CN111051920A - 用于根据情况来扫描立体角的激光雷达设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于借助至少一个射束来扫描立体角的激光雷达设备，该激光雷达设备具有用于产生至少一个射束的可水平旋转地布置的至少一个射束源，用于对所述所产生的至少一个射束进行成形的至少一个产生光学器件，可水平旋转的接收光学器件，该接收光学器件用于接收在对象上反射的至少一个射束并将所述反射的至少一个射束引导到探测器上，其中，所产生的至少一个射束能够可变地成形。

Description

用于根据情况来扫描立体角的激光雷达设备
技术领域
本发明涉及一种激光雷达(英语：light detection and ranging，光探测和测距)设备，该激光雷达设备用于借助至少一个射束来扫描立体角，该激光雷达设备具有：用于产生至少一个射束的可水平旋转地布置的至少一个射束源、用于对所产生的至少一个射束进行成形的至少一个产生光学器件、可水平旋转的接收光学器件，该接收光学器件用于接收在对象上反射的至少一个射束，并且用于将经反射的至少一个射束偏转到探测器上。
背景技术
常见的激光雷达设备基于不同的构思。一方面可以使用所谓的微扫描仪，另一方面可以使用宏扫描仪。在宏扫描仪的情况下，发送单元和接收单元可以布置在转子上，并且可以围绕旋转轴线一起旋转或枢转。由此例如可以曝光和扫描360°的水平扫描角。
由文献DE 10 2006 049 935 A1例如已知一种激光雷达设备或宏扫描仪，该宏扫描仪使用聚焦的单个射束来对扫描区域进行扫描并且在信号处理的范畴内对反射射束进行评估和分析处理。
这种激光雷达设备通常具有有限的竖直分辨率和相对较小的竖直扫描角，无法根据情况来改变所述竖直分辨率和竖直扫描角。
发明内容
本发明所基于的任务可以视为实现如下激光雷达设备：该激光雷达设备可以根据情况来匹配立体角的曝光。
借助独立权利要求的相应的主题来解决该任务。本发明的有利的构型分别是从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面，提供一种用于借助至少一个射束来扫描立体角的激光雷达设备。该激光雷达设备具有用于产生至少一个射束的可水平旋转地布置的至少一个射束源。产生光学器件用于对所产生的至少一个射束进行成形。产生光学器件可以包括多个光学元件——例如透镜、衍射光学元件、全息光学元件等。此外，激光雷达设备具有可水平旋转的接收光学器件，该接收光学器件接收在对象上反射的至少一个射束并将所述至少一个射束偏转到探测器上。
射束源可以与产生光学器件或产生光学器件的一部分共同构成发送单元。射束源例如可以是红外半导体激光器、激光器条(Laserbarren)等。射束源因此可以连续地或脉冲地产生电磁射束。
接收单元包括接收光学器件和探测器。探测器例如可以是列探测器，该列探测器被划分为探测器像素。该探测器可以是单光子雪崩二极管探测器(英语：Single PhotonAvalanche Diode或SPAD)。由于高灵敏度，SPAD探测器可以使用时间相关的单光子计数(英语：time-correlated single photon counting，缩写：TCSPC)来实现在低有效光情况下的高分辨率。由此可以在探测器侧改善激光雷达设备的竖直分辨率。
发送单元和接收单元可以彼此同步地水平旋转，从而曝光和探测一水平扫描角。可以不仅时间上并行地而且在时间上串行地运行发送单元和接收单元。例如，发送单元和接收单元可以彼此并联地可旋转地布置或者沿着旋转轴线轴向地互相上下地布置。
发送单元可以产生竖直方向上互相上下地延伸的一个或多个射束，所述一个或多个射束定义并曝光一竖直的扫描角度。接着，可以通过列探测器来实现激光雷达设备的竖直分辨率。
产生光学器件用于使所产生的至少一个射束成形，并且产生光学器件具有可以匹配或改变所产生的至少一个射束的至少一个可变透镜。通过这种可变的产生光学器件例如可以在发送侧改变焦点和/或偏转方向。产生光学器件不仅可以与射束源一起作为整体可旋转地布置，而且可以部分可旋转且部分固定地布置。因此，可以如此影响由射束源产生的射束和使由射束源产生的射束可变化地成形，使得激光雷达设备可以最佳地匹配于确定的周围环境、速度、定向等。在这种激光雷达设备的情况下，例如可以根据情况而使竖直分辨率和/或作用范围发生变化。例如，可以通过更强的聚焦来减小竖直扫描角并增大扫描区域的作用范围。另一方面，可以在同时减小作用范围的情况下增大竖直扫描角，或者可以使竖直扫描角轴向地移动或偏移。因此，例如在车辆中，可以通过具有由于探测器引起的较低分辨率的激光雷达设备并以较大的竖直扫描角对侧面区域进行扫描。在探测器中，在此例如可以将每隔一个或每隔两个探测器像素用于分析处理。反之，在行驶方向上，在小的竖直扫描角的情况下的大作用范围是有意义且可实现的。可以根据情况使激光雷达设备的曝光发生变化。例如，曝光可以匹配于上坡行驶、下坡行驶、乡村道路行驶、高速公路行驶、城市行驶等。产生光学器件还可以包括多个可变和不可变的透镜和/或光学元件。
此外，激光雷达设备可以实现在不同的曝光状态之间进行切换——例如切换到用于附近环境的大面积覆盖的较大的竖直扫描角度，并且因此可以用于复杂周围环境中的定位。例如，可以使用基于电活性聚合物的可变化的透镜作为可变透镜或自适应光学器件。
根据激光雷达设备的一种实施例，射束源具有单个发射器并且产生竖直方向上彼此角度偏移或位置偏移的至少两个射束。射束源例如可以是具有多个单个发射器的激光器条。因此，每个发射器可以产生至少一个电磁射束。替代地，多个半导体激光器例如可以彼此并排地布置。在发射器的行状布置的情况下，射束源尤其可以实现扫描区域的逐像素或点状或线状的竖直的照明。因此，可以通过所产生的射束部分地或完全地曝光竖直的扫描角。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少一个射束能够径向可变地聚焦。产生光学器件的可变透镜可以改变其焦距，从而将所产生的至少一个射束在焦平面中例如点状地聚焦。通过可变透镜可以影响和调节焦平面与激光雷达设备的径向间距。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少一个射束能够轴向可变地聚焦。尤其可以改变可变透镜的形状。由此可以使所产生的至少一个射束轴向地偏转或偏移。因此例如可以实现更高或更深地延伸的竖直扫描角。由此，例如在上坡行驶时的激光雷达设备的汽车应用中，可以主动地改变竖直扫描范围的高度和位置。
根据激光雷达设备的另一实施例，所述至少一个射束能够根据时间可变地成形。借助所述至少一个可变透镜，可以在发送侧如此改变所产生的至少一个射束，使得例如在发送单元的每隔一圈旋转的情况下改变所产生的射束或者在两个或多个定义的曝光模式之间进行切换。替代地或附加地，所产生的射束的匹配也可以在发送单元的一圈旋转内进行。
根据激光雷达设备的另一实施例，至少一个射束能够根据射束源的旋转位置可变地成形。由此可以使所产生的至少一个射束在发送单元的一圈旋转或转动内匹配或变化至少一次。因此，在行驶期间，例如布置在车顶上的激光雷达设备在朝车辆前部的方向上的旋转位置中可以将所产生的射束尽可能远离激光雷达设备地聚焦，从而实现曝光的最大作用范围。在激光雷达设备的作用范围相对较小的情况下，所产生的射束可以在车辆侧面具有尽可能大的竖直扫描角度。在泊车过程期间，所产生的射束可以沿着发送单元的整个旋转而限制在小的作用范围。因此可以将360°的水平扫描角划分为多个角度区段。因此，在相应的角度区段内，所产生的至少一个射束可以是恒定的或者可以变化或改变。
根据激光雷达设备的另一实施例，射束源根据时间产生角度偏移的或位置偏移的至少一个射束。作为通过探测器来控制分辨率的附加或替代，通过使用有限数量的探测器像素来进行进一步的分析处理，可以通过射束源对曝光进行匹配。例如，可以激活射束源的所有发射器，或者仅激活所有发射器的定义的部分。替代地，也可以激活射束源的每隔一个或每隔两个发射器。在需要最大作用范围的应用中，可以激活所有发射器。在对最大距离要求较低的应用中，可以通过减少激活的发射器来降低曝光强度。由此例如可以防止探测器在曝光对象附近经受饱和或过度曝光。
根据激光雷达设备的另一实施例，射束源根据射束源的旋转位置产生角度偏移的或位置偏移的至少一个射束。可以根据时间或基于射束源或发送单元的旋转位置来实现通过接通或关断射束源的发射器来匹配射束功率。由此可以将水平扫描角划分成具有不同功能的多个角度范围。这能够实现例如更全面地测量车辆附近的环境，这对于自动化驾驶的环境识别的不同功能可能是必需的。由此例如可以优化对道路边界的识别或者可以更好地评估可通行的面。这使得即使在复杂的环境中也可以定位激光雷达设备，因为激光雷达设备可以借助不同地成形的射束多次扫描周围环境中的特定的未识别到的或错误地识别的区域，以便获得更多的关于立体角的信息。
根据激光雷达设备的另一实施例，产生光学器件具有至少一个无源光学元件。除了不可变透镜之外，产生光学器件还可以具有未布置成可旋转的光学元件。这些光学元件可以是其他透镜、滤光器、衍射光学元件例如体积全息光学元件等。光学元件例如可以布置在激光雷达设备的壳体上。因此，在整个或部分的水平扫描范围和/或竖直扫描角度内，至少一个光学元件布置在所产生的射束的射束路径中，并因此可以在将所产生的至少一个射束发射到待扫描的立体角之前对所产生的至少一个射束进行成形。这种无源光学元件是产生光学元件的一部分，并且例如可以以如下薄膜的形式实施：该薄膜在圆周侧固定地围绕发送单元布置。由此可以合适地曝光和扫描待扫描的立体角的不同区域。在此，可以取消有源的控制装置，从而在技术上简化这种激光雷达设备。
根据激光雷达设备的另一实施例，所述至少一个射束可以通过至少一个无源光学元件根据射束源的旋转位置来成形。在此，发送单元可以优选地轴向布置在与接收单元不同的平面上。因此，发送单元可以至少部分地沿着其水平旋转而将所产生的至少一个射束引导通过至少一个无源光学元件。无源光学元件可以连续地或仅在确定的旋转位置内布置。无源光学元件例如可以被层压或粘合到激光雷达设备的发射窗的内侧上。无源光学元件可以在空间上彼此分离，或者无缝地或逐渐地合并(ineinanderübergehen)。
根据激光雷达设备的另一有利的实施例，至少一个无源光学元件是全息光学元件。无源光学元件有利地实施为全息光学元件。全息光学元件尤其可以是体积全息图。与传统的光学器件相反，在实现为体积全息图的全息光学元件中，不通过折射、而是通过在体积光栅处的衍射来预给定射束偏转。全息光学元件不仅可以以透射的方式、而且可以以反射的方式制造，并且能够实现自由地选择入射角和出射角或衍射角。为了产生全息光学元件，可以将全息材料施加到载体薄膜上，然后在拍摄过程中对全息材料进行曝光，从而将光学功能引入到材料中。例如可以类似于逐像素地印刷该曝光方法。由于体积全息图上的体积衍射，全息光学元件附加地具有特征的波长选择性和角度选择性或滤光器功能。
根据激光雷达设备的另一实施例，产生光学器件具有至少一个可变的光学器件。可变光学器件或自适应的光学器件尤其可以是液体透镜并且是产生光学器件的一部分。这种透镜可以根据施加的电压来改变其焦距。该功能例如可以基于电润湿(Elektrobenetzung)的原理。借助液体透镜，不仅可以实现不同的聚焦，而且可以在竖直或轴向的方向上或在水平方向上实现射束偏转或射束偏移。
附图说明
以下根据高度简化的示意图进一步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示意图；
图2a示出根据第二实施例的激光雷达设备的发送单元的示意图；
图2b示出根据第三实施例的激光雷达设备的发送单元的示意图；
图3a示出根据第四实施例的激光雷达设备的示意图；
图3b示出根据第四实施例的激光雷达设备的无源光学元件的示意性俯视图。
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具有射束源2。根据该实施例，射束源2例如可以是可产生激光射束3的半导体激光器2。然后，可以由产生光学器件4对所产生的射束3进行成形或匹配。然后，由激光雷达设备1沿立体角A的方向发射经成形的射束5。产生光学器件4是液体透镜4，该液体透镜可以通过未示出的电连接而被供给电压，并因此可以根据电压而改变其光学特性。射束源2和产生光学器件共同构成发送单元6。
如果对象8处于立体角A，则可以在对象8上反射或散射所述经成形的射束5。经散射或反射的射束7可以由接收光学器件10接收并被偏转到探测器12上。探测器12是列探测器，该列探测器由多个探测器像素构成，所述多个探测器像素布置在一列中并定义激光雷达设备1的竖直分辨率。探测器12和接收光学器件10在此构成激光雷达设备1的接收单元14。
发送单元6和接收单元14能够围绕旋转轴线R水平地旋转360°，并且在轴向上互相上下地布置。
图2a和2b中示出根据第二和第三实施例的激光雷达设备1的发送单元6的示意图。在此，射束源2分别实施为分别具有五个单个发射器16的激光器条2。示出使用具有减少数量的激活的发射器16的射束源2。根据实施例，射束源2的五个单个发射器16中的三个被激活并因此产生射束3。由液体透镜4改变或匹配所产生的射束3。经成形的射束5具有共同的焦平面B，并且在焦平面B中例如点状地实施。相应的所产生的射束3也可以由产生光学器件4结合成在焦平面B中线状的射束。产生光学器件4或产生光学器件的至少一个液体透镜4可以根据施加的电压将所产生的射束3不同程度地聚束，使得可以移动经成形的射束5的焦平面B。替代地或附加地，可以根据施加的另一电压使经成形的射束5在竖直或轴向或水平的方向上偏转，并且因此使经成形的射束的焦点在焦平面B内局部地偏移。虚线的射束路径表明液体透镜4对所产生的射束3的影响。
图3a示出根据第四实施例的激光雷达设备1的示意图。与根据第一实施例的激光雷达设备1不同，激光雷达设备1在此具有带有无源光学元件18的产生光学器件4。在此，产生光学器件4可以具有可变透镜4和不可变透镜。无源光学元件18在此是实施为薄膜的体积全息图18。薄膜在圆周侧固定地围绕可旋转的发送单元6布置。因此，在发送单元6围绕旋转轴线R旋转期间，薄膜的所有区域被彼此相继地曝光。薄膜的不同区域包括具有不同或相同光学功能的不同的体积全息图18。图3b示出处于展开状态的这种薄膜。借助薄膜的不同的矩形的体积全息图18来显示0°到360°的角度范围。因此，在通过透镜4进行成形之后，根据发送单元6的水平旋转位置，通过相应的体积全息图18对所产生的射束3进行附加地成形或滤光。

Claims (12)

1.一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备(1)用于借助至少一个射束(5)来扫描立体角(A)，所述激光雷达设备具有：
至少一个射束源(2)，所述至少一个射束源可水平旋转地布置并且用于产生至少一个射束(3)；
至少一个产生光学器件(4)，所述至少一个产生光学器件用于对所产生的至少一个射束(3)进行成形；
接收光学器件(10)，所述接收光学器件是可水平旋转的，所述接收光学器件用于接收在对象(8)上反射的至少一个射束(7)并将经反射的所述至少一个射束(7)偏转到探测器(12)上；
其特征在于，所产生的至少一个射束(3)能够可变地成形。
2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述射束源(2)具有单个发射器(16)并且产生至少两个射束(3)，所述至少两个射束竖直地彼此角度偏移或位置偏移。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备，其中，所产生的至少一个射束(3)能够径向可变地聚焦。
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，所产生的至少一个射束(3)能够轴向可变地聚焦。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达设备，其中，所产生的至少一个射束(3)能够根据时间可变地成形。
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，所产生的至少一个射束(3)能够根据所述射束源(2)的旋转位置可变地成形。
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，所述射束源(2，16)根据时间来产生角度偏移或位置偏移的至少一个射束(3)。
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，所述射束源(2，16)根据所述射束源(2)的旋转位置来产生角度偏移或位置偏移的至少一个射束(3)。
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，所述产生光学器件(4)具有至少一个无源光学元件(18)。
10.根据权利要求9所述的激光雷达设备，其中，所产生的至少一个射束(3)能够通过所述至少一个无源光学元件(18)根据所述射束源(2)的旋转位置来成形。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述至少一个无源光学元件(18)是全息光学元件(18)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述产生光学器件(4)具有至少一个可变的光学器件(4)。
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