CN110869803A - 在考虑眼睛安全性的情况下具有增加的发送功率的激光雷达设备和用于对扫描区域进行扫描的方法 - Google Patents

在考虑眼睛安全性的情况下具有增加的发送功率的激光雷达设备和用于对扫描区域进行扫描的方法 Download PDF

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Abstract

公开一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备用于借助至少一个射束(3)对扫描区域进行扫描，所述激光雷达设备具有用于产生所述至少一个射束(3)的至少一个射束源(2)、具有接收单元(8)，所述接收单元用于接收至少一个在对象(6)上反射的射束(5)并且用于将所述至少一个反射射束(5)偏转到探测器(10)上，其特征在于，所述至少一个射束源(2)以与对称轴(A)间隔开的方式产生所述至少一个射束(3)，并且所述至少一个射束(3)与所述对称轴(A)间隔开地延伸。此外，还公开一种用于对扫描区域进行扫描的方法。

Description

在考虑眼睛安全性的情况下具有增加的发送功率的激光雷达 设备和用于对扫描区域进行扫描的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助至少一个射束对扫描区域进行扫描的激光雷达设备以及一种用于借助至少一个射束对扫描区域进行扫描的方法。
背景技术
普通的激光雷达(英语：Light detection and ranging，光探测和测距)设备由发送装置和接收装置组成。发送装置连续地或脉冲式地产生和发射电磁射束。如果这些射束射到运动的或静止的对象上，则射束由该对象朝接收装置方向反射。接收装置可以探测到所反射的电磁射束并且给反射射束分配接收时间。这例如可以在“飞行时间(Time ofFlight)”分析的范畴内用于求取对象到激光雷达设备的距离。通常使用激光作为射束源，射束源必须相应于IEC 60825-1标准地分级。在眼睛安全性方面，在红外激光情况下，仅仅激光等级1的发送功率极限值被视作安全的。这恰恰在需要高的作用距离的激光雷达设备的应用中成问题。可以将激光雷达设备的最大作用距离视为与发送功率成比例。
发明内容
本发明所基于的任务可以认为是，提出一种方法和一种激光雷达设备，所述方法和所述激光雷达设备在考虑眼睛安全性的情况下能够实现更高的发送功率。
所述任务借助独立权利要求的相应主题来解决。本发明的有利构型是相应的从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面，提供一种激光雷达设备，所述激光雷达设备用于借助至少一个射束对扫描区域进行扫描。激光雷达设备具有用于产生至少一个射束的至少一个射束源。接收单元用于接收至少一个在对象上反射的射束，并且用于将所述至少一个反射射束偏转到探测器上。根据本发明，所述至少一个射束源以与激光雷达设备的对称轴间隔开的方式产生至少一个射束，其中，所述至少一个射束与所述对称轴间隔开地延伸。
关于眼睛安全性的重要参数是视在源或所产生的射束以在眼睛视网膜上的所产生的光斑大小形式的延展。该延展越大，则射束源的发送功率可以越高地选择，因为可以将所产生的射束在视网膜上成像在更大的面积上。在考虑眼睛安全性时，必须将眼睛的调节性(Akkommodation)考虑在内。眼睛的调节性可以导致所产生的射束在视网膜上的不同成像。在此，可以假定眼睛的聚焦范围在10cm和无穷远之间。眼睛聚焦到10cm相应于眼睛的在空气中换算的14.5mm的焦距，在眼睛调节在无穷远的情况下，眼睛的焦距为17mm。所产生的至少一个射束具有如下射束路径：所述射束路径与激光雷达设备的对称轴不相交并且与所述对称轴间隔开地产生。因此，所述至少一个射束源“离轴(off-axis)”地布置。由此可以防止激光雷达设备如准点源(Quasi-Punktquelle)那样表现。根据激光雷达设备的实施方案，对称轴可以任意地布置。
对称轴尤其可以平行于所述至少一个射束的传播方向或正交于所述至少一个射束的传播方向地布置。对称轴例如可以是旋转轴或者延伸通过激光雷达设备的重心。替代地，对称轴可以正交于光轴地延伸或与光轴重合。与“离轴”布置相反，在激光雷达设备的“轴上”布置——在该布置中射束源例如布置在转子的中心——的情况下，所产生的射束在任何时刻都延伸通过光轴或对称轴。由此，存在眼睛和激光雷达设备的如下间距：在所述间距的情况下，所产生的射束尤其可以通过多个射束的相交而成像到视网膜的同一位置上。与至少一个射束源的根据本发明的离轴布置的情况下相比，这导致对视网膜的显著更大的危害。通过避免相交点，可以增加所述至少一个射束源的发送功率，而不会冒危害眼睛安全性的风险。此外，可以由更高的发送功率产生改善的信号/噪声比和激光雷达设备的更高的作用距离。
根据激光雷达设备的一个实施例，多个射束源彼此平行地布置。相应的射束源优选地彼此间隔开。通过射束源的平行布置，通过射束源产生的射束具有彼此平行地延伸的射束路径。由此，不存在射束的共同的叠加点。可以将这种叠加点视为“最坏情况”场景，其中，所有射束源的发送功率总和上不允许超过确定的极限值，以便确保眼睛安全性。因为在激光雷达设备中不存在叠加点，所以每个射束源都可以具有根据所述极限值的最大发送功率。
根据激光雷达设备的另一实施例，所述至少一个射束源布置在转子上。因此，通过转子可以使所述至少一个射束源至少沿着水平扫描角摆动。有利地，也可以使所述至少一个射束源沿着竖直扫描角摆动。水平扫描角和竖直扫描角可以撑开扫描区域。
根据激光雷达设备的另一实施例，转子的旋转轴与激光雷达设备的对称轴相交或与所述对称轴重合。根据激光雷达设备的一种实施方案，所述旋转轴可以是对称轴。所述对称轴例如可以与激光雷达设备的旋转轴或至少一个光轴形成交点。替代地，可以将光轴定义为正交于转子的旋转轴定向的中心对称轴。由此，激光雷达设备可以对称地构造并且因此可以技术上简单地实施。
根据激光雷达设备的另一实施例，所述至少一个射束源静止地布置。替代地或附加地，至少一个射束源可以布置在转子之外。激光雷达设备例如可以实施为例如非旋转式激光雷达设备或“闪光(Flash)”激光雷达设备。在此，也可以根据射束源的布置来抑制射束的交点。这样的激光雷达设备不具有可运动的部件，因此尤其能够少磨损地运行。在“闪光”激光雷达设备的情况下，对称轴例如可以延伸通过两个射束源之间的中心，或者可以延伸通过对称地或不对称地分布的多个射束源之间的中心。根据实施方式，射束源的发射面可以撑开或限定如下面：对称轴可以例如作为面的法线而正交地延伸通过所述面。
根据激光雷达设备的另一实施例，多个射束源能够被顺序地接通和关断。对于旋转运动替代地，也可以通过多个射束源的相继有序的控制来实现扫描区域。如此例如可以在没有可运动的部件的情况下实现区域的扫描。因为仅仅很少射束源可以同时被激活，并且因此很少射束源的在对象上反射的射束可以被探测到，所以探测器可以更小地实施。由此，也可以简化和加速由探测器记录的探测器数据的分析处理。
根据激光雷达设备的另一实施例，多个射束源沿着旋转轴彼此不对称地布置在激光雷达设备中。通过射束源彼此不对称的布置可以以射束源彼此更大的间距实现射束源的分布。所产生的射束在眼睛视网膜上的相应成像具有更大面积的分布。因此，可以进一步降低对于眼睛的危险。此外，通过射束源的非对称设计同样可以抑制射束的射束路径的相交。在此，射束源可以可旋转地或静止地布置在转子上。优选地，在射束源的数目增加的情况下，射束源可以沿着旋转轴以彼此垂直于旋转轴地间隔开的、在竖直方向上相叠地布置的具有射束源的多个列的形式实施。通过具有射束源的列彼此在竖直方向上的错位，例如可以实现非对称设计。
根据本发明的另一方面，提出一种用于借助至少一个射束借助根据本发明的一方面的激光雷达设备对扫描区域进行扫描的方法。在一个步骤中，由至少一个射束源产生至少一个射束并且将其发射到所述扫描区域中。接收并且由探测器探测至少一个在对象上反射的射束，其中，以与对称轴间隔开的方式产生和发送所述至少一个射束。
可以通过所述至少一个射束源的相应的定向或者通过后续的产生光学器件对所述至少一个射束如此定向，使得所述至少一个射束的射束路径不与激光雷达设备的对称轴相交。由此，尤其在多个射束源的情况下可以防止：在考虑眼睛安全性的情况下相应射束源的发送功率作为总和起决定性作用。因为所述至少一个射束平行于对称轴地延伸，所以不存在多个射束相交的危险。由此，每个射束源可以具有最大的发送功率。因此，没有必要考虑射束源的合计的发送功率。由此可能的是，增加激光雷达设备的作用距离，而不会给人眼造成附加的风险。
根据所述方法的一个实施例，使所产生的至少一个射束环绕旋转轴地摆动并且与旋转轴错位地发送。所产生的至少一个射束具有相对旋转轴的错位并且具有平行于光轴延伸的射束路径。光轴正交于旋转轴地或与对称轴重合地向扫描区域的方向延伸。在此，光轴与旋转轴具有交点。通过转子环绕旋转轴的摆动，可以借助所产生的至少一个射束照明水平扫描区域。对称轴与转子共同地环绕旋转轴摆动或旋转并且相应于射束源的布置地定向。对称轴尤其可以布置在多个射束源之间，所述对称轴可以在平行于所产生的射束的射束路径的发射方向上延伸。
根据所述方法的另一实施例，所产生的至少一个射束平行于对称轴地延伸。由此可以实现所谓的“离轴”布置，所述“离轴”布置可以防止所产生的多个射束相交，并且因此可以排除集中的或聚焦到视网膜的一个点上的多个射束的危险。
附图说明
以下根据大幅简化的示意图进一步阐述本发明的优选实施例。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2a、b示出视网膜上的成像射束的示意图，
图3示出根据第二实施例的激光雷达设备的发送单元的示意性俯视图，
图4示出根据第二实施例的激光雷达设备的发送单元的示意性前视图，
图5示出根据第一实施例的方法的示意性流程。
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的示意图。激光雷达设备1具有两个射束源2。射束源2是红外激光器2并且用于产生射束3。射束3随着与激光雷达设备1的距离增加而锥形地展开。射束源2布置在转子4上。转子4实施摆动运动，由此，彼此间隔开的两个射束源2也绕转子4的旋转轴R摆动。因此，两个射束源2可以借助所产生的射束3来照明或扫描水平的角度区域。根据该实施例，所产生的射束3平行于激光雷达设备1的对称轴A延伸。由此，即使在更大的距离处也不产生射束3的交点。这样的交点可能是对人眼的潜在的危害，因为多个射束3可以以相应的高的发送效率聚焦地出现在眼睛视网膜上的有限面积内。激光雷达设备1的对称轴A与旋转轴R正交地在扫描区域的方向上延伸。
如果对象6布置在水平扫描角或扫描区域中，则所产生的射束3可以由对象6散射回或反射到激光雷达设备1上。对象6例如可以是障碍物、车辆、人等。通过所产生的射束3在对象5上的反射，产生反射射束5。所产生的射束3的和反射射束5的射束路径在附图中用于阐明相互关系并且被大幅简化地示出。反射射束5可以由接收单元8接收并且被偏转到探测器10上。根据该实施例，接收单元8是光学透镜系统。为简单起见，对于接收单元8仅仅示出凸透镜8。探测器10例如可以是CMOS传感器或光电二极管阵列。探测器10记录反射射束5并且将反射射束5转换成探测器数据，接着，可以对所述探测器数据进行分析处理。
在图2a和2b中示出所产生的射束3在眼睛的视网膜上的经调节的成像。示出所产生的射束3在不同的时间t1、t2和t3的成像。在此，阐明所产生的射束3在视网膜上的时间变化过程。该时间变化过程尤其示出射束源2在转子4上的摆动运动的一部分。在任何时刻，所产生的多个射束3都不共同地射到视网膜的区域上。相反，所产生的并且由眼睛调节的射束3沿着视网膜移动(wandern)。图2a示例性地示出在视网膜与射束源2的距离为10cm的情况下所产生的射束3在不同的时间t1、t2、t3在视网膜上的成像。在图2b中示例性地示出在视网膜与射束源2的距离为无穷大的情况下所产生的射束3在视网膜上的成像。
图3示出根据第二实施例的激光雷达设备1的发送单元12的示意性俯视图或侧视图。在此，发送单元12静止地实施。因此，这样的激光雷达设备1是所谓的“闪光”激光雷达设备1，所述“闪光”激光雷达设备能够通过顺序地控制射束源2来实现扫描区域。根据该实施例，射束源2沿着发送单元12的竖直延展彼此间隔开地布置，并且形成列状的射束源组14。
在图4中示出根据图3中的第二实施例的激光雷达设备1的发送单元12的示意性前视图。在此尤其清楚的是，发送单元12具有两个列，所述两个列具有彼此间隔开的射束源2。因此，发送单元12具有两个射束源组14，所述两个射束源组与光轴A间隔开并且因此形成“离轴”系统。由射束源2产生的射束3分别具有平行于光轴A延伸的射束路径。因此，所产生的射束3不能够与光轴A相交。由此可以防止所产生的不同的射束3如准点源那样表现。此外，两个射束源组14彼此竖直错位地布置，从而相应的射束源2彼此之间具有更大的间距。形成发送单元12的非对称结构。通过所述非对称结构，所产生的射束3彼此之间具有更大的间距。当在一只眼睛中对如此产生的射束3进行成像时，各个射束可以不重叠地成像在视网膜上。
图5示出根据第一实施例的方法20的示意性流程。在第一步骤中，由至少一个射束源2产生21至少一个射束3并且将其发射22到扫描区域中。在此，将所述至少一个射束3离开光轴a地发射到扫描区域22中。所发射的射束3可以在对象上反射23。接着，由接收单元8接收24反射射束5并且将其引导到探测器10上。接着，对探测器测量数据进行分析处理25。

Claims (10)

1.一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备用于借助至少一个射束(3)对扫描区域进行扫描，所述激光雷达设备具有用于产生所述至少一个射束(3)的至少一个射束源(2)，、所述激光雷达设备还具有接收单元(8)，所述接收单元用于接收至少一个在对象(6)上反射的射束(5)并且用于将所述至少一个反射射束(5)偏转到探测器(10)上，其特征在于，所述至少一个射束源(2)以与对称轴(A)间隔开的方式产生所述至少一个射束(3)，并且所述至少一个射束(3)与所述对称轴(A)间隔开地延伸。
2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，多个射束源(2)彼此平行地布置。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个射束源(2)布置在转子(4)上。
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，所述转子(4)的旋转轴(R)与所述激光雷达设备(1)的对称轴(A)相交或与所述对称轴(A)重合。
5.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个射束源(2)静止地布置。
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，多个射束源(2)能够被顺序地接通和关断。
7.根据权利要求1至4中任一项或权利要求6所述的激光雷达设备，其中，多个射束源(2)沿着所述旋转轴(R)彼此不对称地布置在所述激光雷达设备(1)中。
8.一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)借助至少一个射束(3)对扫描区域进行扫描的方法(20)，其中，
由至少一个射束源(2)产生(21)至少一个射束(3)并且将其发射(22)到所述扫描区域中，
接收(24)并且探测至少一个在对象(6)上反射的射束(5)，
其特征在于，以与对称轴(A)间隔开的方式产生并且发送(22)所述至少一个射束(3)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，使所产生的至少一个射束(3)环绕旋转轴(R)地摆动并且与所述旋转轴(R)错位地发送。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所产生的至少一个射束(3)平行于所述对称轴(A)延伸。
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