CN111190159A - 用于激光雷达传感器的构件和激光雷达传感器 - Google Patents

用于激光雷达传感器的构件和激光雷达传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光雷达传感器的构件，其包括：具有可移动反射镜和光源的光发送路径；以及后接于所述光发送路径的发送侧微透镜组件(2)，其中，所述光发送路径设计成用第一光射束的具有预先限定的直径的第一光斑(7)在输入侧照亮微透镜组件(2)的第一微透镜(1)，其中，第一光射束的光斑(7)的预先限定的直径大于第一微透镜(1)的直径，并且第一微透镜(1)的边沿与发送侧微透镜组件(2)内的相邻微透镜(3a‑3d)的边沿的间距(4)等于第一光射束的光斑(7)的预先限定的直径与第一微透镜(1)的直径之间的差(5)。本发明还涉及一种相应的激光雷达传感器。

Description

用于激光雷达传感器的构件和激光雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种用于激光雷达传感器的构件和激光雷达传感器。
背景技术
已知的激光器-扫描器-系统、例如激光雷达传感器可例如作为同轴或二轴地具有射束扩宽装置的微扫描器、作为具有部件闪光(Teil-Flash)的偏移-同轴-激光雷达或作为具有两侧利用的转向反射镜的2维-偏移-同轴系统运行。
这种激光器-扫描器-系统在发送侧在使用微光学元件的情况下产生射束扩宽，该射束扩宽不伴有视场的角度损失。该射束扩宽一方面用于提高针对发送和/或回波接收物镜的局部脏污的系统稳健性而另一方面用于提高眼部安全性或者说以下可能性：可在法定边界值内发出更高的光功率。可发出的更高的功率又直接带来可接收的信噪比的提高或最大测量距离的提高。
例如已知微扫描器系统，其中，发送射束通过微反射镜的交替运动被偏转到微透镜组件的不同的光学元件上。在发送射束可以扩宽地离开微扫描器系统之前，通过这种微透镜组件的每个微透镜将发散的发送射束投射到发送及接收透镜。当在位于视场中的对象上反射或散射之后，信号又穿过发送及接收透镜并且通过不同的光学元件偏转到探测器上。
这种微扫描器的固有挑战是以下事实：在发送侧的扫描中，扫描射束偏转单元、例如电流反射镜或微反射镜的允差直接影响发送射束在微扫描器的视场中的偏转角度。由此不能明确地遇到视场中的限定的对象点。因而从对象点散射回的光也不再能直接配属于视场中的角度，这带来最大系统分辨率的降低和与之相关的探测可靠性的降低。扫描射束偏转单元的允差例如可通过操控调节、通过复位的迟滞、通过基于质量惯性的动态变形、通过反射镜由于制造过程的静态变形和通过受冲击情形而出现。
发明内容
按第一方面，本发明涉及一种用于激光雷达传感器的构件。“构件”在此理解为传感器的一个单元，该单元在结构和功能上可集成到传感器中。构件包括光发送路径，该光发送路径包括光源、例如激光源和可运动的反射镜、例如电流反射镜和/或微反射镜。光发送路径可包括另外的光学元件，例如准直透镜和/或聚焦透镜和/或转向反射镜，以产生具有预先限定的直径的光斑的第一光射束，其中，微透镜组件后接于光发送路径。换言之，微透镜组件位于视场和光发送路径之间。光发送路径通过位于其中的光学元件的结构布置尤其设计用于将微透镜组件的第一微透镜以第一光射束在输入侧照亮，第一光射束的光斑直径已预先限定。具有第一预先限定的直径的光斑射到第一微透镜上，该光斑在此具有的直径大于第一微透镜的直径。本发明的微透镜组件尤其可具有200至50000个微透镜。光斑的预先限定的直径还尤其通过光学元件在光发送路径中的结构布置而固定限定。预先限定的第一光射束的光斑的直径可尤其为10μm至5mm。第一微透镜的直径可尤其处于相同的范围但始终小于光斑的直径。在发送侧微透镜组件内相邻微透镜的边沿和第一微透镜的边沿之间的间距相应于第一光射束的将微透镜照亮的光斑的预先限定的直径和第一微透镜的直径之间的差。在微透镜之间的由此形成的区域可包括非透光性材料和/或以非透光性材料涂覆，由此这种区域就像围绕微透镜的遮挡那样起作用。如果第一光射束的光斑的预先限定的直径过大，则通过该射束在某些情况下会照亮相邻的微透镜，按本发明要防止这一点。如果第一射束的直径较小、即等于或小于第一微透镜的直径，则存在以下风险：不能完全照亮微透镜。这种考虑对于在第一微透镜和相邻微透镜之间的间距也适用。通过该方式可避免由第一光射束得到的将第一微透镜尤其完全照亮的光斑将其中一个相邻的微透镜照亮。因而通过第一微透镜发射到传感器的视场中的光射束可配属给第一微透镜。因而，通过具有光斑的预先限定的所述直径的前述第一光射束(通过该第一光射束照亮微透镜)和微透镜到相邻微透镜的间距，可提高传感器的角度稳健性。换言之，可通过第一光射束的直径和微透镜相互间的间距保证，限定的光射束将仅仅一个微透镜完全照亮。因而可在开头讨论的因素方面降低允差敏感性。因而可通过本发明的微透镜组件在视场中产生限定的光斑位置，这导致均匀的分辨率。前述周围环境、即相邻微透镜到第一微透镜的间距，或者说对具有前述尺寸的第一微透镜的照明例如长程有序，换言之，这意味着：对于第一微透镜所述的原理基本上可延续到整个微透镜组件，即延续到相邻的微透镜和其相邻的微透镜等。相邻的微透镜可尤其布置在外包第一微透镜的正方形的角点上。通常在现有技术中使用的微透镜组件具有在微透镜相互间的间距方面最紧密的二维包装。但这在照亮微透镜方面降低了光斑配属的单义性，因为减小尺寸的光斑基于前面讨论的允差会完全地或部分地照亮多个微透镜。该问题在本发明中以下述方式克服，通过本发明的构件和第一光射束的光斑的预先限定的直径以及微透镜之间的间距使得每个光射束照射仅一个微透镜。
本发明还提出优选的扩展方案。
按本发明的一个优选扩展方案，发送侧微透镜组件布置在光发送路径和物镜之间。物镜设计用于将输出侧的第一光射束、即光射束——该光射束首先已在输入侧以第一光射束的光斑的预先限定的直径导送给发送侧的第一微透镜并且已穿过第一微透镜——转向到一空间方向上。物镜可尤其包括投射透镜。此外，物镜可设计用于作为本发明的构件内的发送和接收透镜发挥功能。通过对微透镜的照亮关于允差是单义的，则可将从微透镜出发的光射束转向到传感器的视场的限定的点上。因而可实现关于要探测的对象或者对象区域的均匀的并且没有空缺的分辨率。物镜的透光孔径可尤其具有以下直径，该直径大于人眼的标准瞳孔直径并且例如有意义地为50mm。
按一优选扩展方案，物镜和第一微透镜之间的间距小于或等于物镜的焦距和该微透镜的焦距的和。如果该间距相应于两个焦距的和，则物镜发出平面平行的光射束。在其他情况下，物镜发出发散的光射束。换言之，这意味着：已通过第一微透镜扩宽的射束可通过物镜进一步扩宽。通过该方式可例如将光斑尺寸通过可任意调设的射束发散度扩宽，所述射束发散度例如被物镜的视场限制。通过该方式尤其维持眼睛安全性，其中，眼睛安全性的标准所基于的人瞳孔直径为7至8mm，因为眼睛基于从构件发出的较大的射出光斑而承受较小的功率。通过物镜的附加的射束扩宽还可很大程度上完全照亮近似任意大小的对象。
按另一有利的扩展方案，本发明涉及探测器侧微透镜组件。探测器侧微透镜组件可前接于光接收路径，其中，光接收路径可具有光学元件，例如聚焦透镜和/或准直透镜和/或可运动的反射镜，由此所接收的光射束被传导至探测器。此外，光发送路径的光学元件、例如可运动的反射镜也可用于光接收路径。按本发明可尤其设置：对发送路径和接收路径使用相同的物镜。尤其是，接收侧微透镜组件的微透镜的直径可相应于发送侧微透镜组件的微透镜的直径和发送侧微透镜组件的相邻微透镜的间距之和。为了将接收信号的探测以没有功率损失的方式最大化，可通过该方式又在接收侧达到微透镜的最大包装密度并从而达到可能的最大透光面。
按本发明的构件的另一有利构型，在发送侧微透镜组件内在第一微透镜和相邻的微透镜之间的中间空间具有不透光材料。这尤其有利于将光斑的未传送通过微透镜并从而并不传导到物镜上且因此不传导到视场的辐射吸收，从而避免在由发送光斑通过微透镜产生的发送射束之外的不希望的视场照亮。此外可由此在眼睛安全性规定方面将可发出的发送功率相对于在微透镜之间没有非透光材料的构件提高并从而得到较高的有效范围。
按本发明的构件的有利构型，第二微透镜的直径相应于第一光射束的光斑的直径。
还有利的是，第一微透镜设计用于产生出发光射束(从第一微透镜出发的光射束)的射束扩宽，其中，出发光射束的直径至少相应于第一预先限定的光斑直径。这可尤其是根据物镜和微透镜组件之间的间距实现。通过该方式可将相同直径的光射束通过相同的物镜在在对象上反射之后接收。因而可根据本发明提高发送及接收物镜相对于污物的稳健性。
通过本发明的基于第一微透镜的射束扩宽可获得激光雷达传感器的紧凑构造方式。
按另一有利的扩展方案，第一光射束的光斑的预先限定的直径可通过光发送路径的结构构造确定。换言之，可在本发明的构件的设计上限定透镜光学系统的微透镜之间的间距。据此可在结构上、即在设备上例如通过激光器、可运动的反射镜、准直器和转向反射镜的布置产生第一光射束的具有预先限定的直径的光斑，其中，该预先限定的直径大于微透镜的直径。尤其，本发明的微透镜组件的微透镜对于本发明的所有构型和扩展方案具有基本上统一的直径。
后面的根据本发明的方面具有有利的构型和扩展方案，其具有前述特征以及按本发明的构件的普遍的优点和相关的技术效果。为了避免重复，不再重新详细列举。
本发明的第二方面涉及激光雷达传感器，其包括按本发明第一方面的构件。激光雷达传感器尤其包括发送区域，该发送区域尤其包括前述光发送路径和发送侧微透镜组件。激光雷达传感器尤其还包括接收单元，该接收单元尤其包括前述探测器侧微透镜组件。接收单元的光学元件在此也可用于发送单元和反之亦然。
附图说明
在后面参照附图详细解释本发明的实施例。附图示出:
图1根据本发明的发送侧微透镜组件的一变型的横截面视图；
图2a根据本发明的光接收路径的一变型的侧视图；
图2b根据本发明的接收侧微透镜组件的一变型的横截面视图；
图3根据本发明的发送路径的一变型的侧视图；和
图4根据本发明的激光雷达传感器的一变型。
具体实施方式
图1示出本发明的微透镜组件2的一变型的横截面视图。以阴影线示出的第一微透镜1具有直径dS,μL，第一微透镜在理想情况下要完全照亮。射到微透镜组件2上的第一光射束的光斑7的预先限定的直径dSpot,μL大于第一微透镜1的直径dS,μL。节距，即第一微透镜1的圆心点和相邻微透镜3b的圆心点之间的路段，在当前情况下为微透镜直径dS,μL的两倍。一般而言，从第一微透镜3a的边沿到相邻微透镜3d的边沿的间距4相应于dSpot,μL和dS,μL的差。通过该方式，在所设的允差范围中将第一微透镜1单义地照亮。
图2a示出物镜6和接收侧微透镜组件8的布置。fObj在此是物镜6的焦距。接收侧微透镜组件8到物镜的间距在此小于物镜6的焦距和接收侧的第二微透镜9的焦距之和，以便接收具有直径dSpot,Tr的光斑。zTr在此是要测量的对象21和物镜的焦距fObj之间的间距。在此示出在对象21上反射的射束的光路。在此，dSpot,Tr是实际从对象21反射的射束直径，其必须展开，以便在发送侧以间距4布置微透镜(其中，微透镜之间的区域不透光)的情况下不在视场中生成空缺或者说未照亮的区域。以dSpot,Tr为出发点的反射射束在穿过具有直径dE,μL的物镜6之后成像到接收侧微透镜组件上。为了不由此降低系统分辨率(系统分辨率通过resTR和与之相关的直径dSpot,res限定)，必须在探测器侧分辨现在变得更大的光斑。而dS,μL是第一微透镜1的直径。在此明显的是，在这种dE,μL(dE,μL＝dS,μL)的情况下，光斑dSpot,TR的仅从对象反射的那一部分能在探测器上成像，因为剩余的散射回的接收信号在微透镜之间的遮挡上被接收或被反射。通过该方式将可能的最大接收信号减小。因而在此有意义的是，第二微透镜9的dE,μL相应于发送侧的第一光射束的直径dSpot,μL。
图2b示出接收侧透镜组件8的横截面视图，通过该透镜组件解决在过去的方案中提到的挑战。在此，将接收侧微透镜组件8的第二微透镜9的直径dS,μL增大到直径dE,μL。通过该方式可减小接收侧微透镜组件8上的功率损失并且探测最大的接收信号。
图3示出本发明的构件10的一变型，该构件具有微反射镜11和准直器13，在准直器的焦距fKolli上布置微反射镜11。在此示出第一光射束14的理想角度αμS,S，其中，第一光射束被转向到发送侧微透镜组件2上。但可由于微反射镜11的实际允差，在此的理想角度αμS,S改变了角度ΔαμS,S的量，由此产生第二光射束15，该第二光射束在其他位置射到发送侧微透镜组件2上。因而第二光射束15的空间走向相对于第一光射束14移动了ΔS,Obj的量。相应地，光射束的发送侧的配属的单义性降低。但该问题通过之前呈现的按本发明照亮和与之相关的、相邻微透镜3a至3d与第一微透镜1的间距解决。按本发明照亮的第一微透镜1在输出侧通过按本发明的照亮引起对象21上的、尺寸为dSpot,Tr的光斑。如果整个光斑7——其将第一微透镜1和其周围环境照亮——从系统射出，则这会导致对象21的照亮以及到达视场中的强发散的散射光。这导致可发出的在物镜输出端上的最大功率基于眼睛安全性理由而降低。但通过本发明的发送侧微透镜组件2将光斑7的一部分、即光斑的不穿过微透镜1的交搭进行接收或者说反射回系统或者说构件11中。
图4示出本发明的激光雷达传感器20的一变型，其包括按本发明的构件10。按本发明的激光雷达传感器20除了前面所述的之外具有激光源16和第一和第二转向反射镜17a，17b。此外，在接收侧设有探测器19。在接收区域中还存在准直透镜22和聚焦透镜18。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达传感器(20)的构件(10)，包括：
·具有可运动的反射镜和一光源的光发送路径；和
·后接于该光发送路径的发送侧微透镜组件(2)，
其中，所述光发送路径设计用于在光发送路径侧以第一光射束的光斑(7)照亮所述发送侧微透镜组件(2)的第一微透镜(1)，其中，所述光斑(7)具有预先限定的直径(dSpot,μL)，其中，所述光斑(7)的预先限定的直径(dSpot,μL)大于所述第一微透镜(1)的直径(dS,μL)，并且所述第一微透镜(1)的边沿与所述发射侧微透镜组件(2)内的相邻微透镜(3a-3d)的边沿之间的间距(4)相应于所述第一光射束的光斑(7)的预先限定的直径(dSpot,μL)与所述第一微透镜(1)的直径(dS,μL)之间的差(5)。
2.根据权利要求1所述的构件(10)，其中，所述发送侧微透镜组件(2)布置在所述光发送路径和物镜(6)之间，其中，所述物镜(6)设计用于使从所述发送侧微透镜组件(2)出发的第一光射束转向到一空间方向。
3.根据权利要求2所述的构件(10)，其中，所述物镜(6)与所述第一微透镜(1)之间的间距小于或等于所述物镜(6)的焦距与所述微透镜(1)的焦距之和。
4.根据前述权利要求中任一项所述的构件(10)，还包括探测器侧微透镜组件(8)，所述探测器侧微透镜组件(8)设计用于接收从对象(21)反射的光射束并且包括第二微透镜(9)，其中，所述第二微透镜(9)的边沿到所述探测器侧微透镜组件(8)内的相邻微透镜的边沿的距离小于在所述发送侧微透镜组件(2)内的所述间距(4)，并且所述第二微透镜(9)的直径(dE,μL)大于所述第一微透镜(1)的直径(dS,μL)。
5.根据权利要求4所述的构件(10)，其中，所述第二微透镜(9)的直径(dE,μL)相应于所述光斑(7)的直径(dSpot,μL)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的构件(10)，其中，在所述发送侧微透镜组件(2)内在所述第一微透镜(1)与相邻微透镜(3a-3d)之间的中间空间包括不透明的材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的构件(10)，其中，所述第一光射束的光斑(7)的预先限定的直径(dSpot,μL)是所述第一微透镜(1)的直径(dS,μL)的两倍。
8.根据权利要求2或3所述的构件(10)，其中，所述第一微透镜(1)设计用于产生具有射束扩宽的出发光射束并且将其投射到所述物镜(6)上，其中，当在发送侧射到所述物镜(6)上时，具有射束扩宽的出发光射束的直径至少相应于所述第一光射束的光斑(7)的预先限定的直径(dSpot,μL)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的构件(10)，其中，所述第一光射束的光斑(7)的预先限定的直径(dSpot,μL)能够通过所述光发送路径的结构上的构造来确定。
10.一种激光雷达传感器(20)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的构件(10)。
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