确地限定针对角度和波长的记录条件。例如可以通过全息复用，或者替代地通过形成由多个相继层压的全息层构成的堆叠来将亚全息图写入到全息体积内。

此外，提出一种激光雷达系统，其包括用于发射具有确定有效波长的激光的激光源。在此，有效波长例如处于红外范围内。激光雷达系统还包括根据上述实施方案中任一项所述的用于探测反向散射的光的探测器装置。尤其可以考虑将扫描式激光器作为激光源。

此外，本发明包括一种车辆，其包括根据上述实施方案所描述的激光雷达系统。该车辆可以涉及机动车、尤其道路上的机动车、例如轿车或载重货车或两轮车。在此，尤其可以考虑自主式轿车，在所述自主式轿车的情况下可以使用相应的激光雷达系统。

在此优选将至少一个波导体引入车辆的挡风玻璃内。由此，可以有利地省去车辆车身中的附加单独开口。优选地，至少一个探测器单元还构造为用于可安装地构造在车辆的车辆柱处。因此，探测器单元能够不引人注目地被集成并且能够在挡风玻璃的侧面被接触到。尤其可以考虑将A柱作为车辆柱，其中，视应用情况而定例如也可以考虑将B柱、C柱或D柱作为车辆柱。此外，这种安装是节省空间的并且能够在没有较大干预的情况下集成到传统车辆概念中的车辆车身中。

本发明的有利扩展方案在说明书中作出描述。

附图说明

借助附图和以下描述进一步阐述本发明的实施例。附图示出：

图1：根据第一实施方式的用于激光雷达系统的探测器装置；

图2：根据第二实施方式的用于激光雷达系统的、位于挡风玻璃上的探测器装置；

图3：根据第三实施方式的用于激光雷达系统的、位于挡风玻璃上的探测器装置；

图4：具有配属的角度选择性元件的光波导体的横向视图；

图5：视野划分的示意图。

具体实施方式

图1中示出根据本发明的第一实施方式的用于激光雷达系统100的探测器装置1，该探测器装置用于探测反向散射的光30。在此，入射到光波导体10上的光是激光雷达系统100的反向散射的光30。在激光雷达系统100中，光130由具有确定的有效波长的激光射束源110发射并且被对象120或周围环境反向散射。激光射束源110例如可以扫描式地照射周围环境，但本发明不限于此。然后，由探测器装置1探测在待探测的对象120处反向散射的光30，该反向散射的光向探测器装置1的方向上反向散射。

为此，探测器装置1包括光波导体10，该光波导体构造为用于将反向散射的光30的至少一部分通过光耦合输入面11耦合输入到光波导体10中。在此，耦合输入表示光进入光波导体10内部。光耦合输入面11由光波导体10的周面的至少一个部分区域、优选朝向反向散射的光30的部分区域构成。

发光材料14被引入光波导体10中，其中，发光材料14优选但不限于以颜料的形式存在。在此，发光材料14被如此调整，使得该发光材料在反向散射的光30的波长范围内发光，也就是说，该发光材料也相应地与激光雷达系统100的发射光130的有效波长相匹配。此外，通过发光物质产生再发射光32，其中，光波导体10构造为用于沿着光波导体10的长度轴向地引导再发射光32的一部分。这例如可以借助全反射实现或者也可以直接实现。

探测器装置1还包括探测器单元20，该探测器单元安置在光波导体10的光耦合输出面12处，该光耦合输出面处于光波导体10的轴向末端13。探测器单元20构造为用于探测沿着光波导体10轴向引导的再发射光32的至少一部分。

因此，不直接探测激光雷达系统100的反向散射的光30，而是探测次级光或者说再发射光32，该再发射光由于反向散射的光30照射到光波导体10内部的发光材料14上而产生。发光材料14的发光物质破坏了激光雷达系统100的入射到光波导体10上的、反向散射的光30的方向信息。再发射光32的一部分在光波导体10的轴向方向上被引导，并且例如借助一次、多次全反射或直接被引导至耦合输出面12以及探测器单元20。在此，再发射光32的波长通常略微低于激光雷达系统100的有效波长。

因此，对于探测器装置1，可以任意增加光波导体10的长度，而不必在此改变探测器单元20的面积。因此，可以将光从大角度范围——在图1中通过反向散射的光30的从完全不同方向入射的两个光前(Lichtfronten)示出——通过大的周面或光耦合输入面偏转到小的(且快速的)探测器单元20上。因此，探测器孔径的大小与探测器单元20的大小脱耦，该探测器孔径的大小由光波导体10所展开的面积给定。

优选地，可以将颜色滤波器40安置在探测器装置1与光波导体10的轴向末端13处的耦合输出面12之间。在此，颜色滤波器40尤其可以构造成简单的布拉格滤波器。由于能够选择很小的探测器单元20，所以颜色滤波器40的大小同样可以构造得很小，使得有利地仅需要小的滤波器面积，由此可以节省成本。替代地，发光材料的波长选择性也已经可以实现期望的滤波效果。

激光雷达系统100的激光源110例如可以扫描式地探测周围环境或场景，但本发明不限于此。用于由所探测到的信号重建周围环境的相应分析处理装置仅仅为了清楚起见而未被示出，在此并且在接下来的附图中有利地设有这类分析处理装置。

图2中示出一种探测器装置1，该探测器装置示例性地引入车辆200的挡风玻璃210中，但本发明不限于此。在此，光波导体10在该实施方式中例如以螺旋15的形式构造。由此可以产生用于光波导体10的更大的光耦合输入面11，由此也相应地增大了探测器孔径。然而在此，本发明不限于螺旋形状。例如也可以使用其他几何结构、例如造成大的光耦合输入面11的条状装置。此外，在这种实施变型方案中，光波导体10示例性地构造成透明的，并且在此尤其示例性地构造成透明薄膜。相应地，发光材料14或用于该发光材料的颜料也是透明的。有利地，车辆200的驾驶员或车辆乘员的视野不会受到不利限制。在此，探测器装置1还纯示例性地具有构造成布拉格滤波器的颜色滤波器40。

真正的探测器单元20在此纯示例性地集成在或引入挡风玻璃210的边缘处、即车辆200的车辆柱220的区域内。优选地，车辆柱220是车辆的A柱。然而取决于应用也可以考虑B柱、C柱或D柱。这种安置是不引人注目的，并且还能够在挡风玻璃210的侧面处接触到探测器单元20。这种安装也是节省空间的，并且可以在没有较大干预的情况下集成到传统车辆概念中的车辆200车身中。

此外在这种实施方案中，还示意性地描述一种激光雷达系统100，该激光雷达系统除了探测器装置1以外还包括激光源110。激光源110例如可以扫描式地探测周围环境或对象120，但本发明不限于此。

图3中描述了用于激光雷达系统100的探测器装置1的第三实施方式。如在图2中那样，探测器装置1集成在车辆200的挡风玻璃210中，但本发明也不限于此。替代地，这种探测器装置1也可以用于汽车领域以外的领域。然而与图2不同，探测器装置1的这种实施变型方案包括多个光波导体10-1,…,10-8，所述多个光波导体分别具有一个配属的探测器单元20-1,…,20-8。在此，具有配属的探测器单元20-1,…,20-8的各个单个的光波导体10-1,…,10-8原则上相应于图1中所描述的特性。在此，光波导体10-1,…,10-8也是纯示例性的并且不限于以螺旋15的形式构造，尤其如图2中那样示例性地构造成透明薄膜。纯示例性地，光波导体的数量是九，但本发明不限于此。即探测器装置1被划分成探测器部分面50-1,…,50-8。

优选地，各个探测器单元20安置在挡风玻璃210的边缘处。与图2中类似地，尤其也可以示例性地将探测器单元集成在车辆200的车辆柱220中。此外，光波导体10沿着挡风玻璃210的边缘布置，使得挡风玻璃210的居中部分保持不被遮盖，从而驾驶员的视野不受损害。

在此，由光波导体10-1,…,10-8和配属的探测器单元20-1,…,20-8构成的每个对形成一个接收元件。第一光波导体10-1和第一探测器单元20-1例如是第一接收元件等等。各个接收元件、即由光波导体10-1,…,10-8和配属的探测器单元20-1,…,20-8构成的各个对如此构造，使得该接收元件仅负责从对象120反向散射的光30的确定的、受限的角度范围62-1,…,62-8，所述角度范围也可以被称为整个视野区域的视野范围(视野)。因此，具有配属的第一探测器单元20-1的第一光波导体10-1例如构造用于探测第一角度范围或视野范围62-1等等。

为此在这种实施变型方案中，每个光波导体10具有一个角度选择性元件60。在此，为了选择确定的波长范围和确定的角度范围或视野范围62，角度选择性元件60如此构造，使得仅将确定角度范围或视野范围62内的反向散射的光30引至相应的光波导体10。在此，第一角度选择性元件60例如可以仅允许第一角度范围或视野范围62内的反向散射的光30通过以到达第一光波导体10。

在此，该装置优选如此设计，使得整个视野相应地分解或划分成各个确定的探测器部分面50-1,…,50-8，并且因此分解或划分成对应的角度范围或视野范围62-1,…,62-8。在此优选地，不同探测器部分面50-1,…,50-8或角度范围62-1,…,62-8互斥(disjunkt)，也就是说，这些部分面在空间上彼此分离且不同，并且优选不存在角度范围或视野范围重叠。

优选地，每个角度选择性元件60构造成波长选择性的。在此，尤其允许使包括有效波长的波长范围通过至光波导体10，使得可以将激光并从而将反向散射的光30的波长耦合输入到光波导体10中。有利地，由此实现进一步的滤波特性。在替代实施方式中，不仅可以设置角度选择性元件，而且可以设置附加的波长选择元件。

优选地，可以将全息光学构件66用作这种具有波长选择特性的角度选择性元件60。该全息光学构件可以构造成体积全息图。在全息光学构件66实现为体积全息图的情况下，通过体光栅(Volumengitter)处的衍射来实现射束偏转。该全息光学构件不仅可以制造成透射全息图，而且可以制造成反射全息图，其中，通过自由选择入射角、出射角或衍射角能够实现新的结构形式。有利地，可以非常有针对性地调节透光条件(波长、角度)，使得在全息光学构件66的情况下，仅将限定方向上的且具有限定波长的光引导或传输至相应的光波导体10，并且将剩余的角度范围64阻挡或反射。

如在上述实施方式中所提出的那样，视野范围的分解在此有利地使得：每个光波导体10-1,…,10-8和探测器单元20-1,…,20-8的信噪比得以改善，并且不受干扰光的限制。因此，这种装置尤其对于干扰敏感的激光雷达系统、例如对于具有雪崩光电二极管的直接TOF方法是有利的。

图4示出具有各一个对应的角度选择性元件60的光波导体10的横向视图，该元件在此示例性地构造成全息光学构件66。在此，全息光学构件66例如构造成薄层，该薄层在这种实施方式中施加在对应的光波导体10或光波导体层上。此外，示意性地示出确定的角度范围或视野范围62，该角度范围或视野范围内的光被耦合输入到相应的光波导体10中。在此示例性地，示意性示出被阻挡的视野范围64，该视野范围内的光不能被耦合输入到光波导体10中。

用于产生这种全息光学构件66的记录要么可以模拟地实现，要么可以通过全息打印机创建。在批量生产中，只能建立主全息图，然后借助接触复制(Kontaktkopie)的方法来对该主全息图进行复制。此外替代地，在此所使用的全息光学构件66例如也可以由多个亚全息图构成，由此可以实现更确定的角度和波长的记录条件。所述亚全息图例如可以通过全息复用写入全息体积内，然而，或者替代地通过形成由多个相继层压的全息层构成的堆叠来将亚全息图写入到全息体积内。

在图5中，为了进一步说明，示出用于划分视野的多个全息光学构件66-1,…,66-9的示意性布置。替代地，也可以使用其他光学角度选择性元件60-1,…,60-9。如图4中那样，这些全息光学构件66-1,…,66-9安置在相应的光波导体上方(在此未示出)。从确定角度范围或视野范围、例如从第五角度范围或视野范围62-5入射的反向散射光仅通过对应的第五全息光学构件66-5传输或传递至配属的第五光波导体，这由阴影区域所表明。所有其余的全息光学构件66阻挡或反射所述示例性的第五角度范围或视野范围62-5中的光。类似地，在右侧示图中描述了针对另一确定的角度范围或视野范围(在此指第四视野范围62-4)的情况。还可以使用这种划分来将收到的信号配属于确定的角度范围或视野范围。

Claims (11)

1.一种探测器装置(1)，其用于探测激光雷达系统(100)的反向散射的光(30)，所述探测器装置包括：

光波导体(10)，其包括：光耦合输入面(11)，为了耦合输入所述激光雷达系统(100)的所述反向散射的光(30)，所述光耦合输入面由所述光波导体(10)的周面的至少一个部分面构成；光耦合输出面(12)，其由所述光波导体(10)的轴向末端(13)处的、所述光波导体(10)的横截面构成；以及发光材料(14)，其被引入到所述光波导体(10)内部并且构造为用于在激光雷达系统(100)的波长范围内发射由于发光物质而再发射的光(32)，

探测器单元(20)，为了探测所述再发射光(32)的至少一部分，所述探测器单元布置在所述光波导体(10)的所述光耦合输出面(12)处。

2.根据权利要求1所述的探测器装置(1)，其中，颜色滤波器(40)安置在所述探测器单元(20)与所述光波导体(10)的光耦合输出面(12)之间并且优选构造成布拉格滤波器。

3.根据以上权利要求中任一项所述的探测器装置(1)，其中，所述光波导体(10)以螺旋(15)的形式构造。

4.根据以上权利要求中任一项所述的探测器装置(1)，其中，所述光波导体(10)构造成透明薄膜。

5.根据以上权利要求中任一项所述的探测器装置(1)，其中，所述探测器装置(1)被划分成空间上分开的多个探测器部分面(50-1,…,50-8)，并且每个探测器部分面(50-1,…,50-8)具有一个探测器单元(20-1,…,20-8)，所述探测器单元附加地在光耦合输入方向上在每个光波导体(10-1,…,10-8)之前具有一个角度敏感元件(60-1,…,60-8)。

6.根据权利要求5所述的探测器装置(1)，其中，每个角度选择性元件(60-1,…,60-8)如此构造，使得仅将预确定的角度范围(62-1,…,62-8)内的光引至相应的光波导体(10-1,…,10-8)。

7.根据权利要求5或6所述的探测器装置(1)，其中，每个角度选择性元件(60-1,…,60-8)如此构造成波长选择性的，使得仅将预确定的光波长范围的光引至所述光波导体(10-1,…,10-8)，其中，所述确定的波长范围包括所述激光雷达系统(100)的光波长范围。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的探测器装置(1)，其中，所述角度选择性元件(60-1,…,60-8)构造成全息光学构件(66-1,…,66-8)。

9.根据权利要求8所述的探测器装置(1)，其中，所述全息光学构件(66-1,…,66-8)中的至少一个由多个亚全息图构成。

10.一种激光雷达系统(100)，其包括：

激光源(110)，其用于发射确定波长的激光(130)；

探测器装置(1)，其用于探测根据以上权利要求中任一项所述的反向散射的光(30)。

11.一种车辆(100)，其包括根据权利要求10所述的激光雷达系统(100)。