CN111164450A - 用于根据激光雷达原理的距离测量设备的光学装置 - Google Patents

用于根据激光雷达原理的距离测量设备的光学装置 Download PDF

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Abstract

用于根据激光雷达原理的距离测量设备的光学装置(10)，该装置包括：至少一个光源(11)；第一偏转器件，该第一偏转器件在装置(10)的运行中将从所述至少一个光源(11)发出的光(12)偏转到第一角度范围中；第二偏转器件，该第二偏转器件在装置(10)的运行中时将从所述第一偏转器件出发的光(12)偏转到第二角度范围中，所述第二角度范围大于第一角度范围；以及光学器件，该光学器件这样影响所述光(12)，使得所述光作为会聚的光(12)击中到第二偏转器件上。

Description

用于根据激光雷达原理的距离测量设备的光学装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于根据激光雷达原理的距离测量设备的光学装置以及一种根据权利要求9的前序部分所述的根据激光雷达原理的距离测量设备。
背景技术
根据激光雷达原理工作的上述类型的距离测量设备可以在机动车中例如用于自主行驶或用于避免事故。在此，除了覆盖宽的水平视场(horizontal Field Of View–hFOV)之外，物体分辨率的品质是非常重要的。
由US 9 285 477 B1已知开头所述类型的一种装置和一种距离测量设备。其中所描述的装置使用脉冲红外激光器作为光源，所述脉冲红外激光器的激光被准直。经准直的激光束打到用作第一偏转器件的振荡的MEMS反射镜上，该MEMS反射镜将在第一角度范围内的激光偏转到折射的次级光学器件上。所述次级光学器件具有柱形的入射面和平坦的出射面。由所述次级光学器件将激光偏转到第二角度范围内，该第二角度范围大于第一角度范围，从而扩大了水平视场。
在这种装置中证明为不利的是，通过可相比拟的次级光学器件引起的视场扩张通常与物体分辨率变差有关。图5至图7阐述在这种设计方式中的情况。
在其中示出的装置包括光源1、例如具有初级光学器件2的激光光源，该初级光学器件将从激光光源射出的光3准直。所述光3被振荡的反射镜4偏转到例如可以为60°大的角度范围内。被偏转的光3打到折射的次级光学器件5上，该次级光学器件具有柱形的入射面6和平坦的出射面7。所述光3作为相对强烈地发散的光束从次级光学器件5中射出(参见图5和图6)，从而所述光的各个分射束9的射束宽度8在远场中比较大(对此参见图7)。这导致距离测量设备的相应差的物体分辨率。这在现有技术中部分地通过接收器侧的高分辨率的(例如以高分辨率的、适合于测量距离的、具有前置光学系统的2D阵列形式的)元件来补偿。这种系统是耗费的并且相应地是高价格的。
发明内容
本发明的技术问题在于实现一种开头所述类型的装置，尽管光被偏转到的大的角度范围，该装置在远场中仍具有相对小的射束延伸尺寸。本发明的技术问题还在于实现一种开头所述类型的距离测量设备，尽管存在大的水平视场，该距离测量设备仍具有相对良好的物体分辨率。
按照本发明，这通过一种具有权利要求1的特征部分特征的开头所述类型的装置以及通过一种具有权利要求9的特征部分特征的开头所述类型的距离测量设备来实现。从属权利要求涉及本发明的优选的实施方案。
根据权利要求1规定，所述装置包括光学器件，该光学器件这样影响光，使得所述光作为会聚的光击中到第二偏转器件上。在存在会聚的相应的特点的情况下，能够尽可能避免从第二偏转器件中射出的光的扩散，从而在与装置间隔开距离地产生小的射束发散和因此产生小的射束延伸尺寸，所述距离在距离测量设备中使用时典型地对应于到要探测的物体的距离。由此产生良好的物体分辨率，从而能够省去由现有技术已知的在接收器侧的高分辨率的元件。
存在如下可能性，即，所述光学器件构造成初级光学器件或者是初级光学器件的一部分，从至少一个光源发出的光在击中到第一偏转器件上之前至少部分地穿透通过该初级光学器件，或者该初级光学器件将从所述至少一个光源发出的光至少部分地反射到第一偏转器件上，其中，所述初级光学器件尤其是具有带有焦距的正折光力。在此，所述初级光学器件例如可以构造成会聚透镜或者包括会聚透镜。尤其是，所述至少一个光源具有出射孔，该出射孔与初级光学器件的焦平面具有这样的距离，使得所述光作为会聚的光击中到第二偏转器件上。按照这种方式能够利用简单的器件在远场中实现按照本发明所期望的小的射束延伸尺寸。
可以规定，所述第一偏转器件构造成可移动的、尤其是围绕转动轴线振荡的反射镜，其中，该反射镜优选是MEMS反射镜。尤其是，该反射镜可以具有直径在1mm至5mm之间的反射面。利用这种反射镜可以使光束非常有效地在直至大约60°的角度范围上运动。
存在如下可能性，即，所述第二偏转器件构造成次级光学器件或者包括次级光学器件，其中，该次级光学器件具有弯曲的折射面、尤其是柱面透镜，或者具有弯曲的反射面、尤其是柱面反射镜。在此，柱面透镜或柱面反射镜的柱轴线可以基本上平行于反射镜的转动轴线。通过这种设计方式，所述光被偏转到的角度范围可以增大、例如加倍，从而在距离测量设备中使用时能够实现大的水平视场。在这里有利的是折射面或反射面的连续的曲率，因为连续弯曲的形状保证无级的偏转。
也完全存在如下可能性，即，所述次级光学器件的弯曲的折射面或弯曲的反射面关于两个相互垂直的方向具有曲率。按照这种方式，次级光学器件的弯曲的折射面或弯曲的反射面不仅可以在水平方向上增大光被偏转到的角度范围，而且可以在竖直方向上影响光、尤其是在竖直方向上使光成形。
此外存在如下可能性，即，所述次级光学器件具有用于光的入射面和出射面，它们二者都是弯曲的，其中，入射面具有与出射面的曲率所不同的曲率。在装入到机动车中的状态中，入射面的曲率例如可以沿水平方向使光偏转或影响光或使光成形，而在装入到机动车中的状态中，出射面的曲率可以沿竖直方向使光偏转或影响光或使光成形。尤其是，入射面和出射面分别具有一个柱面透镜，其柱轴线彼此垂直地定向。但也存在如下可能性，即，不仅入射面、而且出射面关于两个彼此垂直的方向具有曲率，从而在装入到机动车中的状态中，所述两个面不仅沿水平方向而且沿竖直方向使光偏转或影响光或使光成形。
可以规定，所述次级光学器件包括多于一个构件。在此，所述构件中的两个或更多个构件可以具有弯曲的折射面、尤其是柱面透镜，或者具有弯曲的反射面、尤其是柱面反射镜。按照这种方式，多于一个构件可以有助于偏转到第二角度范围中，从而尤其是能够增大第二角度范围。
可以规定，从初级光学器件到第一偏转器件的距离与从第一偏转器件到第二偏转器件的距离的总和大于初级光学器件的焦距，尤其是比初级光学器件的焦距大5倍至50倍。在存在这种距离关系的情况下，能够相对有效地确保击中到第二偏转器件上的光的适当的会聚。
根据权利要求9规定，所述距离测量设备包括按照本发明的装置。
通过使用按照本发明的装置，成形为尽可能平行或尽可能窄的束的激光射束可以被偏转在感兴趣的水平视场中，从而实现良好的物体分辨率。
附图说明
下面借助各附图更详细地阐述本发明。图中：
图1示出按照本发明的装置的一种实施方式的示意性俯视图，其中光沿第一方向从该装置中射出；
图2示出根据图1的实施方式的示意性俯视图，其中光沿第二方向从该装置中射出；
图3示出根据图2中箭头III的细节；
图4示出阐明从根据图1的实施方式发出的光在远场中的射束横截面的示图；
图5示出根据现有技术的装置的实施方式的示意性俯视图，其中光沿第一方向从该装置中射出；
图6示出根据图4的实施方式的示意性俯视图，其中光沿第二方向从该装置中射出；
图7示出阐明从根据图4的实施方式发出的光在远场中的射束横截面的示图。
具体实施方式
在各附图中，相同的和功能相同的部件配设有相同的附图标记。
按照本发明的装置10的在图1至图3中示出的实施方式包括光源11，从该光源发射出光12。光源11可以是激光光源、例如脉冲红外激光器。尤其是可以是半导体激光器。然而，也完全存在代替脉冲激光器使用CW激光器的可能性。此外也存在如下可能性，即，使用具有在红外光谱范围之外、例如在可见光范围内的发射波长的激光。此外，完全可以设置多于一个激光光源。
也存在如下可能性，即，使用一个或多个发光二极管(LED)作为光源。
该装置10还包括初级光学器件13，从光源11射出的光12穿透通过该初级光学器件。在示出的实施例中，该初级光学器件13构造成具有焦距f的会聚透镜、尤其构造成双凸透镜(参见图3)。完全存在如下可能性，即，使用其它的例如包括多于一个透镜的初级光学器件。也可以使用构造成反射镜或包括反射镜的初级光学器件。
光源11的在图3中仅示意性示出的出射孔不位于初级光学器件13的焦平面14中。更确切地说，该光源与初级光学器件13具有大于焦距f的距离d。由此实现从初级光学器件13中射出的光12不是准直的，而是略微会聚的(参见图3)。
所述装置10还包括用作第一偏转器件的振荡的反射镜15，该反射镜尤其是构造成反射面的直径例如在1mm至5mm之间的MEMS反射镜。反射镜15尤其是在±15°的角度范围上运动，从而由反射镜15反射的光12被偏转到大约±30°的角度范围内或者说大约60°的角度范围内。在此，保持光12的由图3可见的会聚。
完全存在设置其它第一偏转器件的可能性。
所述装置10还包括用作第二偏转器件的次级光学器件16。次级光学器件16的示出的实施方式具有凹的柱形的入射面17和平坦的出射面18。在此，由柱形的入射面17形成的柱面透镜的柱轴线进入到图1和图2的图平面中延伸并且因此基本上平行于未示出的转动轴线，以便所述反射镜15围绕该转动轴线振荡。
图1示出，从初级光学器件13到构造成反射镜15的第一偏转器件的距离d1与从第一偏转器件到构造成次级光学器件16的第二偏转器件的距离d2的总和大于初级光学器件13的焦距f。所述距离d1+d2的总和例如可以比初级光学器件13的焦距f大5倍至50倍。
所述次级光学器件16通过弯曲的入射面17和平坦的出射面18的设计方式来增大光12被偏转到的角度范围。尤其是，所述角度范围的大小可以大致加倍，从而所述光12偏转到大约±60°的角度范围内或者说大约120°的角度范围内。图1示出大致居中地击中(auftreffen)到入射面17上的光束，该光束未被偏转。图2示出击中在入射面17的边缘区域中的光束，该光束在从次级光学器件16射出时相对于入射方向明显向外偏转。
所述次级光学器件16尤其是可以这样设计，使得在输入光束的方向变化时至少在彼此邻接的击中区域中出现输出光束的成比例的方向变化，例如使得输出侧上的方向变化总是大致是输入侧上的方向变化的两倍大。
完全存在如下可能性，即，对次级光学器件进行不同地设计。例如不仅入射面、而且出射面可以是弯曲的，其中，然而入射面的曲率尤其是可以大于出射面的曲率。
此外，也存在如下可能性，即，次级光学器件包括反射镜、尤其是柱面反射镜或者构造成仅由反射镜组成的光学器件。
由于击中到次级光学器件16上的光12的会聚，次级光学器件16的光12不像现有技术中那样强地扩张。光尽可能准直地或者说作为尽可能平行的光束从次级光学器件4中射出，从而光的各个分射束20的射束宽度19在远场中相对小(对此参见图4)。
这可以理解成，当从初级光学器件13发出的光束打到次级光学器件19上时，该光束具有有限的且相关的延伸尺寸。如果假设次级光学器件19使所述束的每个单个射束的偏转角增大了恒定的因数，那么为了减小射出的光的发散，所述束的外部射束应相对于所述束的中间射束会聚。由于恒定的因数，内部的边缘射束不如中间射束偏转得强烈，从而所述内部的边缘射束在随后的总偏转的方向上必须已经具有预偏转。同样地，由于恒定的因数，外部的边缘射束比中间射束偏转得更强烈，从而所述外部的边缘射束必须已经向中间射束靠拢(zulaufen)，以便获得随后更小的总偏转。按照这种方式，击中到次级光学器件19上的光12的会聚导致从次级光学器件19中射出的光12的较小的发散。
这得出配设有按照本发明的光学装置10的未示出的距离测量设备的非常良好的物体分辨率。在此，所述装置10这样集成到距离测量设备中，使得在已装入到机动车中的状态中，第二偏转器件使从第一偏转器件发出的光偏转到的角度范围是水平的角度范围。
附加于光学装置10，这种距离测量设备尤其是包括探测器件，所述探测器件能够探测由在机动车之外的物体反射回的或散射回的光。
在图1和图2中示出的实施方式中设置柱形的入射面17和平坦的出射面18。所述柱形的入射面17的柱轴线这样定向，使得所述入射面对光的水平方向产生影响。
存在如下可能性，即，代替平坦的出射面18而设置弯曲的出射面。出射面例如可以关于进入图1和图2的图平面中延伸的方向上具有曲率。由此，出射面的曲率垂直于入射面17的曲率，从而弯曲的出射面在竖直方向上对光产生影响，尤其是使光在竖直方向上成形。
此外可以规定，入射面17不仅在图1和图2的图平面中具有曲率，而且附加地也在垂直于此的、在进入图平面中延伸的方向上具有曲率。于是，入射面不再是柱面透镜，而是例如关于两个方向弯曲的面。在这种构造方式中，入射面17不仅可以在水平方向上、而且可以在竖直方向上对光产生影响，尤其是也可以在竖直方向上使光成形。
附图标记列表
1 光源
2 初级光学器件
3 从光源中射出的光
4 反射镜
5 次级光学器件
6 次级光学器件的入射面
7 次级光学器件的出射面
8 光在远场中的射束宽度
9 光在远场中的分射束
10 用于根据激光雷达原理的距离测量设备的装置
11 光源
12 从光源中射出的光
13 初级光学器件
14 初级光学器件的焦平面
15 反射镜
16 次级光学器件
17 次级光学器件的入射面
18 次级光学器件的出射面
19 光在远场中的射束宽度
20 光在远场中的分射束
f 初级光学器件的焦距
d 光源的出射孔与初级光学器件的距离
d1 初级光学器件与反射镜的距离
d2 反射镜与次级光学器件的距离

Claims (10)

1.用于根据激光雷达原理的距离测量设备的光学装置(10)，所述装置包括：
-至少一个光源(11)，
-第一偏转器件，该第一偏转器件在装置(10)的运行中将从所述至少一个光源(11)发出的光(12)偏转到第一角度范围中，
-第二偏转器件，该第二偏转器件在装置(10)的运行中将从所述第一偏转器件发出的光(12)偏转到第二角度范围中，所述第二角度范围大于第一角度范围，
其特征在于，该装置(10)包括光学器件，所述光学器件影响所述光(12)，使得所述光作为会聚的光(12)击中到第二偏转器件上。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述光学器件构造成初级光学器件(13)或者是初级光学器件(13)的一部分，从所述至少一个光源(11)发出的光(12)在击中到第一偏转器件上之前至少部分地穿透通过该初级光学器件，或者该初级光学器件将从所述至少一个光源(11)发出的光(12)至少部分地反射到第一偏转器件上，其中，所述初级光学器件(13)尤其是具有带有焦距(f)的正折光力。
3.根据权利要求2所述的装置(10)，其特征在于，所述至少一个光源(11)具有出射孔，该出射孔与初级光学器件(13)的焦平面(14)具有距离(d)，使得所述光(12)作为会聚的光(12)击中到第二偏转器件上。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置(10)，其特征在于，所述第一偏转器件构造成可移动的、尤其是围绕转动轴线振荡的反射镜(15)，其中，该反射镜(15)优选是MEMS反射镜。
5.根据权利要求4所述的装置(10)，其特征在于，所述反射镜(15)具有直径在1mm至5mm之间的反射面。
6.根据权利要求1至5之一所述的装置(10)，其特征在于，所述第二偏转器件构造成次级光学器件(16)或者包括次级光学器件(16)，其中，该次级光学器件(16)具有弯曲的折射面、尤其是柱面透镜，或者具有弯曲的反射面、尤其是柱面反射镜。
7.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，所述柱面透镜或柱面反射镜的柱轴线基本上平行于反射镜(15)的转动轴线。
8.根据权利要求2至7之一所述的设备(10)，其特征在于，从初级光学器件(13)到第一偏转器件的距离(d1)与从第一偏转器件到第二偏转器件的距离(d2)的总和大于初级光学器件(13)的焦距(f)，尤其是比初级光学器件(13)的焦距(f)大5倍至50倍。
9.根据激光雷达原理的距离测量设备，该距离测量设备适合于在机动车中使用，该距离测量设备包括光学装置(10)和探测器件，该探测器件能够探测由在机动车之外的物体反射回的或散射回的光(12)，其特征在于，所述光学装置(10)是根据权利要求1至8之一所述的装置(10)。
10.根据权利要求9所述的距离测量设备，其特征在于，在所述距离测量设备的装入到机动车中的状态中，所述第二偏转器件使从第一偏转器件发出的光(12)偏转到的角度范围是水平的角度范围。
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