CN110998358B - 具有提高的扫描频率的激光雷达设备和用于扫描扫描区域的方法 - Google Patents
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Abstract
公开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，其具有至少一个用于产生所述至少一个射束的辐射源，具有至少两个能绕着旋转轴线转动的、用于使在对象上被反射的射束偏转到垂直于所述旋转轴线定向的探测器上的镜，其中，所述至少两个镜对于分别一个波长范围具有反射性并且能够在所述旋转轴线的区域中在一角度下相互连接。此外，公开一种用于借助激光雷达设备扫描一扫描区域的方法。
Description
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激光雷达设备对扫描区域进行扫描的方法。
背景技术
常见的激光雷达(英语Light detection and ranging，光探测和测距)设备使用激光器或者辐射源来产生射束，接着通过偏转单元使该射束偏转用以对扫描区域受控制地进行扫描。偏转单元可以以多个可旋转的镜的形式实施，所述镜使发射到镜上的射束依次地朝向扫描区域偏转。在此，通常辐射源垂直于镜的旋转轴线布置。只要对象布置在扫描区域中，经偏转的射束就可以在对象上被反射回到激光雷达设备或者被散射。可以将经反射的射束通过镜偏转至探测器并且接着对所得到的测量数据进行分析处理。在此，不仅辐射源而且探测器可以位置固定地布置。为了提高扫描区域的扫描频率，可以使用例如多个可旋转的镜或者可以使镜以较高的旋转速度转动。然而，为了实现较高的旋转速度，必须使用功率能力更高并且因此更大的驱动电动机。在使用附加的镜的情况下，镜可能相互妨碍。随着进行旋转的镜的数量越来越多，这造成越来越小的扫描区域。
发明内容
基于本发明的任务可以看作提供一种在尺寸保持不变的情况下具有提高的扫描频率的激光雷达设备以及一种用于运行这种激光雷达设备的方法。
该任务借助于独立权利要求的相应的主题解决。本发明的有利的构型是相应的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一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一个射束的至少一个辐射源。此外，激光雷达设备具有能够绕着旋转轴线转动的至少两个镜，用于将在对象上反射的射束偏转到垂直于镜的旋转轴线定向的探测器上。根据本发明，至少两个镜对于各一个波长范围具有反射性并且可以在旋转轴线的区域中在一角度下彼此连接。
为了使激光雷达设备在相同的结构空间或相同的尺寸的情况下具有更高的扫描频率而没有接收功率的损耗，恰好不用于对射束进行反射的镜的反射可以不妨碍探测。这尤其可以通过如下镜实现：所述镜可以反射具有在所定义的波长范围内的波长的射束。反之，具有位于所定义的波长范围以外的波长的射束透射穿过至少一个镜。这类波长选择的镜附加地具有波长范围与射束到镜上的入射角的相关性。根据至少两个镜的转动位置，射束可以被至少一个镜反射或者透射穿过至少一个镜。可以如此调节相应的镜的波长范围，使得单个镜不相互妨碍或者不相互遮住光线(abschatten)。由此，能够使用多个镜来提高扫描频率。所使用的结构空间和镜的旋转速度可以保持不变。因此，可以借助激光雷达设备的数量N个镜面来实现高N倍的扫描速率。除了提高扫描频率之外，这尤其可以用于数字的探测器原理，其中例如在SPAD(英语single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)探测器的情况下可以通过脉冲探测实现直方图形成。
根据激光雷达设备的一个有利的实施例，至少两个镜是布拉格镜(Bragg-Spiegel)。布拉格镜分别仅仅对于确定的角度范围进行反射。如果被对象散射回或者反射的射束在确定的角度下照射到镜上，则布拉格镜将该光反射到探测器上。经反射的射束例如垂直于镜的旋转轴线被反射。如果例如经反射的射束在另一角度下照射到至少一个布拉格镜上，则经反射的射束透射并且可以照射到这样的镜面上：所述镜面恰好处于“正确的”角度下，以便可以将经反射的射束反射到探测器上。由于布拉格镜的相对受限的波长范围，可以省去附加的、连接在探测器前面的滤光器，因为干扰光的大部分不能够被布拉格镜中的任何一个反射到探测器上。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少两个镜将到达的射束交替地反射到探测器上。由此，可旋转的镜可以以定义的旋转速度单向地转动。因此，镜的转动运动的方向逆转是不必要的。
根据激光雷达设备的另一实施例，每个镜具有绕着旋转轴线的有效的角度范围。在有效的角度范围以内，到达的射束被反射到探测器上。基于镜的波长范围与射束的入射角的相关性，仅仅具有确定的波长的射束可以在定义的入射角下或者在定义的入射角范围下在第一步骤中被镜反射并且在第二步骤中在这样的角度下被反射，使得射束照射到探测器上。由此产生镜的如下角度范围：在所述角度范围以内，可以使具有确定的波长的射束偏转或者反射到探测器上。因此，能够给镜分配滤光器功能并且减少干扰光或者使其渐隐。
根据激光雷达设备的另一实施例，每个镜在有效的角度范围以外使到达的射束透射到至少一个另外的镜上。在探测器垂直于镜的旋转轴线定向的情况下，在多个镜中始终存在镜的这样的转动角：在所述转动角的情况下，镜部分地重叠并且因此不能够将射束的一部分反射至探测器。如果射束照射到根据本发明的镜(该镜具有在相应的镜的有效的角度范围以外的角度)上，则该镜透射射束。由此，多个镜可以不相互遮住光线。仅仅当射束也可以照射到探测器上时，这些射束被反射。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少一个辐射源垂直于旋转轴线地定向，其中，所产生的至少一个射束可以通过至少两个镜进行偏转，以便对扫描区域进行扫描。因此，不仅在对象上反射的射束可以被偏转至探测器，而且由至少一个辐射源产生的射束也可以被激光雷达设备发射到扫描区域中。因此，激光雷达设备也可以同时地发送所产生的射束和接收经反射的射束或者散射回到激光雷达设备的射束。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少两个镜具有对于各一个波长范围的两侧的反射性。尤其可以在两侧使用实施为布拉格镜的可旋转的镜。这可能导致激光雷达设备的扫描频率加倍。镜的两侧的反射性可以例如以涂层形式实施。
根据激光雷达设备的另一优选的实施例，可以使用至少两个辐射源用以产生具有不同波长的至少两个射束。因为对于例如两个相继布置的镜的有效的角度范围可以重叠或者甚至是相同的，所以有利地使用多个辐射源，所述辐射源可以产生具有不同波长的射束。因此，具有不同的有效的角度范围和/或波长范围的镜能够交替地可旋转地布置。相应的镜可以将与所述镜相匹配的射束朝向扫描区域进行反射。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少两个射束可以由至少两个辐射源按顺序产生。因此，交替地依次产生具有不同波长的射束，所述波长与所使用的可旋转的镜匹配。通过交替的脉冲顺序可以最优地利用所使用的镜的相应的反射区域。只要所产生的射束被对象反射回到激光雷达设备，则这些经反射的射束可以被探测器记录并且通过不同的波长在技术上简单地分析处理。由此，在分析处理探测器数据期间也可以明确地区分镜的适合于反射的相应的波长范围。
根据激光雷达设备的另一实施例，探测器具有光谱的探测区域，所述光谱的探测区域至少相应于至少两个镜的波长范围。为了确保完全地分离镜的反射区域或者波长范围，所需的光谱的探测区域可以随着所使用的镜面或者所属的波长的数量而增大。由此可以确保，探测器可以完全地记录所有偏转到该探测器上的射束。
根据本发明的另一方面，提供一种借助根据本发明的上述方面所述的激光雷达设备来扫描空间角度的方法。在第一步骤中，产生至少一个射束。所述至少一个射束用于扫描空间角度。由可绕着旋转轴线转动的至少两个镜将在对象上反射的至少一个射束偏转到探测器上，其中，根据至少两个镜的转动位置，经反射的射束穿过第一镜透射到至少一个第二镜上并且被至少一个第二镜反射到探测器上或者经反射的射束被第一镜反射到探测器上。
只要对象定位在扫描区域中，所产生的并且在扫描区域中发送地产生的射束可以在对象上被反射。在此，旋转的镜可以接收经反射的射束并且将其偏转到探测器上。镜优选可以具有波长选择的反射性和/或入射角选择的反射性。因此，例如仅仅当射束具有确定的波长并且在所定义的入射角下照射到镜上时，所述射束才能够被镜反射。在此，反射性可以在入射角和/或波长的区域内存在。如果例如到达的射束具有位于相应的镜的技术规格以外的光学特性，则该射束不被反射。由此，例如可以防止经反射的射束可能未到达探测器或者干扰反射被偏转到探测器上。因此，旋转的镜可以代替滤光器。未被第一镜反射的经反射的射束优选可以无阻碍地穿过第一镜透射到布置在经反射的射束的射束路径中的另外的镜上。优选地，另外的镜相对于探测器这样定向，使得透射的射束可以被偏转至探测器。由此，尤其可以防止镜可能相互遮住光线或者相互妨碍。在用于提高扫描频率的较高数量的可旋转的镜的情况下，也可以对扫描区域不受限制地进行曝光。尽管使用多个镜，通过这些措施可以使这类的激光雷达设备的尺寸保持恒定。
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的实施例。附图示出：
图1示出根据第一实施例的激光雷达设备的示意图；
图2示出根据第二实施例的激光雷达设备的示意图；
图3示出根据第三实施例的激光雷达设备的可旋转的镜的示意图；
图4示出根据第一实施例的激光雷达设备的可旋转的镜的示意图；
图5a，b示出可旋转的镜的反射率与波长的相关性的示意图。
具体实施方式
在附图中，相同的结构性的元件分别具有相同的附图标记。
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具有辐射源2，所述辐射源实施为红外激光器2。辐射源2产生脉冲式的射束3，所述射束垂直于偏转单元4的旋转轴线R的方向定向地被发射。
根据该实施例，偏转单元4由四个布拉格镜6、7组成，所述布拉格镜在旋转轴线R的区域中在驱动轴8上间接地旋转对称地彼此连接。镜6、7可以例如分别具有由多个具有交替不同的折射指数的λ/2区域构成的两侧的涂层。在这里，λ相应于相应的产生的射束3的波长。从布拉格镜6、7的涂层出发，到达的射束3仅仅在确定的入射角α下并且以确定的波长λ这样在布拉格镜7上被反射，使得由于结构性的干涉而产生经反射的射束5并且所述经反射的射束5可以从激光雷达设备1的壳体10朝向扫描区域A发射。如果射束3的入射角α或者波长λ不同于涂层或者布拉格镜6的波长范围，则用于射束3的镜6对于到达的射束3是透明的。因此，射束3可以照射到连接在对于射束3透明的镜6后面的镜7上并且在该镜7上朝向扫描区域A被反射。偏转单元4以定义的旋转速度绕着旋转轴线R旋转。由此，激光雷达设备1可以借助经反射的射束5对扫描区域A进行曝光或扫描。
相反地，偏转单元4不仅可以将所产生的射束3从激光雷达设备1发送出来，而且也可以接收到达的射束13并且将所接收的射束15引导到探测器12上。在此，到达的或者在对象14上反射的射束13作为从激光雷达设备1所发射的射束5的反射或者经散射的光而产生。由于镜6、7的两侧的涂层，经反射的射束13可以从镜6、7根据偏转单元4或者相应的镜6、7的转动位置透射穿过镜6、7或者被反射至探测器12。在此，镜6、7可以用作滤光器，因为非期望的散射光不满足对于镜6、7上的反射的标准。
在此，朝向偏转单元4到达的射束3、13也可以依次地透射穿过多个镜6、7，直至满足对于反射的标准。因此，可以提高镜6、7的数量，以便在旋转速度保持不变的情况下能够实现提高扫描区域A的扫描频率。
在图2中为根据第二实施例的激光雷达设备1的示意图。不同于第一实施例，激光雷达设备1具有两个辐射源2，所述两个辐射源交替地依次产生射束3并且将其朝向偏转单元4发射。由此，可以借助具有分别与镜6、7相匹配的波长λ的射束3对不同地涂覆的镜6、7进行曝光。因此，根据偏转单元4的转动角位置β，在两侧涂覆的镜6、7也可以被具有合适的波长λ的射束3透射。由此，可以根据偏转单元4的转动角位置β对不同的辐射源2进行操控，以便可以借助射束5对扫描区域A进行曝光。
图3示出根据第三实施例的激光雷达设备1的可旋转的镜6、7的示意图。在这里，偏转单元4的所使用的镜6、7具有单侧的波长选择的反射率。
在图4中示出根据第一实施例的激光雷达设备1的可旋转的镜6、7的示意图。要说明的是，所产生的射束3也可以同时对多个镜7进行曝光并且因此例如可以同时发射多个朝向扫描区域A反射的射束5或者可以以线的形式发射射束5。定位在所产生的射束3和经反射的射束5的射束路径中的镜6被无损耗地透射，因为不满足对于反射的前提条件。
图5a和5b示出示意图，所述示意图按百分比地表明相应的可旋转的镜6、7的反射率与波长λ的相关性。所述相应的可旋转的镜可以是例如根据第一实施例的激光雷达设备1的镜6、7。尤其说明在射束3到镜6、7上的不同入射角α的情况下的波长范围的偏移。为了简单起见，仅仅说明0°和90°的入射角α。
Claims (7)
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(5)对扫描区域(A)进行扫描，所述激光雷达设备具有至少一个辐射源(2)和至少两个镜(6，7)，所述至少一个辐射源用于产生至少一个射束(3，5)，所述至少两个镜能够绕着旋转轴线(R)转动并且用于将在对象(14)上反射的射束(13)偏转到垂直于所述旋转轴线(R)定向的探测器(12)上，其中，所述至少两个镜(6，7)对于各一个波长范围具有反射性，并且所述至少两个镜(6，7)的相应的波长范围如此设置，使得被所述至少两个镜(6，7)中的一个镜反射的射束透射穿过所述至少两个镜(6，7)中的至少一个另外的镜，所述至少两个镜(6，7)在所述旋转轴线(R，8)的区域中能够在一角度下彼此连接，其中，所述至少一个辐射源(2)垂直于所述旋转轴线(R)地定向，并且所产生的至少一个射束(3)能够通过所述至少两个镜(6，7)进行偏转，用以对所述扫描区域(A)进行扫描，其中，所述至少两个镜(6，7)是布拉格镜(6，7)，其中，所述至少两个镜(6，7)中的每个镜具有绕着所述旋转轴线(R)的有效的角度范围，并且在所述有效的角度范围以内到达的射束(13)能够被反射到所述探测器(12)上，其特征在于，所述至少两个镜(6，7)中的每个镜使在所述有效的角度范围以外到达的射束(13)被透射到所述至少两个镜(6，7)中的至少一个另外的镜上。
2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个镜(6，7)将到达的射束(13)交替地反射到所述探测器(12)上。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个镜(6，7)具有对于各一个波长范围的两侧的反射性。
4.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，能够使用至少两个辐射源(2)用以产生具有不同的波长(λ)的至少两个射束(3)。
5.根据权利要求4所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个射束(3)能够由所述至少两个辐射源(2)按顺序产生。
6.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，所述探测器(12)具有光谱的探测区域，所述光谱的探测区域至少相应于所述至少两个镜(6，7)的波长范围。
7.一种用于借助根据权利要求1至6中任一项所述的激光雷达设备(1)对扫描区域(A)进行扫描的方法，其中，产生至少一个射束(3)，借助所述至少一个射束(5)对扫描区域(A)进行扫描，由能够绕着旋转轴线(R)转动的至少两个镜(6，7)将在对象(14)上反射的至少一个射束(13)偏转到探测器(12)上，其特征在于，根据所述至少两个镜(6，7)的转动位置，经反射的射束(13)
-穿过所述至少两个镜(6，7)中的第一镜(6)透射到至少一个第二镜(7)上并且被所述至少两个镜(6，7)中的至少一个第二镜(7)反射到所述探测器(12)上，或者
-被所述第一镜(6)反射到所述探测器(12)上。
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