CN111352125A - 同轴宏扫描仪系统 - Google Patents

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CN111352125A CN201911325144.3A CN201911325144A CN111352125A CN 111352125 A CN111352125 A CN 111352125A CN 201911325144 A CN201911325144 A CN 201911325144A CN 111352125 A CN111352125 A CN 111352125A
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rotation
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Abstract

本发明涉及一种同轴宏扫描仪系统100，其包括：光源20、光探测器30、用于对光源20与光探测器30之间的射束路径光学隔离的可旋转的镜组件10，可旋转的镜组件设置用于借助第一镜12将由光源产生的发送光束25在预定义平面中发送到周围环境中，并且借助第二镜14在同一平面中接收接收光束35并反射到光探测器上，接收光束代表发送光束的由周围环境反射和/或散射的部分，第一镜、第二镜、旋转轴线都垂直于预定义平面定向，第二镜围绕旋转轴线旋转，第一镜也垂直于预定义平面定向并且在旋转轴线的区域中布置在第二镜的缺口中，使得第一镜和第二镜围绕共同的旋转轴线旋转，第一镜和第二镜围绕共同的旋转轴线彼此布置成如下角度：该角度相应于大于0°的角度。

Description

同轴宏扫描仪系统
技术领域
本发明涉及一种同轴宏扫描仪系统(Makroscanner-System)，本发明尤其涉及一种用于扫描同轴宏扫描仪系统的周围环境的同轴LIDAR(激光雷达)宏扫描仪系统。
背景技术
由现有技术已知一种光学扫描系统，该光学扫描系统设置用于借助可旋转的镜组件将激光光线或激光脉冲偏转到光学扫描系统的待测量的周围环境中，以及借助镜组件接收所发射的激光光线的由环境反射的或散射的部分并且将它们偏转到光学扫描系统的光探测器上。借助测量激光光线在发送时刻与接收时刻之间的光传播时间，可以确定激光光线所经过的距离。以这种方式，可以通过多个相继的测量来求取光学扫描系统的周围环境中的对象，所述相继的测量对于所发送的和所接收的激光光线分别具有不同的水平扫描角和/或竖直扫描角。这种光学扫描系统(也称为LIDAR传感器)尤其在现代运载工具中用于环境识别。
US20150268331A1描述一种同轴光电探测装置，其尤其描述一种用于包括分析处理装置的机动车的激光扫描仪。该分析处理装置设计用于针对探测装置的每个扫描角度，将接收信号的大小与探测阈值进行比较，并且根据该比较来探测目标对象。在一种所描述的实施方式中，光电探测装置具有单个的旋转偏转镜。光源和光探测器在光电探测装置内部的同一侧上彼此相继地布置，使得将由光源发射到周围环境中的光束又通过同一镜偏转至光探测器。
DE102010047984A1描述一种具有镜组件的双轴LIDAR宏扫描仪系统，该镜组件包括发送镜和接收镜，其中，发送镜和接收镜分别叠置地布置在共同的旋转轴线上。
此外，由现有技术已知一种同轴的宏扫描仪系统，其借助孔镜(Lochspiegel)实现发送光束与接收光束的隔离。为此，使用多面镜来使被引导穿过孔镜的孔的发送光束以及接收光束进行偏转。
发明内容
本发明提出一种同轴宏扫描仪系统，该同轴宏扫描仪系统设置用于确保宏扫描仪系统的傍轴性
Figure BDA0002328190350000021
以使像差最小化，以及该同轴扫描仪系统设置用于使宏扫描仪系统的光源与光探测器之间的光学串扰最小化。在此，宏扫描仪系统可以理解为具有宏观偏转单元的扫描仪系统。在上下文中，术语“同轴”涉及：将(例如点射束、所谓的“闪线(flash-line)”或“线闪(line-flash)”形式的)发送光束发射到同轴宏扫描仪系统的待扫描的周围环境中，并且通过相同的光路接收由发送光束导致的来自周围环境的接收光束。
根据本发明的同轴宏扫描仪系统包括：光源、光探测器和可旋转的镜组件，其中，后者尤其用于光源与光探测器之间的射束路径的光学隔离。光源例如可以是由现有技术已知的LIDAR系统的激光源，该LIDAR系统用于运载工具的周围环境检测。相应地，光探测器优选可以是与这些光源相匹配的光探测器。可旋转的镜组件设置用于借助第一镜将通过光源产生的发送光束在预定义的平面中发射到周围环境中，并且借助第二镜在同一平面中接收接收光束并将该接收光束反射到光探测器上，所述接收光束代表发送光束的通过所述周围环境反射的和/或散射的部分。为了确保在预定义的平面内发送和接收发送光束或接收光束，可以将光源、镜组件和光探测器布置在壳体中，该壳体具有用于相应部件的相应的固定单元。可以如此位置固地将光源和光探测器布置在壳体中，使得光源的光出射口和光探测器的光入射口彼此对置并且布置在共同的假想轴线上。换句话说，这种布置会导致：如果在光源与光探测器之间没有布置镜组件，则由光源发射的发送光束直接以90°照射到光探测器的探测表面上。
此外，不仅使第一镜、第二镜而且使旋转轴线垂直于预定义的平面定向，第二镜围绕该旋转轴线旋转。该预定义的平面例如可以相应于以下平面：该平面平行于壳体的如下面(例如底面)：光源和光探测器能够借助所描述的固定单元布置在该面上。如下旋转轴线可以借助引入另一固定单元中的轴承布置在壳体的与用于光源和光探测器的固定单元相同的面上：镜组件围绕该旋转轴线旋转。此外优选地，可以将镜组件的旋转轴线如此定位在预定义的平面中，使得发送光束基本上到达旋转轴线的中心。换句话说，根据以上描述的由光源和光探测器构成的设备的镜组件位于光源至光探测器的射束路径的中间。此外，根据本发明，第一镜同样垂直于预定义的平面定向，并且第一镜在旋转轴线的区域中如此布置在第二镜的缺口(Ausschnitt)中，使得第一镜和第二镜围绕共同的旋转轴线旋转。第一镜和第二镜围绕共同的旋转轴线彼此布置成优选相应于90°角的角度，其中，该角度不限于该值。此外能够想到，该角度具有大于0°至90°的任意值。为了遵循发送光束或接收光束的同轴的发送和接收，需要在小于90°的角度的情况下，对光源和/或光探测器在预定义平面中的定位进行相应的匹配，使得保持宏扫描仪系统的同轴结构。
应当注意，第一镜不一定必须布置在第二镜的水平和/或竖直中心中。替代地，只要确保发送光束与接收光束的光学隔离的根据本发明的优点，则原则上能够想到将第一镜集成到第二镜中的任意位置。因此，第一镜例如也可以布置在第二镜的外边缘区域中的位置处，使得第二镜的仅三侧包围第一镜，并且其中一侧位于镜组件的外侧。此外应注意，第一镜和第二镜可以由不同的材料制造，以便例如以不同的方式影响发送光束和接收光束，和/或必要时可以节省制造成本。此外，并非强制性的是，第二镜的集成有第一镜的缺口精确地匹配于第一镜的尺寸与形状(例如出于易于制造的原因)。此外能够想到用于将第一镜固定在第二镜上的不同的固定方法：例如，将这两个镜粘合或焊接在共同的旋转轴线的区域内，和/或，使用固定装置，该固定装置在旋转轴线的区域中分别被引入第一镜与第二镜之间的切割面上，并且例如被夹在两个镜之间。
第一镜和第二镜都可以由简单的镀银玻璃构成，由此可以成本有利地制造镜。此外，第一镜和第二镜也可以构造成干涉镜。此外，第一镜和第二镜分别具有单侧的或双侧的镜面。也就是说，例如由镀银玻璃制成的镜要么仅涂覆在玻璃的一侧上、要么涂覆在玻璃的两侧上。后者提供以下优点：镜组件在围绕旋转轴线的连续旋转的过程中，在相应地旋转180°之后就能够立即设置用于以根据本发明的方式将发送光束和接收光束反射到第二镜面上。在使用单侧镜时，镜组件直到在旋转360°之后才重新能够以根据本发明的方式反射发送光束和接收光束，这在扫描周围环境时伴随着相应的中断阶段，因此与具有双侧镜面的镜组件相比，使用单侧镜导致较差的时间分辨率。基于根据本发明的镜组件能够实现：仅将接收光束通过第二镜的镜面偏转到光探测器上。也就是说，光源的发送光束不能由光探测器以直接的方式接收，而是总是将由光探测器接收的光线首先偏转到周围环境中，并且必须由周围环境散射和/或反射该光线，以便被接收到光探测器中。以这种方式，在根据本发明的同轴宏扫描仪系统中，可以确保发送光束与接收光束的光学隔离。这可以导致改善由光探测器接收的光信号的信噪比，由此，例如可以实现后续的周围环境检测的对象识别的改善的识别率。
通常应注意，优选地，在镜组件与宏扫描仪系统中的出射面之间不存在其他以显著方式影响发送光束和/或接收光束的光学器件，因为否则由于从系统出射的发送光束的旋转，可能会导致不期望的像差。
例如可以借助布置在壳体中的分析处理单元来实现光源的操控(例如用于发射脉冲激光)、镜组件的旋转关于发送光束的发送时刻的同步以及由光探测器接收的接收光束的分析处理，该分析处理单元优选构型成ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)、处理器、数字信号处理器、微控制器等，并且该分析处理单元可以在信息技术上连接到内部存储单元和/或外部存储单元。
由于根据本发明的同轴宏扫描仪系统的上述部件布置在共同的预定义平面中，所以可以将同轴宏扫描仪系统集成到平面构造的壳体中。此外，可以通过如下方式实现这种系统的尽可能小的结构高度：由于系统的傍轴性，可以使用小尺寸的光探测器、镜和射束成形光学元件(例如微镜和微透镜)。尤其在将根据本发明的同轴宏扫描仪系统集成到运载工具中的情况下，较低的结构高度特别有利。平面构造的形式例如能够实现：将同轴宏扫描仪系统集成到运载工具的顶部内部的间隙中(例如在顶部内饰与外顶表面之间)，而不是如现有技术那样安装在顶部上。以这种方式可以改善这种运载工具的cw值(流动阻力系数)。此外，通过将根据本发明的同轴宏扫描仪系统不可见地或几乎不可见地集成到顶部和/或其他安装位置中的可能性，可以改善地实现对这种运载工具的确定的设计需求。
此外也能够实现，根据本发明的同轴宏扫描仪系统的一个或多个部件的定向不一定必须相应于垂直于预定义平面的取向。取决于同轴宏扫描仪系统对特定应用目标的匹配，同样能够想到，同轴宏扫描仪系统的一个或多个部件的定向仅基本上相应于垂直于预定义平面的定向。
此外，可以通过不同的驱动装置(例如通过电动机)将镜组件或同轴宏扫描仪系统的旋转轴线置于旋转运动中，以便执行周围环境的扫描。此外，根据本发明的镜组件也可以用于不带有旋转扫描机制的光学系统，其中，可以使用固定轴线代替旋转轴线，镜组件可以类似于上面描述的那样布置在该固定轴线上。以这种方式，发送光束与接收光束的光学隔离的优点例如也可以用于指向单个点的距离测量。
下述说明书描述本发明的优选扩展方案。
在本发明的一种有利构型中，同轴宏扫描仪系统还包括用于射束成型的第一光学元件和/或用于射束成型的第二光学元件，第一光学元件布置在光源与可旋转的镜组件之间的射束路径中，第二光学元件布置在可旋转的镜组件与光探测器之间的射束路径中。第一光学元件和/或第二光学元件例如可以由圆柱透镜、对称透镜或透镜系统构成，这些分别还可以包括微透镜。第一光学元件和第二光学元件同样可以借助固定单元固定在壳体的表面上。
对于同轴宏扫描仪系统例如使用线形扫描射束的情况，可以在相应于线的窄侧的轴线上，将借助激光源发射的激光射束如此成型，使得该激光射束具有相应较低的发散(射束路径的张角的度量)。在这种背景下，特别有利的是激光射束的准直(发散激光射束的平行对准)。激光射束的发散在此取决于激光射束的射束直径和射束品质。相反地，在垂直于所述轴线的另一轴线上，激光射束可以具有相对较大的发散，从而在距同轴宏扫描仪系统一定距离处得到用于扫描周围环境的激光射束的相应线形。通过第二光学元件，可以如此聚焦接收光束，使得该接收光束最佳地匹配于光探测器的探测表面。
对于使用点状激光射束来扫描周围环境的情况下，可以通过第一光学元件相应地在两个轴线上对激光射束进行准直。
在本发明的另一有利构型中，第一镜的尺寸和形状可以基本上相应于照射到第一镜上的发送光束的尺寸和形状。这提供以下优点：可以将第一镜限制在最小尺寸上。由于第一镜以预定义的角度集成到第二镜的缺口中，因此，第一镜的尺寸对第二镜的可用剩余面积存在直接影响。换句话说，第一镜的面积越小，则第二镜的匹配于第一镜的缺口越小。以这种方式，第一镜的匹配于发送光束的尺寸和形状能够实现：可以将发送光束通过第一镜或多或少地完全地或无损耗地偏转到周围环境中。因此，潜在的更大的第一镜(即大于发送光束所需的尺寸和形状)并不会导致在通过第一镜对发送光束进行偏转方面存在优势。同时，由于同轴系统而有利的是：第二镜可以将从周围环境所反射和/或散射的发散接收射束通过第二镜的尽可能大的面积偏转至光探测器。又为了确保将接收光束尽可能无损耗地偏转到光探测器上，第二镜的尺寸和形状同样可以匹配于接收光束在照射到第二镜上时的尺寸和形状。由于相比于发送光束的发散，接收光束的发散更大(分别在镜组件的位置处观察)，所以第二镜相应地需要更大的面积来将来自周围环境的接收光束或多或少地无损耗地偏转到光探测器上。因为使第二镜的面积超过接收光束的尺寸的任意放大都不会导致在接收光束的偏转方面存在优势，因此期望的是：在第二镜中存在尽可能小的缺口用于布置第一镜，以便能够提供尽可能大的接收面积。原则上，应通过选择相应的镜尺寸和镜形状来争取或多或少地完全偏转发送光束以及或多或少地完全偏转接收光束，以便在光探测器上接收到所发射的激光光线的尽可能大的光强度。发送光束的形状例如可以是圆形、矩形或椭圆，然而不局限于所提及的形状。
附加地，第二镜的面积优选相应于第一镜的面积的两倍、尤其4倍、优选8倍。然而，也可以选择第一镜与第二镜之间的任意尺寸比例关系，只要保持根据本发明的优点，并且可以将第一镜以适当的方式集成到第二镜中。
在本发明的另一有利构型中，第二镜可以具有多个缺口，多个第一镜在共同的旋转轴线的区域中插入到所述缺口中。在多个第一镜的横向布置的第一变型方案中，可以以彼此不同的角度(优选以微小偏差)布置这些第一镜。以这种方式，要么可以将同轴宏扫描仪系统的视野划分成多个区域——这伴随着具有较高帧速率的平行化，要么可以对同轴宏扫描仪的视野进行相应扩展。在多个第一镜的横向布置的第二变型方案中，可以以彼此基本上相同的角度布置第一镜。因此，可以将同轴宏扫描仪系统的视野划分为不同区域。此外，所有第一镜都可以如此定向，使得在同轴宏扫描仪系统的视野中仅寻址(adressieren)一条线。这导致在人眼安全和/或传感器更高有效距离方面具有优势。在垂直布置多个第一镜的情况下，这些第一镜可以将视野如此划分成多个区域，使得单个扫描射束仅在同轴宏扫描仪系统的远场中重叠，这又导致在人眼安全和/或输出功率的可能提高(以实现同轴宏扫描仪系统的更大有效距离)方面带来优势。
同时，可以如此布置多个光源，使得这些光源的相应发送光束平行于预定义平面地分别照射到多个第一镜中的一个上。作为所提到的第二镜表面内部的缺口的替代方案，第二镜也可以由多个带状的镜构成，这些带状的镜沿旋转轴线彼此以预定义间隔布置。再次可以将多个第一镜在共同的旋转轴线上布置到多个单个第二镜之间的相应间隙中，这些第一镜可以基本上相应于第二镜的缝隙尺寸。
在本发明的另一有利构型中，光源可以由多个单个光源(例如激光棒)构成，这些单个光源如此布置，使得这些单个光源的相应的发送射束在照射到第一镜上时彼此邻接或重叠。以这种方式，例如可以通过将各个光源相继排列在产生扫描射束的轴线上来实现线性的扫描射束。通过使用多个单个的光源，可以改善同轴宏扫描仪系统的发送性能，并且因此改善由此所得的系统的识别性能。在这种布置的情况下，即使单个光源失效也不会导致检测区域的空隙，而是仅导致同轴宏扫描仪系统的最大有效距离的减小。
在本发明的另一有利构型中，第一镜和/或第二镜可以具有曲率，以便例如补偿发送射束路径和/或接收射束路径中的光学缺陷。第一镜和/或第二镜例如可以具有抛物线形、双曲线形、球形或其他形状。
附图说明
以下参考附图详细描述本发明的实施例。
在此示出：
图1示出根据本发明的同轴LIDAR宏扫描仪系统的示意性俯视图；
图2在第一优选实施方式中示出根据本发明的镜组件的示意性俯视图和示意性侧视图；
图3在第二优选实施方式中示出根据本发明的镜组件的示意性侧视图；
图4在第三优选实施方式中示出根据本发明的镜组件的示意性侧视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的同轴LIDAR宏扫描仪系统100的示意性俯视图，该同轴LIDAR宏扫描仪系统集成在壳体70中。壳体70具有光出射面75，由同轴LIDAR宏扫描仪系统100产生的用于扫描周围环境90的激光光线通过该光出射面入射和出射。同轴LIDAR宏扫描仪系统100包括激光源20，该激光源用于产生发送光束25，该发送光束延伸穿过第一透镜系统50，该第一透镜系统设置用于在轴线上对发送光束25进行准直，使得发送光束25在照射到同轴LIDAR宏扫描仪系统100的周围环境90中的对象上时具有线形形状。接下来，发送光束25照射到镜组件10的第一镜12上，并由第一镜12通过光出射面75将其从壳体70中发射出，镜组件借助旋转轴线40可旋转地支承在壳体70中。通过镜组件10的旋转，发送光束25扫过同轴LIDAR宏扫描仪系统100的视野80区域中的周围环境90。由周围环境90所反射的和/或散射的发送光束25以接收光束35的形式穿过光入射面75重新入射到同轴LIDAR宏扫描仪系统100中。在那里，接收光束由布置在旋转轴线40上的第二镜14所接收并且反射至光探测器30，其中，第二镜与第一镜12成90°角布置。在第二镜14与光探测器30之间存在第二透镜系统60，该第二透镜系统用于将接收光束35聚焦或成像到光探测器30的探测表面上。光源20、第一透镜50、镜组件10、第二透镜系统60和光探测器30在俯视图中沿共同的水平线布置，并且在深度布置方面布置在共同的预定义平面中。
图2在第一优选实施方式中示出根据本发明的镜组件10的示意性俯视图(图的左侧部分)和示意性侧视图(图的右侧部分)。镜组件10包括基本上构造成矩形的第一镜12和第二镜14。此外，两个镜12、14沿着共同的旋转轴线40彼此成90°角布置。第二镜14具有如下缺口：第一镜12沿着旋转轴线40固定在该缺口中。
图3在第二优选实施方式中示出根据本发明的镜组件10的示意性侧视图。镜组件10包括第一镜12和第二镜14，第一镜具有椭圆形状，第二镜基本上构造成矩形。此外，两个镜12、14沿着共同的旋转轴线40彼此成90°角布置。第二镜14具有如下缺口：第一镜12沿着旋转轴线40固定在该缺口中。
图4在第三优选实施方式中示出根据本发明的镜组件10的示意性侧视图。镜组件10包括第一镜12和第二镜14，第一镜具有自由形状，第二镜基本上构造成矩形。此外，两个镜12、14沿着共同的旋转轴线40彼此成90°角布置。第二镜14具有如下缺口：第一镜12沿着旋转轴线40固定在该缺口中。

Claims (10)

1.一种同轴宏扫描仪系统(100)，所述同轴宏扫描仪系统包括：
光源(20)，
光探测器(30)，
可旋转的镜组件(10)，所述可旋转的镜组件用于对所述光源(20)与所述光探测器(30)之间的射束路径进行光学隔离，其中，
所述可旋转的镜组件(10)设置用于借助第一镜(12)将由所述光源(20)产生的发送光束(25)在预定义的平面中发射到周围环境(90)中，并且借助第二镜(14)在同一平面中接收接收光束(35)并将所述接收光束反射到所述光探测器(30)上，所述接收光束代表所述发送光束(25)的通过所述周围环境(90)反射的和/或散射的部分，
所述第一镜(12)、所述第二镜(14)以及旋转轴线(40)都垂直于所述预定义的平面定向，所述第二镜(14)围绕所述旋转轴线旋转，
所述第一镜(12)同样垂直于所述预定义的平面定向，并且所述第一镜在所述旋转轴线(40)的区域中如此布置在所述第二镜(14)的缺口中，使得所述第一镜(12)和所述第二镜(14)围绕共同的旋转轴线(40)旋转，其中，
所述第一镜(12)与所述第二镜(14)围绕所述共同的旋转轴线(40)彼此布置成如下角度：所述角度相应于大于0°的角度。
2.根据权利要求1所述的同轴宏扫描仪系统(100)，所述同轴宏扫描仪系统还包括壳体(70)，所述光源(20)、所述可旋转的镜组件(10)和所述光探测器(30)以适当的方式布置在所述壳体中。
3.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，所述光源(20)是激光器——尤其用于激光雷达系统的激光器。
4.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，所述第一镜(12)与所述第二镜(14)之间的角度处于10°至90°的范围内、尤其40°至90°的范围内、优选80°至90°的范围内，并且所述光源(20)和所述光探测器(30)进一步优选位于所述可旋转的镜组件(10)的分别相对置的侧上。
5.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，所述同轴宏扫描仪系统还包括用于射束成型的第一光学元件(50)和/或用于射束成型的第二光学元件(60)，所述第一光学元件布置在所述光源(20)与所述可旋转的镜组件(10)之间的射束路径中，所述第二光学元件布置在所述可旋转的镜组件(10)与所述光探测器(30)之间的射束路径中。
6.根据权利要求5所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，借助所述第一光学元件(50)在一个或两个轴线上对所述发送光束(25)进行准直。
7.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，
所述第一镜(12)的尺寸和形状基本上相应于照射在所述第一镜(12)上的发送光束(25)的尺寸和形状，和/或
所述第二镜(14)的面积相应于所述第一镜(12)的面积的两倍、尤其4倍、优选8倍，
所述发送光束(25)的形状尤其是圆形、矩形或椭圆形。
8.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，
所述第二镜(14)具有多个缺口，多个第一镜(12)在所述共同的旋转轴线(40)的区域中插入到所述多个缺口中，
多个光源(20)如此布置，使得所述多个光源的相应的发送光束(25)平行于所述预定义的平面地分别照射到多个第一镜(12)中的一个上。
9.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，所述光源(20)由多个单个光源(20)组成，所述多个单个光源如此布置，使得所述多个单个光源的相应的发送光束(25)在照射到所述第一镜(12)上时彼此邻接或重叠。
10.根据以上权利要求中任一项所述的同轴宏扫描仪系统(100)，其中，所述第一镜(12)和/或所述第二镜(14)具有曲率。
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