CN110520752A - 具有动态滤光器的激光雷达设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开一种用于对扫描角进行扫描的激光雷达设备，所述激光雷达设备具有用于产生至少一个电磁射束的至少一个射束源、用于使所述至少一个电磁射束沿着所述扫描角偏转的可转动的镜、用于接收至少一个入射电磁射束并且使所述至少一个入射电磁射束偏转到至少一个探测器上的接收单元，并且，所述激光雷达设备具有至少一个滤光器，其中，所述至少一个滤光器能够匹配于所述至少一个入射电磁射束。此外，公开一种用于借助这样的激光雷达设备对扫描角进行扫描的方法。

Description

具有动态滤光器的激光雷达设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于对扫描角进行扫描的激光雷达设备以及一种用于借助激光雷达设备对扫描角进行扫描的方法。

背景技术

常见的激光雷达(Light detection and ranging，光探测和测距)设备由发送装置和接收装置构成。发送装置产生并且连续地或脉冲式地发射电磁辐射。如果该电磁辐射射到可运动的或静止的对象上，则电磁辐射由对象在接收装置的方向上反射。接收装置可以探测到所反射的电磁辐射并且给其分配接收时间。在“飞行时间”分析的范畴内，这可以用于求取对象至激光雷达设备的距离。根据应用领域，对信号质量提出高的要求。当激光雷达设备在同时宽的扫描角的情况下具有尽可能大的作用范围时尤其是这种情况。此外，信号质量确定直至什么距离、在什么角度下并且以什么准确度或概率能够探测到对象。该信号质量的大部分由所接收的反射辐射的光学滤光的质量得出。对此决定性的是可以使用的滤光器的光谱带通的宽度。滤光器的光谱带宽越窄，越少的干扰光或周围环境光射到探测器上并且信号质量越好。因为该通带范围随着所接收的辐射的入射角增大而移位至更小的波长，所以滤光器必须具有一定的宽度，以便在大的角度下也能够透射所接收的辐射。当前，滤光器的透射窗口的与入射角相关的移位是激光雷达设备的物理边界。

发明内容

本发明所基于的任务可以看作，提供一种方法和一种激光雷达设备，所述激光雷达设备具有至少一个滤光器，所述至少一个滤光器尽管入射射束的进行变化的入射角仍具有始终最佳的透射特性。

该任务借助独立权利要求的相应的主题来解决。本发明的有利的构型方案是各个从属权利要求的主题。

根据本发明的一方面，提供一种用于对扫描角进行扫描的激光雷达设备。所述激光雷达设备具有用于产生至少一个电磁射束的至少一个射束源、用于使所述至少一个电磁射束沿着所述角偏转的可转动的镜。此外，激光雷达设备具有用于接收至少一个入射(ankommend)电磁射束并且使所述至少一个入射电磁射束偏转到至少一个探测器上的接收单元并且具有至少一个滤光器，其中，至少一个滤光器可以匹配于所述至少一个入射电磁射束。

这样的激光雷达设备具有动态的光学滤光器，该动态的光学滤光器可以对入射射束的与入射角相关的波长偏移进行补偿。尤其在较大的入射角的情况下，滤光器的对于确定的波长范围的透射范围可以朝向较小的波长移位。为了防止入射电磁射束在较大的入射角的情况下仅仅受限地通过滤光器或根本不通过滤光器，可以对滤光器进行匹配。这例如可以通过匹配滤光器的位置或通过匹配滤光器的至少一个材料特性来实现。由此可以动态地或静态地匹配或跟踪滤光器的透射范围。替代地或附加地，整个接收单元可以是可匹配的。滤光器例如可以是具有一个或多个限定的透射范围的介质滤光器。在此，透射范围涉及电磁射束的波长或频率。电磁射束可以例如是可见的或不可见的波长范围内的激光射束或光射束。

根据激光雷达设备的一个实施例，至少一个滤光器可以沿着扫描角转动。由此，滤光器可旋转或可转动地支承，从而可以改变该滤光器的定向。尤其通过该措施可以最佳地调节入射射束相对于滤光器的入射角。因此，入射射束的波长可以始终处在滤光器的至少一个透射范围内并且尽可能损耗低地通过滤光器。最佳的入射角理想地是0°。然而根据滤光器的透射特性和入射射束的波长偏移，入射角也可以不是0°。滤光器的定向的变化可以例如通过压电致动器、静电电动机、电磁电动机等来实现。

根据激光雷达设备的另一实施例，至少一个滤光器可以相对于可转动的镜角度错开(winkelversetzt)或角度同步地转动。该滤光器可以在其定向方面根据镜来再调整或匹配。根据激光雷达设备的要求轮廓和结构，滤光器也可以与用于使所产生的电磁射束偏转的镜不相关地转动或摆动。在此，滤光器可以例如根据时间进行匹配，从而也可以实现滤光器与镜之间的角度错开。替代地或附加地，整个接收设备或接收设备的部分可以平行于滤光器地转动或摆动。

根据另一实施例，至少一个滤光器是可调节的法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)。在此，滤光器可以是传统的光学滤光器或光学谐振器。在此，法布里-珀罗腔相应于由至少两个部分透明的镜构成的光学谐振器。根据这两个部分透明的镜相对于彼此的间距或腔长度，仅仅具有确定的波长的入射电磁辐射可以通过。为了提高对于较大的入射角的去耦效率，部分透明的镜可以具有低的反射率。

根据激光雷达设备的另一实施例，至少一个滤光器具有可调节的腔长度。可以改变这两个部分透明的镜的间距，从而可以匹配法布里-珀罗腔的透射波长。例如可以通过压电致动器或静电的或电磁的线性致动器来调节一个或两个部分透明的镜。通过调节部分透明的镜可以改变或匹配腔长度并且因此也可以改变或匹配透射范围。

根据另一实施例，腔长度可以根据可转动的镜的定向来调节。在此，法布里-珀罗腔的腔长度可以相应于用于使所产生的射束偏转的镜的偏转地减小或增大。所反射的电磁射束具有与镜的定向相似的入射角。由此，可以使透射范围匹配于入射角。因此，可以确保入射射束始终可以通过滤光器。

根据另一实施例，所述至少一个滤光器具有可调节的折射率。例如可以通过液晶的通过电场或磁场的动态定向来改变一个或多个折射率。因为除了入射射束的波长偏移外，滤光器的透射范围可能与其温度相关，所以可以将该效应用于调节透射范围或折射率。折射率尤其与材料的密度相关并且因此与温度相关。因此，折射率也可以通过滤光器的温度或滤光器的部分的温度来调节。例如，在法布里-珀罗腔的情况下，部分透明的镜例如渗渡(aufdampfen)或涂覆在玻璃或透明的载体材料上。该载体材料可以通过以温度和/或电场或磁场加载来获得折射率的变化。在常规的滤光器的情况下，折射率同样可以对透射范围产生影响。因此，可以冷却或加热滤光器或滤光器的至少一部分，以便对不期望的效果进行补偿或对滤光器进行匹配。例如可以通过空气冷却或水冷却来降低温度。同样可以通过经加热的水或经加热的空气来加热滤光器。替代地，可以通过能导电的层或涂层来加热滤光器。因此，可以通过焦耳热来加热滤光器的一个或多个玻璃元件。

根据激光雷达设备的另一实施例，折射率可以根据可转动的镜的定向来调节。有利地，如此调节折射率，使得使滤光器的透射范围匹配于入射射束的波长偏移或入射角。由此，滤光器的折射率或滤光器(例如玻璃)的部分的折射率可以如此跟踪透射范围，使得入射射束可以尽可能完整地并且无损耗地通过滤光器。

根据另一实施例，用于对至少一个入射电磁射束进行滤光的至少两个滤光器可以彼此角度错开地布置。对于所描述的示例替代地或者附加地，可以使用彼此成一角度地布置的多个滤光器。由此，每个滤光器可以对入射射束较不动态地响应，因为入射角不再能够如在唯一的静态滤光器的情况下那样大。因此，使入射射束相对于滤光器的入射角由于增加的数目的静态的或动态的滤光器(所述滤光器例如半圆形布置)而不断减小。由此，每个滤光器可以与入射角或至少一个相邻的滤光器相关地或不相关地进行匹配或改变。替代地或附加地，滤光器中的所有或一些可以是不具有动态匹配的常规光学滤光器。

根据另一实施例，用于对至少一个入射电磁射束进行滤光的至少一个滤光器具有曲率。有利地，可以使用具有以下曲率的滤光器：该曲率至少局部地覆盖激光雷达设备的扫描角并且因此覆盖所反射的入射射束可以射到滤光器上的角度范围。滤光器可以如此定向，使得与入射射束的入射角不相关，入射射束始终垂直地射到滤光器上。在此，滤光器可以附加地例如通过温度改变来动态地匹配折射率。替代地，这样的滤光器可以具有进行变化的曲率半径的曲率。在此可以有利的是，使滤光器沿着至少一个长度行进，以便使滤光器匹配于入射射束。

根据本发明的另一方面，提供一种用于借助激光雷达设备对扫描角进行扫描的方法。在一个步骤中，产生至少一个电磁射束并且使其沿着扫描角偏转。使偏转的所述至少一个电磁射束可以在处在扫描角中的对象上反射。所反射的至少一个电磁射束变成至少一个入射射束并且被接收和滤光。接着，探测所述至少一个入射射束，其中，相应于至少一个入射射束的波长和/或入射角地匹配至少一个滤光器。由此可以动态地改变滤光器。尤其可以根据入射射束的入射角使滤光器匹配于入射射束的波长。因此，可能的是，使滤光器如此行进或转动，使得入射射束以相对于滤光器尽可能小的入射角射到该滤光器上。替代地或附加地，可以对滤光器的材料特性进行匹配。在光学谐振器作为滤光器的情况下，可以动态地改变腔长度，以便能够提供关于入射射束的波长匹配的透射范围。在此，可以相应于该方法的扫描率连续地进行匹配。

附图说明

以下根据极其简化的示意图更详细地阐述本发明的优选的实施例。在此，

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激光雷达设备的接收单元的示意图；

图3示出根据第二实施例的激光雷达设备的接收单元的示意图；

图4示出根据第三实施例的激光雷达设备的接收单元的示意图；

图5a、b示出根据第四实施例的激光雷达设备的接收单元的示意图；

图6示出根据第五实施例的激光雷达设备的接收单元的示意图；

图7示出根据第六实施例的激光雷达设备的接收单元的示意图。

在图中，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示出激光雷达设备1的第一实施例。激光雷达设备1具有用于产生电磁射束4的射束源2。根据该实施例，射束源2是激光器2。根据该实施例，激光器2用于产生具有不可见的红外范围内的波长的射束4。波长可以例如大于800nm。由可转动的镜6使由激光器2产生的射束4偏转。在此，镜6可以沿旋转轴线R摆动。因此，镜6可以使所产生的射束4沿着限定的水平扫描角H偏转。附加地，镜6可以与水平扫描角H正交地摆动并且因此覆盖垂直的扫描角V。由此，激光雷达设备1可以对立体角V×H进行扫描并且对处在该立体角V×H中的可能的对象8进行定位。所产生的射束4至少部分地由对象8反射并且变成反射射束或入射射束10。入射射束10由接收单元12接收。

图2示出根据第一实施例的激光雷达设备1的接收单元12的示意图。为了说明实施例，替代性地同样示出对象8。接收单元12在x-y平面中示出。旋转轴R正交地延伸通过x-y平面。接收单元2具有滤光器14，该滤光器优选地允许入射射束10通过并且阻挡干扰光或干扰反射。因为这样的滤光器14的透射范围随着入射角增大而向更小的波长移位，所以要么透射范围必须大要么可能的入射角β必须小。在此，入射角β不仅具有水平扫描角H的分量，而且具有竖直扫描角V的分量。该分量也可以是0°。根据该实施例，滤光器14可转动地支承，并且，由未示出的压电致动器使滤光器14与镜6同步地沿着平行于旋转轴线R延伸的旋转轴线转动或周期性地摆动。由此，可以扫描大的水平扫描角H。尤其如此跟踪滤光器14，使得入射射束10尽可能垂直地射到滤光器14上。由此可以选择滤光器14的窄的透射范围，因为入射射束10的与角度相关的波长变化不存在或仅仅微小地存在。当对象8相对于光学轴线A正面地或轻微错开地布置时，虚线示出的滤光器14不具有其角度的匹配。在处于远离光学轴线A的对象8的情况下，入射射束10具有较大的入射角β。因为滤光器14与镜6同步地摆动，所以虽然入射角β相对于光学轴线A是大的，例如大于20°，然而入射角β相对于被跟踪的滤光器14相应于0°。因此，入射射束10可以透射通过滤光器14并且到达接收光学系统16。接收光学系统16使入射射束10偏转到探测器18上。探测器18记录入射射束10并且给该入射射束例如设有接收时间和镜6的扫描角H、V。

图3示出根据第二实施例的激光雷达设备1的接收单元12的示意图。与第一实施例不同，接收单元12具有由法布里-珀罗腔20构成的可匹配的滤光器14。法布里-珀罗腔20具有两个部分透明的镜22、24。部分透明的镜22、24中的每一个由玻璃基底26和部分透明的涂层28构成。第一部分透明的镜22在此是固定的并且不能够移置。第二部分透明的镜24可以通过未示出的致动器移位地布置。因此，通过第二部分透明的镜24的移位可以改变腔长度30或两个部分透明的镜22、24之间的间距。当入射射束10具有相对于腔长度30的确定的波长时，入射射束10可以通过法布里-珀罗腔20。因此，通过调节腔长度30可以产生具有确定的波长的入射射束10的透射范围。因此，为了使具有较小波长的入射射束10能够通过法布里-珀罗腔20，必须减小腔长度30。这通过在其原始位置处的以虚线示出的第二部分透明的镜24来说明。

在图4中示出根据第三实施例的激光雷达设备1的接收单元12的示意图。对于第二实施例附加地，接收单元12还具有通风装置32，其可以冷却法布里-珀罗腔20。此外，在通风装置32的后面连接有加热元件34，用以加热由通风装置32产生的空气流。箭头说明由通风装置32产生的空气流。部分透明的镜22、24的温度尤其通过以温度加载的空气流动来调节。附加地，也可以以空气流动的温度加载部分透明的镜22、24之间的空气或流体。由此，对流体的或部分透明的镜22、24的密度进行匹配。因为法布里-珀罗腔20的部件的折射率与密度相关，所以可以通过改变温度来匹配折射率。因此，法布里-珀罗腔20的透射范围可以通过调节温度来调准或匹配于入射射束10。

图5a和5b示出根据第四实施例的激光雷达设备1的接收单元12的示意图。与已经提及的实施例不同，接收单元12整个部分沿着旋转轴线R可转动地支承并且可以相应于镜6的偏转并且因此相应于入射射束10的入射角β地通过未示出的致动器来跟踪。

在图6中示出根据第五实施例的激光雷达设备1的接收单元12的示意图。与先前的实施例不同，接收单元12具有三个固定的滤光器14。滤光器14彼此成一相对角度地布置。根据该实施例，滤光器14以旋转轴线R为中点地近似半圆形地布置。由此，入射射束10相对于相应的滤光器14具有小的相对入射角β。在此，入射射束10以相对于光学轴线A的大的入射角β射到相对于光学轴线A弯折的滤光器14上。

在图7中示出根据第六实施例的激光雷达设备1的接收单元12的示意图。与第六实施例不同，接收单元12具有以下滤光器14：该滤光器具有曲率。滤光器14一件式地实施并具有这样的曲率，使得入射射束10具有相对于滤光器14的0°的相对入射角β。

Claims (11)

1.一种用于对扫描角(H，V)进行扫描的激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备具有用于产生至少一个电磁射束(4)的至少一个射束源(2)、用于使所述至少一个电磁射束(4)沿着所述扫描角(H，V)偏转的可转动的镜(6)、用于接收至少一个入射电磁射束(10)并且使所述至少一个入射电磁射束(10)偏转到至少一个探测器(18)上的接收单元(12)，并且，所述激光雷达设备具有至少一个滤光器(14)，其特征在于，所述至少一个滤光器(14)能够匹配于所述至少一个入射电磁射束(10)。

2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个滤光器(14)能够沿着所述扫描角(H，V)转动。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个滤光器(14)相对于所述可转动的镜(6)能够角度错开或角度同步地转动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个滤光器(14)是可调节的法布里-珀罗腔(20)。

5.根据权利要求4所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个滤光器(14)具有可调节的腔长度(30)。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述腔长度(30)能够根据所述可转动的镜(6)的定向来调节。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个滤光器(14)具有可调节的折射率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述折射率能够根据所述可转动的镜(6)的定向来调节。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光雷达设备，其中，用于对所述至少一个入射电磁射束(10)进行滤光的至少两个滤光器(14)能够彼此角度错开地布置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的激光雷达设备，其中，用于对所述至少一个入射电磁射束(10)进行滤光的所述至少一个滤光器(14)具有曲率。

11.一种用于借助根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达设备(1)对扫描角(H，V)进行扫描的方法，所述方法具有以下步骤：

产生至少一个电磁射束(4)；

使所述至少一个电磁射束(4)沿着所述扫描角(H，V)偏转；

对在对象(18)上反射的至少一个入射射束(10)进行接收和滤光；

探测所反射的所述至少一个入射射束(10)；

其特征在于，相应于所述至少一个入射射束(10)的波长和/或入射角(β)地匹配至少一个滤光器(14)。