CN110662985A - 用于通过具有匹配的波长的射束对扫描区域进行扫描的方法和激光雷达设备 - Google Patents

用于通过具有匹配的波长的射束对扫描区域进行扫描的方法和激光雷达设备 Download PDF

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CN110662985A CN201880034353.XA CN201880034353A CN110662985A CN 110662985 A CN110662985 A CN 110662985A CN 201880034353 A CN201880034353 A CN 201880034353A CN 110662985 A CN110662985 A CN 110662985A
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Abstract

公开一种用于借助至少两个射束对扫描区域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两个射束的至少两个射束源，具有用于对所产生的至少一个射束进行成形的产生光学系统，具有用于接收和分析处理在对象上反射的至少一个射束的接收单元，并且具有用于吸收干扰反射的光学带通滤光器，其中，每个射束源产生具有一波长的至少一个射束，根据所述至少一个射束的发射角能够调节所述波长。此外，公开一种用于对扫描区域进行扫描的方法。

Description

用于通过具有匹配的波长的射束对扫描区域进行扫描的方法 和激光雷达设备
技术领域
本发明涉及一种用于借助至少两个射束对扫描区域进行扫描的激光雷达设备，本发明还涉及一种用于借助至少两个射束对扫描区域进行扫描的方法。
背景技术
通常的激光雷达(英语Light detection and ranging，光探测与测距)设备由发送装置和接收装置组成。发送装置产生并发射连续电磁射束或脉冲电磁射束。当这些射束照射到可运动的或静止的对象上时，射束被对象沿接收装置的方向进行反射。接收装置可以探测到经反射的电磁射束并给经反射的射束分配接收时间。这可以例如在“飞行时间”分析的范畴中用于求取对象至激光雷达设备的距离。为了改善信噪比，可以在激光雷达设备的接收路径中布置光学带通滤光器、尤其干涉滤光器，用以滤除干扰反射。滤光器的透射波长范围越窄，照射到探测器上的干扰光或周围环境光就越少并且信号质量就越好。在探测具有相对于光轴大于0°的入射角的射束的情况下，透射波长范围发生至更小波长的偏移。因此，需要使用具有较宽的透射波长范围的滤光器，因此具有偏离光轴的入射角的射束能够透射以便接收。在此，具有较宽的透射波长范围的滤光器可能对信噪比造成负面影响。
发明内容
基于本发明的任务可以看作实现一种激光雷达设备和一种方法，其能够使用具有较小的透射波长范围的滤光器并且具有改善的信噪比。
该任务借助独立权利要求的相应的主题解决。本发明的有利构型是各个从属权利要求的主题。
根据本发明的一方面，提供一种用于借助至少两个射束对扫描区域进行扫描的激光雷达设备。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以及具有用于对所产生的至少两个射束进行成形的产生光学系统(Erzeugungsoptik)。偏转单元用于沿扫描区域可变地偏转至少一个射束。替代地，可以通过旋转整个发送单元来实现偏转。在对象上反射的至少一个射束可以由激光雷达设备的接收单元来接收并进行分析处理。此外，激光雷达设备具有用于吸收干扰反射的光学带通滤光器，其中，每个射束源产生具有一定波长的至少一个射束，该波长可以根据至少一个射束的发射角进行调节。
至少两个射束源彼此具有一定间距，因此也产生彼此间隔开的射束。为简单起见，“射束”可以理解为“至少两个射束”的意义。随后由产生光学系统对射束进行成形。产生光学系统例如可以是以透镜形式的光学元件。产生光学系统例如可以是有涂层或无涂层的圆柱形透镜、凸透镜、凹透镜或多个相同的或不同的透镜的组合。通过产生光学系统可以使所产生的射束集束(bündlen)或扇形展开
Figure BDA0002286773040000021
与产生光学系统的光轴具有一定间距的射束在经过产生光学系统后具有一发射角。发射角尤其取决于产生光学系统的光学特性和距光轴的间距。随后，可以将如此成形的射束直接地或经过偏转单元从激光雷达设备发射到扫描区域中。优选地，射束可以沿水平角和竖直角进行曲折形
Figure BDA0002286773040000022
地偏转。由此可以借助所产生且经成形的射束对由水平角和竖直角展开的扫描区域进行扫描。
如果对象布置在扫描区域中，则经成形且发射的射束在对象上被反射。至少一个在对象上反射的射束在此同样具有更大的反射角。可以由接收单元接收并探测至少一个经反射的射束。为此，接收单元优选具有接收光学系统，该接收光学系统将至少一个经反射的射束偏转到探测器上。在接收路径中附加地布置有光学带通滤光器。从入射的经反射的射束出发，滤光器例如可以布置在接收光学系统的前方、在接收光学系统内或在接收光学系统的后方。滤光器通常是干涉滤光器，该干涉滤光器具有对于确定的波长范围的射束的透射。根据经反射的射束在滤光器上的入射角，滤光器的透射波长范围发生偏移。尤其随着经反射的入射射束的入射角增大，滤光器的透射波长变小。具有在透射波长范围之外的波长的入射射束能够通过滤光器由激光雷达设备反射或由滤光器吸收。
在根据本发明的激光雷达设备的情况下，所产生且经成形的至少一个射束的波长可以根据其入射角借助经过产生光学系统进行调节。在此，相应于在激光雷达设备的接收路径中所使用的光学带通滤光器进行波长的选择。优选地，所产生且经成形的至少一个射束的波长可以如此进行调节，使得所述波长相应于在射束在对象上反射之后光学带通滤光器的透射波长范围的波长偏移。所产生的且与产生光学系统的光轴间隔开的至少一个射束例如可以具有较小的波长，并且因此尽管由此引起到光学带通滤光器上的更大的入射角，所述至少一个射束仍然能够处在透射波长范围内，并且优选能够无损耗地透射通过滤光器。由此，透射波长范围尤其可以实施得更小，使得较少的干扰反射可以经过滤光器并且被探测器所记录。通过具有较小透射波长范围的带通滤光器也可以有效地阻挡周围环境的从不同角度照射到接收单元和滤光器上的多重反射。由此同样导致激光雷达设备探测到“幻象(Geisterobjekte)”的概率降低。此外，通过滤光器的较小的透射波长范围也可以改善激光雷达设备的信噪比。替代地或附加地，也可以使用具有较大发射角的所产生的射束，以能够实现更大的扫描区域。
根据激光雷达设备的一种实施例，通过至少一个射束源可以调节至少一个射束的波长。例如可以使用不同的射束源。射束源可以是不同的激光器(例如半导体激光器)，这些激光器可以分别以不同波长来产生射束。因此，可以以技术上简单的方式实现匹配所产生的射束的波长。
根据激光雷达设备的另一实施例，通过衍射光学元件可以调节至少一个射束的波长。衍射光学元件例如可以是干涉光栅、体积布拉格光栅元件(英语Volume-Bragg-Grating-Element)、体积全息光栅元件(英语Volume-Holografic-Grating-Element)等。因此，通过多个不同的且可精确调节的衍射光学元件可以调节射束的波长。
根据激光雷达设备的另一实施例，衍射光学元件布置在至少一个射束源中。可以将半导体激光器用作射束源，所述半导体激光器可以通过光栅或通过衍射光学元件进行光谱稳定化。通过光谱稳定化不仅减小所产生的射束的光谱宽度，而且精确地确定所产生的射束的中心发射的波长。在此，可以例如在分布式布拉格反射激光器(DBR)或分布式反馈激光器(DFB)的情况下使用单片的集成光栅。
根据另一优选的实施例，至少两个射束源是一个激光器条的单个发射器。在此，单个发射器可以是表面发射器或边缘发射器。单个发射器优选彼此间隔开。通过产生光学系统可以对相应的单个发射器如此进行成形，使得单个发射器可以用作点状的网格或实施成线形，以便对扫描区域进行扫描。
根据另一实施例，一个激光器条的多个射束源具有共同的衍射光学元件。由此，通常的激光器条例如可以用于产生多个彼此间隔开的射束。所产生的射束的相应的波长可以通过附加的衍射光学元件相应于产生光学系统和所使用的光学带通滤光器进行匹配。衍射光学元件例如可以布置在至少一个射束源与产生光学系统之间。替代地，衍射光学元件也可以例如以涂层的形式布置在产生光学系统上。
根据激光雷达设备的另一实施例，衍射光学元件具有在衍射光学元件的延展上不同的波长选择性。衍射光学元件优选具有这样的延展，使得所有所产生的或经成形的射束都透射通过衍射光学元件。基于所产生的射束的数量，衍射光学元件可以彼此分立地具有隔离区域，这些隔离区域分别可以进行不同的波长匹配。因此，相比于在半导体条的中心，在半导体条的边缘例如可以执行更强烈地减小波长。替代地或附加地，衍射光学元件可以沿着其延展连续地(例如根据线性函数或二次函数)调节或改变所产生的或经成形的射束的波长。
根据激光雷达设备的另一实施例，由至少两个射束源可以同时地或彼此相继地产生射束。因此，如果按顺序发射所产生的射束，则例如可以对经反射的射束的分析处理进行简化。替代地，所有射束源可以同时连续地或以脉冲运行来产生射束。因此，例如可以产生或成形出点状的或线形的网格，用以对扫描区域进行扫描。
根据本发明的另一方面，提供一种借助至少一个射束对扫描区域进行扫描的方法。在一个步骤中，产生具有限定波长的至少一个射束。随后，由产生光学系统对至少一个射束进行成形，并且以一定的偏转角度将该射束照射到偏转单元上。通过偏转单元将经成形的至少一个射束受控制地如此偏转到扫描区域中，使得以至少一个射束对整个扫描区域进行扫描。在对象上反射的射束由接收单元来接收并进行记录。在此，通过布置在产生光学系统前方的滤光器对入射射束进行滤光，其中，所产生的至少一个射束的波长可以根据其发射角进行调节。
在此，在产生至少一个射束时或在对所产生的至少一个射束进行成形时，根据该一个射束的发射角如此匹配至少一个射束的波长，使得所产生的并随后在对象上反射的射束能够无损耗地透射通过滤光器。在此，在对经反射的至少一个射束的波长进行匹配时同样可以考虑经反射的至少一个射束的入射角。因此，通过对所产生的射束的波长进行相应地再校准(nachjustieren)可以考虑在所反射的射束具有较大入射角的情况下滤光器的透射波长范围的偏移。通过该方法例如可以使用具有较小透射波长范围的滤光器，以便能够实现改善信噪比并且更有效地抑制干扰反射。
附图说明
以下根据极其简化的示意图详细地阐述本发明的优选实施例。在此示出：
图1示出根据第一实施例的激光雷达设备的发送路径的示意图；
图2示出根据第一实施例的激光雷达设备的接收路径的示意图；
图3a-c示出借助根据第二、第三以及第四实施例的激光雷达设备的衍射光学元件对波长进行调节的可能性的示意图；
图4示出根据第一实施例的方法的流程。
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示出根据第一实施例的激光雷达设备1的发送路径的示意图。根据该实施例，激光雷达设备1具有实施为红外激光器2的两个射束源2、4。第一射束源2如此布置，使得该射束源2发射沿着发送路径A的光轴延伸的所产生的射束3。在此，发送路径的光轴A与产生光学系统6的光轴是重合的。第二射束源4与第一射束源2间隔开。因此，由第二射束源4所产生的射束5平行于光轴A地延伸并且同样地与光轴A间隔开。根据该实施例，由第二射束源4所产生的射束5的波长小于由第一射束源2所产生的射束3的波长。随后，由产生光学系统6对所产生的射束3、5进行成形。根据该实施例，产生光学系统6是如下的圆柱形透镜6：该圆柱形透镜对所产生的射束3、5进行线形地成形或聚焦。因此，所产生的射束3、5成为经成形的射束7、9。通过聚焦尤其给与光轴A间隔开的所产生的射束5施加一角度偏移。因此，在经成形的射束7、9照射到偏转单元8之前，经成形的射束7、9在产生光学系统6的焦点B相交。在此，偏转单元8是可双轴枢转的镜8，该镜8使得经成形的射束7、9沿着水平扫描角和沿着竖直扫描角进行曲折形地偏转。在此，竖直扫描角和水平扫描角展开如下的扫描区域，该扫描区域可以由经成形的射束7、9进行扫描。由于第二辐射束源4的经成形的射束9的偏移角，这些经成形的射束9以更大的角度从激光雷达设备发射到扫描区域中。
在图2中示出根据第一实施例的激光雷达设备1的接收路径的示意图。所发射的经成形的射束7、9可以在对象10上被反射。经成形的射束7、9通过反射成为经反射的射束11、13。由第二射束源4产生的射束5、9相对于由第一射束源2产生的射束3、7具有一角度。因此，可以由射束5、9扫描这样的对象10：与通过射束3、7可扫描的对象10相比，该对象10相对于激光雷达设备1具有更大的角度。为简单起见，仅示出一个对象10。可以由接收单元12接收所产生的、经成形的并且随后反射的射束3、5、7、9、11、13。接收单元12由光学带通滤光器14组成，该光学带通滤光器14连接在接收光学系统16的前方。接收单元12具有探测器18。由第一射束源2所产生且经反射的射束3、11几乎垂直地照射到滤光器14上并且可以透射通过滤光器14。由第二射束源4所产生且经反射的射束13以一角度照射到滤光器14上。由于该角度偏移，滤光器14的透射波长范围朝向更短的波长进行偏移。第二射束源4产生具有更短波长的所产生的射束5，从而由第二射束源4所产生的且经反射的射束13与滤光器14的透射波长范围的偏移相匹配并且同样地能够透射通过滤光器14。如果第二射束源4的经反射的射束13不具有匹配的波长，则该射束13的波长将会可能由于该射束13的角度偏移而处在滤光器14的透射波长范围以外，并且因此该射束13被滤光器14阻挡或反射。随后，透射通过滤光器14的射束从接收光学元件16被偏转到探测器18上，并且在那里被记录且进行分析处理。
在图3a和图3b中分别示出具有布置在内部的衍射光学元件20的根据第二和第三实施例的激光雷达设备1的经波长稳定化的射束源2。图3a在此示出分布式反馈(DFB)激光器2。在此，衍射光学元件20以周期性结构的形式被引入实施为半导体激光器的射束源2的激活(aktiv)区域内。衍射光学元件20已经在半导体激光器2的谐振器内对具有确定波长的射束进行滤光。根据衍射光学元件20的几何形状，可以产生具有限定的经调节的波长的射束3。在图3b中示出射束源2的波长稳定化的另一原理。半导体激光器2在此实施为分布式布拉格反射(英语Distributed-Bragg-Reflector，简称DFB)激光器2。在此，衍射光学元件20用作射束源2的区域中的反射器。在激光雷达设备1的情况下，也可以组合地使用经不同波长稳定化的射束源2来产生射束3、5。
图3c示出根据第四实施例的激光雷达设备1的发送路径的部分区域。在此，射束源2是一个半导体激光器条22的单个发射器。射束源2产生多个射束3，所述多个射束3由产生光学系统6聚焦成线形的经成形的射束5。接下来，经成形的射束5经过衍射光学元件20，该衍射光学元件20沿着线形射束5引入波长偏移24。在此，相比于线形射束5的中心区域，线形射束5的边缘区域具有更短的波长。
图4示出根据第一实施例的方法30的流程。在第一步骤中，产生32至少一个射束。基于发射角并且基于滤光器的透射波长范围，通过至少一个衍射光学元件或通过至少一个射束源对所产生的至少一个射束的波长进行调节34。接下来，对至少一个射束进行成形并沿着扫描区域进行偏转36。射束可以在对象上被反射38。接下来，经反射的射束被滤光并被接收40。

Claims (10)

1.一种用于借助至少两个射束(7，9)对扫描区域进行扫描的激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备具有至少两个射束源(2，4)并且具有产生光学系统(6)、接收单元(12)和光学带通滤光器(14)，所述至少两个射束源用于产生至少两个射束(3，5)，所述产生光学系统用于对所产生的至少一个射束(3，5)进行成形，所述接收单元用于接收和分析处理在对象(10)上反射的至少一个射束(11，13)，所述光学带通滤光器(14)用于吸收干扰反射，其特征在于，每个射束源(2，4)产生具有一波长的至少一个射束(3，5)，其中，所述至少一个射束(3，5，7，9)的波长能够根据所述至少一个射束(3，5，7，9)的发射角进行调节。
2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个射束(3，5，7，9)的波长能够通过所述至少一个射束源(2，4)进行调节。
3.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个射束(3，5，7，9)的波长能够通过衍射光学元件(20)进行调节。
4.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述衍射光学元件(20)布置在所述至少一个射束源(2，4)中。
5.根据权利要求1或3所述的激光雷达设备，其中，所述衍射光学元件(20)布置在所述至少一个射束源(2，4)以外。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个射束源(2，4)是一个激光器条(22)的单个发射器。
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，一个激光器条(22)的多个射束源(2)具有共同的衍射光学元件(20)。
8.根据权利要求7所述的激光雷达设备，其中，所述衍射光学元件(20)具有在所述衍射光学元件(20)的延展上不同的波长选择性(24)。
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，通过所述至少两个射束源(2，4)能够同时地或彼此相继地产生射束(3，5)。
10.一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)以至少两个射束(7，9)对扫描区域进行扫描的方法(30)，其中，
-产生(32)具有一波长的至少两个射束(3，5)；
-对所述至少两个射束(3，5)进行成形并且分别以一发射角来发射所述至少两个射束；
-将所述至少两个射束(7，9)进行偏转(36)；
-在对象(10)上反射的射束(11，13)通过滤光器(14)进行滤光(38)并被接收(40)；
其特征在于，根据所产生的至少一个射束的发射角对所产生的至少一个射束的波长进行调节(34)。
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