CN109477897A - 用于激光雷达系统的光学装置、激光雷达系统和工作设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光雷达系统(1)的光学装置(10)，所述激光雷达系统用于光学地检测尤其工作设备或车辆的视野(50)，所述光学装置：具有探测器装置(20)和接收器光学系统(30)；其中，所述接收器光学系统(30)构造用于使所述视野(50)光学成像到所述探测器装置(20)上以及为此具有光纤光学系统(36)，所述光纤光学系统具有一个或多个光纤光学元件(37)，以便与所述探测器装置(20)光学地连接。

Description

用于激光雷达系统的光学装置、激光雷达系统和工作设备

技术领域

本发明涉及一种用于激光雷达系统的光学装置、一种激光雷达系统以及一种工作设备。本发明尤其涉及一种用于激光雷达系统的光学装置，所述激光雷达系统用于光学地检测尤其工作设备、车辆等的视野。此外，本发明涉及一种像这样的用于光学地检测尤其工作设备、车辆等的视野的激光雷达系统。此外，通过本发明提供一种具有所述激光雷达系统的车辆。

背景技术

在工作设备、车辆以及其他的机器和设施的应用中，越来越多地使用运行辅助系统或用于检测运行环境的传感器装置。除了基于雷达的系统或基于超声波的系统以外，也越来越多地使用基于光的检测系统，例如所谓的激光雷达系统(英语：LiDAR：lightdetection and ranging，光探测和测距)。

在已知的激光雷达系统的情况下，存在以下缺点：激光雷达系统的在扫描视野时所需的大的接收孔径或输入孔径以常规的方式仅仅可以以相应的用于构造具有接收器光学系统的光学装置的结构大小实现。此外，在接收器光学系统、尤其镜头至探测器装置之间的分配的常规实现导致常规的激光雷达系统的另外的、结构上的限制。两个边界条件降低已知的激光雷达系统的应用的灵活性。

发明内容

相比之下，具有独立权利要求1的特征的根据本发明的光学装置具有以下优点：尽管在接收器侧的大的孔径，在缩小的结构高度或结构宽度的情况下得出光学装置的灵活的可布置性。根据本发明，这借助根据独立权利要求1所述的特征通过以下方式来实现：提供一种用于激光雷达系统的光学装置，所述激光雷达系统用于光学地检测尤其工作设备、车辆等的视野，所述光学装置具有探测器装置和接收器光学系统，其中，该接收器光学系统(i)构造用于使所述视野光学成像到所述探测器装置上并且(ii)为此具有光纤光学系统或光导体光学系统，所述光纤光学系统或光导体光学系统具有一个或多个光纤元件或光导体元件，以便与探测器装置光学地连接。通过设置用于将接收器光学系统与探测器装置光学地连接的光纤光学系统或光导体光学系统，一方面基于光纤光学系统的部件的机械灵活性并且另一方面基于长度匹配的可能性得出对相应的应用情况的结构条件的与常规的激光雷达系统相比更高的可匹配性。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

接收器光学系统尤其可以设置用于，在中间平面上产生视野的图像或该视野的一部分的图像。光纤光学系统的输入端或初始端可以处于中间平面，该中间平面构造用于将光传导至探测器装置。

在一种优选的实施方式中，光学装置具有镜头。在此，光纤光学系统构造为连接在镜头之后的次级光学系统。实际的光学成像首先通过镜头实现，相反，与探测器装置的光学耦合通过具有作为其组成部分的光纤光学系统的次级光学系统来进行。

对此替代地，只要需要，基本上可以在光纤光学系统或光导体光学系统的光输入侧的区域内实现镜头的功能。

根据本发明的光学装置的另一优选的构型方式，可以实现特别紧凑的结构型式，其方式是，光纤光学系统构造为锥体状光学系统，所述锥体状光学系统具有光学横截面较大的光输入侧和光学横截面较小的光输出侧。在此，尤其相应的光纤光学元件可以从光输入侧向光输出侧缩细。通过使用锥体状光学系统，可以使在光输入侧入射的总光功率以灵活的方式和方法在大的输入孔径的情况下成像到缩小的面上，以便由此可以进一步降低探测器装置的结构高度。

在根据本发明的光学装置的另一有利的构型方式的情况下，接收器光学系统以多个、尤其奇数个光学成像区段分区段地构造。接收器光学系统的光学成像区段尤其可以彼此并排地布置。通过具有多个光学成像区段的接收器光学系统的经分区段的构型和接收器光学系统的区段彼此并排的可布置性，根据应用情况的结构条件，接收器光学系统的光学成像区段中的多个可以以合适的方式分布式地布置，从而可以通过划分来有效地利用现有的结构空间。

在接收器光学系统的区段的布置的情况下，各种几何的可能性适合，以便符合相应的应用情况。

在光学装置的一种有利的扩展方案中设置，接收器光学系统的光学成像区段布置成或被布置成：

在与接收器光学系统的接收方向垂直的方向上；

在与接收器光学系统的光路的方向垂直的方向上；

沿着线、优选直线；

关于所基于的激光雷达系统的或所基于的工作设备的定向水平地和/或竖直地彼此相邻。

所有措施可以任意地彼此组合，并且，必要时补充附加的措施。

表述“竖直”和“水平”涉及相应的应用情况的几何形状或参考系统并且尤其重力场——例如地球的重力场——的定向。

激光雷达系统的光学结构的作用恰好在接收器光学系统与探测器装置的共同作用下进行扩展，其方式是，接收器光学系统构造用于使视野光学成像到探测器装置上。

相应地特别有利的是，接收器光学系统的每个区段构造用于使视野的所分配的区段光学成像到探测器装置上。通过该措施，进行在接收器光学系统的光学成像区段与视野的区段之间的分配。

如果按照根据本发明的光学装置的另一扩展方案视野的所有——分配给接收器光学系统的光学成像区段的——区段的全体在整体上覆盖该视野，则得出待扫描的视野的特别精确的检测。

如果按照根据本发明的光学装置的另一扩展方案，视野的分配给接收器光学系统的光学成像区段的区段不具有重叠或具有分别扫过(überstrichen)的空间角度的小于10％、优选地小于5％、进一步优选地小于2％的重叠，则鉴于接收器光学系统的可供使用的区段的良好的充分使用，提供特别有利的成像关系。

特别紧凑的光学装置可以通过以下方式来实现：分配给接收器光学系统的光学成像区段的区段直接彼此相邻，尤其以彼此邻接的方式和方法直接彼此相邻。

对此替代地可能的是，视野的分配给接收器光学系统的光学成像区段的区段在空间上彼此间隔开地布置。以这种方式，可以实现在空间上分布式的结构型式，该结构型式可以匹配于相应的应用情况。

除了在接收器光学系统的范围内——必要时与锥体状光学系统组合地——使用光纤光学系统，本发明的另一方面是接收器光学系统的分区段和重新布置的方案。

然而，替代地或附加地也可以将分区段的方案转移到探测器装置的结构上。

因此，根据光学装置的另一优选的实施方式设置，探测器装置以多个探测器区段分区段地构造，并且，在接收器光学系统的光学成像区段与探测器区段之间存在一对一的对应性，和/或，探测器区段具有与接收器光学系统的光学成像区段的空间布置对应的空间布置。

在此，“空间布置的可能的对应性”例如在前面和接下来应理解为布置的相同定向，例如水平地，竖直地或任何其他的方向。

此外可设想，替代地或附加地，将分区段的和分布式布置的方案转移到根据本发明的光学装置的发送器光学系统上。

因此，特别有利的是，根据本发明的光学装置构造具有以多个光学区段分区段地构造的发送器光学系统，所述发送器光学系统用于以光、尤其以经划分的光路照亮视野，其中，在接收器光学系统的光学成像区段与发送器光学系统的光学区段之间存在一对一的对应性，和/或，发送器光学系统的光学区段具有与接收器光学系统的光学成像区段的空间布置对应的空间布置。

在此，“光”除了在对于人可见的范围内的电磁辐射以外也应理解为IR辐射。

在应用中，发送器光学系统的分区段提供特别的优点，其方式是，为了利用视差效果，发送器光学系统的光学区段和接收器光学系统的光学成像区段在与发送器光学系统或接收器光学系统的发送方向和/或接收方向垂直的方向上和/或在与接收器光学系统和/或发送器光学系统的光路的方向垂直的方向上在空间上彼此间隔开。

此外，本发明涉及一种用于光学地检测视野的激光雷达系统，该激光雷达系统尤其用于工作设备、车辆等。根据本发明的激光雷达系统具有根据本发明的光学装置地构造。

根据本发明的另一方面，也提供一种工作设备，其具有根据本发明的用于光学地检测视野的激光雷达系统地构造。

根据本发明的工作设备尤其可以涉及工作机器、车辆、机器人或其他的一般性的生产设施或运行设施。

附图说明

参照附图详细地描述本发明的实施方式。

图1根据示意框图的方式示出一种根据本发明的激光雷达系统的实施方式的结构；

图2至4以示意性的侧视图示出根据本发明的光学装置的实施方式，所述光学装置用于具有和不具有椎体化(Taperung)的光纤光学系统的不同构型的激光雷达系统；

图5和图6以透视性侧视图示出在使用具有不同的结构配置的根据本发明的光学装置的实施方式中根据本发明的激光雷达系统的其他实施方式。

具体实施方式

以下参照图1至6详细地描述本发明的实施例。相同和等效的以及相同地或等效地作用的元件和部件以相同的附图标记表示。并非在它们出现的任何情况下都会再次给出所标记的元件和部件的详细描述。

所示出的特征和另外的特性可以以任意的形式彼此分离并且任意地彼此组合，而不偏离本发明的核心。

图1在使用根据本发明的光学装置10的实施方式中以示意性框图的形式示出一种根据本发明的激光雷达系统1的实施方式。

根据图1的激光雷达系统1具有发射器光学系统60，该发射器光学系统60由光源65——例如以激光器的形式——供给并且——必要时在通过射束成形光学系统66后——发送初级光70到视野50内，以便研究处于那里的对象52。

此外，根据图1的激光雷达系统1具有接收器光学系统30，该接收器光学系统通过作为初级光学系统的镜头34接收并且——必要时通过次级光学系统35——向探测器装置20传输由视野50内的对象52反射的次级光80。

光源65的以及探测器装置20的控制通过控制线路42或41借助控制和分析处理单元40实现。

在图1中以三个方面示意性地示出激光雷达系统1的光学部件的分区段的方案，然而这——总体上如分区段的那样——不是强制的。本发明的核心是，提高关于在接收器光学系统的范围内光纤光学系统或光导体光学系统的应用的灵活性。

在图1的实施方式中，接收器光学系统30在镜头34之后连接有光纤光学系统36地构造，该光纤光学系统具有光输入侧36-1和光输出侧36-2。光纤光学系统36由一个或多个光纤光学元件37或光导体构成。具有光纤光学元件37的光纤光学系统36形成连接在作为初级光学系统的镜头34之后的次级光学系统35并且用于将视野50的由镜头34产生的图像以合适的方式输送给探测器装置20并且将其成像到该探测器装置上。

在图1中，按照根据本发明的光学装置10的一种替代的构型方式，接收器光学系统30在镜头34的范围内或者作为镜头34的一部分地具有多个光学成像区段31，所述多个光学成像区段例如以相应的几何地构造的并行地工作的多个镜头透镜的形式。每个成像区段31分配有镜头34前的相应的空间角度范围，该镜头形成激光雷达系统1的视野50的区段51。

通过光学成像区段31关于彼此的并且关于所期望的视野50的以及该视野的区段51的定向实现分配。

在运行中，通过该通过定向的分配，接收器光学系统30的相应的光学成像区段31将视野50的区段51通过二次光80的接收来成像到探测器装置50上。

区段51完全覆盖视野50，也就是说，以所成像的视野区段51的形式检测整个视野50。

在根据本发明的激光雷达系统1的根据图1的实施方式中，分区段的另一方面在发送器光学系统60的偏转光学系统62的范围内——更确切地说，通过设置多个光学区段61实现。在此，例如可以涉及可以彼此独立地控制的多个镜元件62，所述多个镜元件可以以初级光70加载并且必要时扫描激光雷达系统的彼此不同的空间角度范围。

在根据图1的激光雷达系统1的实施方式中，分区段的第三方面在探测器装置20的范围内通过设置多个探测器区段21实现。

图2至图3以示意性的侧视图示出根据本发明的用于激光雷达系统1的光学装置10的实施方式，其具有在接收器光学系统30中使用的光纤光学系统36的不同配置。

分别示出激光雷达系统1的视野50，该激光雷达系统以其区段51通过具有镜头34的接收器光学系统30和以光纤光学系统36(其也可以称为光导体光学系统)的形式的次级光学系统35成像到探测器装置20上。

在根据图2的实施方式中，将入射的次级光80从镜头34经由次级光学系统35光学耦合输入到具有不变的孔径——也即具有恒定的与局部的光学轴线垂直的横截面——的探测器装置20。构造为次级光学系统35的光纤光学系统36或光导体光学系统——其具有光输入侧36-1和光输出侧36-2——可以由单个光纤光学元件37、即单个光波导体构成或者由这种尤其相同的光纤光学元件37或光波导体的捆绑(Bündel)构成。

在根据图3的实施方式中，在从镜头34经由次级光学系统35光学耦合到探测器装置20时，通过在光纤光学系统36的区域内相应地缩细或椎体化实现横截面的缩小。这意味着，具有相对大的输入孔径——即大的光学横截面——的镜头34通过借助次级光学系统35传送至探测器装置20来成像到缩小的横截面上。

在根据图3的实施方式中，光纤光学元件37或多个光纤光学元件37具有从光输入侧36-1向光输出侧36-2缩细的横截面。这意味着，各个光纤光学元件37在光输入侧具有较大的横截面并且在光输出侧具有较缩小的横截面。

反之，在根据图4的实施方式中示出，在两件式的次级光学系统35的情况下，除了具有恒定的横截面的一个或多个光纤光学元件37的光纤光学系统36之外，构造有附加的锥体状光学系统38，该锥体状光学系统使镜头34的在光输入侧的扩大的横截面光学地减小到缩小的横截面上并且使次级光从视野50耦合输入到光纤光学系统36的光输入侧36-1。锥体状光学系统38可以构造为截锥体形的光纤光学元件。

图5和6以透视性侧视图示出在使用根据本发明的光学装置10的另外方面的情况下根据本发明的激光雷达系统1的其他实施方式。

除了锥体状光学系统38和光纤光学系统36作为次级光学系统35的应用之外，在根据图5的实施方式中，通过将镜头34相应地划分成多个光学成像区段31来实现接收器光学系统30的分区段，所述多个光学成像区段分别分配给视野50的区段51并且将视野50的分别分配的视野区段51成像到具有相应的探测器区段21的探测器装置20上，所述探测器区段具有一个或多个探测器元件22。

由于镜头34分区段成多个光学成像区段31，也需要相应多个的光学耦合的锥体状光学系统38，其具有连接到其上的光纤光学系统36。

在根据图6的实施方式中，除了应用光纤光学系统36用于耦合到探测器装置20上之外，将发送器光学系统60分区段成发送器光学系统60的多个光学区段61。发送器光学系统60的每个光学区段61构造用于使初级光70入射到激光雷达系统1的视野50中。接收器光学系统30的光学成像区段31还构造用于，在中间连接光纤光学系统36和必要时锥体状光学系统38的情况下使从所分配的视野区段51入射的次级光80从视野50成像到探测器装置20上。由于分区段，在根据图6的激光雷达系统1中产生区段组之间的空间间距90。该空间间距90可以用于为附加元件45提供空间。这些附加元件可以是功能性的自然物，但也可以简单地涉及徽标、商标等。

根据以下描述进一步阐述本发明的这些特征和特性和另外的特征和特性：

本发明从以下激光雷达系统出发：在所述激光雷达系统中，尤其在相应的镜头的区域内使用桶形的、立方形的或圆柱形的装置。

为了收集尽可能多的光子，有利的是，在激光雷达系统的情况下构造大的接收孔径。这在圆形透镜的情况下导致大的结构型式。

为了提高结构型式和应用方面的灵活性，期望以平坦的、长形延伸的结构型式的激光雷达系统1和尤其激光雷达传感器，从而所述激光雷达系统例如配合在车辆冷却器格栅的肋之间。

此外，在常规的结构型式的情况下，在系统的内部的热量不能充分有效地移走。平坦的结构型式提供这方面的改善。

根据本发明，尤其在使用锥体状光学系统38的情况下，光导体部件36、37应用在激光雷达系统1中，以便由此能够在发送路径和/或接收路径中实现灵活的和/或任意的几何射束引导或光传导。所使用的锥体状光学系统38也可以分区段地设计。

产生以下优点：

灵活的结构型式，例如平坦的和宽的和/或分布式的；

构件的热学上改善的布置；

接收面的灵活设计，例如根据视向；

借助减少或避免串扰可以实现完全分离地接收路径30和发送路径60；

灵活的设计元件45，面可以与横截面无关地具有任意形状，例如可以与OEM商标组合。

图5概述本发明的以下方面：多个接收器区域借助锥体状光学系统38实现为光学成像区段31，所述锥体状光学系统分别观察视野50的区段51。由此，可以在发送路径60和接收路径30中实现射束引导的和/或光线路的任意的几何实施。

另一实施方式使用经分区段的锥体状光学系统38。通过灵活的结构型式可以将各个元件作为分布式系统例如良好地集成到车辆中，如这在图6中示出的那样。

发射器区段61和接收器区段31也可以集成到OEM商标的区段中。

图6示出一种具有发射器61和接收器31的分布式系统的示例性的实施方式。

Claims (11)

1.一种用于激光雷达系统(1)的光学装置(10)，所述激光雷达系统用于光学地检测尤其工作设备或车辆的视野(50)，所述光学装置：

具有探测器装置(20)和接收器光学系统(30)；

其中，所述接收器光学系统(30)：

-构造用于使所述视野(50)光学成像到所述探测器装置(20)上；以及

-为此具有光纤光学系统(36)，所述光纤光学系统具有一个或多个光纤光学元件(37)，以便与所述探测器装置(20)光学地连接。

2.根据权利要求1所述的光学装置(10)，所述光学装置：

具有镜头(34)；

其中，所述光纤光学系统(36)构造为连接在所述镜头(34)之后的次级光学系统(35)。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置(10)，

其中，所述光纤光学系统(36)构造为锥体状光学系统，所述锥体状光学系统具有光学横截面较大的光输入侧(36-1)和光学横截面较小的光输出侧(36-2)；

其中，尤其相应的光纤光学元件(37)从所述光输入侧(36-1)向所述光输出侧(36-2)缩细。

4.根据以上权利要求中任一项所述的光学装置(10)，其中，所述接收器光学系统(30)以多个、尤其奇数个光学成像区段(31)分区段地构造。

5.根据权利要求4所述的光学装置(10)，其中，所述接收器光学系统(30)的光学成像区段(31)和尤其所述镜头(34)的光学成像区段(31)彼此并排地布置，优选

在与所述接收器光学系统(30)的接收方向垂直的方向上；

在与所述接收器光学系统(30)的光路的方向垂直的方向上；

沿着线、优选直线；

关于所基于的激光雷达系统(1)的或所基于的工作设备的定向水平地和/或竖直地彼此相邻。

6.根据权利要求4或5所述的光学装置(10)，其中，

所述接收器光学系统(30)的每个光学成像区段(31)构造用于使所述视野(50)的所分配的区段(51)光学成像到所述探测器装置(20)上；

所述视野(50)的所有——分配给所述接收器光学系统(30)的光学成像区段(31)的——区段(51)的整体覆盖所述视野(50)；

所述视野(50)的分配给所述接收器光学系统(30)的光学成像区段(31)的区段(51)不具有重叠或具有分别扫过的空间角度的小于10％、优选地小于5％、进一步优选地小于2％的重叠；和/或，

所述视野(50)的分配给所述接收器光学系统(30)的光学成像区段(31)的区段(51)直接彼此相邻地——尤其彼此邻接地——或在空间上彼此间隔开地布置。

7.根据以上权利要求中任一项所述的光学装置(10)，其中，

所述探测器装置(20)以多个探测器区段(21)分区段地构造；并且尤其，

在所述接收器光学系统(30)——尤其所述镜头(34)和/或所述光纤光学系统(36)——的光学成像区段(31)与所述探测器区段(21)之间存在一对一的对应性，和/或，所述探测器区段(21)具有与所述接收器光学系统(30)——尤其所述镜头(34)和/或所述光纤光学系统(36)——的光学成像区段(31)的空间布置对应的空间布置。

8.根据以上权利要求中任一项所述的光学装置(10)，其特征在于，

具有以多个光学区段(61)分区段地构造的发送器光学系统(60)，所述发送器光学系统用于以光、尤其以经划分的光路照亮所述视野(50)；

其中，在所述接收器光学系统(30)——尤其所述镜头(34)和/或所述光纤光学系统(36)——的光学成像区段(31)与所述发送器光学系统(60)的光学区段(61)之间存在一对一的对应性，和/或，所述发送器光学系统(60)的光学区段(61)具有与所述接收器光学系统(30)——尤其所述镜头(34)和/或所述光纤光学系统(36)——的光学成像区段(31)的空间布置对应的空间布置。

9.根据权利要求8所述的光学装置(10)，其中，为了利用视差效果，所述发送器光学系统(60)的光学区段(61)和所述接收器光学系统(30)的光学成像区段(31)在与所述发送器光学系统(60)或所述接收器光学系统(30)的发送方向和/或接收方向垂直的方向上和/或在与所述接收器光学系统(30)和/或所述发送器光学系统(60)的光路的方向垂直的方向上在空间上彼此间隔开。

10.一种激光雷达系统(1)，其用于光学地检测尤其工作设备或车辆的视野(50)，所述激光雷达系统具有根据以上权利要求中任一项所述的光学装置(10)。

11.一种工作设备和尤其一种车辆，所述工作设备和所述车辆具有根据权利要求10所述的用于光学地检测视野(50)的激光雷达系统(1)。