CN111373284A - 例如用于驾驶辅助系统的激光雷达系统的激光扫描仪 - Google Patents

例如用于驾驶辅助系统的激光雷达系统的激光扫描仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光扫描仪(100)，所述激光扫描仪具有发送路径(102)和与所述发送路径(102)至少局部地在空间上分开的接收路径(104)，其特征在于，所述发送路径(102)和所述接收路径(104)照射到所述激光扫描仪(100)的能够角运动的偏转镜(112)的相反的侧(128，130)上，其中，所述偏转镜(112)的角度位置(118)在所述发送路径(102)中限定所述激光扫描仪(100)的激光的扫描角(120)，所述角度位置(118)在所述接收路径(104)中补偿所述激光的反射的入射角(126)。

Description

例如用于驾驶辅助系统的激光雷达系统的激光扫描仪
技术领域
本发明涉及一种用于激光雷达系统的激光扫描仪，所述激光扫描仪例如用于驾驶辅助系统。
背景技术
激光雷达系统可以通过使用激光扫描仪对场景进行光学扫描。在此，由激光扫描仪将激光束以在至少一个轴线上可变的扫描角度发送到检测区域中。激光束在检测区域中的对象上被反射。基于激光束及其反射的扫描角度和传播时间，激光雷达系统可以计算到对象的距离和方向。这例如可以用于机动车中的驾驶辅助系统。
发明内容
在此背景下，借助在此提出的方案提出一种根据主要权利要求的激光扫描仪。由说明书得出在此提出的方案的有利的扩展方案和改善方案，并在从属权利要求中对其进行描述。
提出一种激光扫描仪，该激光扫描仪具有发送路径和接收路径，该接收路径与发送路径至少局部地在空间上分开，其特征在于，发送路径和接收路径照射到激光扫描仪的能够角运动的偏转镜(Ablenkspiegel)的相反的侧上，其中，偏转镜的角度位置在发送路径中限定激光扫描仪的激光的扫描角度，并且角度位置在接收路径中补偿激光的反射的入射角。
此外，本发明的实施方式的思想可以视为基于以下所描述的构思和知识。
在激光扫描仪中，通过光学器件使至少一个激光束转向到激光扫描仪的检测区域中。激光束的角度在至少一个空间方向上随时间改变，以便在多个彼此相继的测量中扫描检测区域。当激光束照射到对象(例如检测区域中的物体或地板)上，激光束的激光在该对象上散射。所散射的激光的一部分在激光扫描仪的方向上被反射。通过激光扫描仪的光学器件使所反射的散射的激光转向到激光扫描仪的探测器上。
来自激光源地取向的、具有已知且可控制的特性的激光与由对象反射的激光表现不同。对于两种类型的激光都可以分别使用优化的光学器件和/或滤光器，以便实现激光扫描仪的良好检测性能。对于不同的光学器件和/或滤光器，可以使用具有两个分开的用于激光的路径的激光扫描仪。
为了扫描检测区域，在发送时给定向的激光施加发射角度。因此，激光在确定的方向上发射，并且可以照射到布置在朝向激光扫描仪的方向上的对象上。由对象反射的激光再次从该方向照射到激光扫描仪上。在接收时可以补偿所反射的激光的入射角，以便将所反射的激光定向到探测器并且能够使用简单的、非成像的具有最小尺寸的探测器类型，这也是成本有利的。因为待施加的发射角度和待补偿的入射角度具有相同的量值，所以对于施加发射角度和补偿入射角度可以使用相同的偏转元件。如果将角度施加在偏转元件的相反的侧上并再次进行补偿，则发送路径中的角度之和与接收路径中的角度之和相对应。
在此处提出的方案中，对于定向的激光和散射的激光使用分开的路径，其中，该两个路径从相反的方向照射到同一偏转元件的不同侧上，以便施加发射角度和补偿入射角度。
“发送路径”可以理解为优化用于使定向的激光从激光源转向到激光扫描仪的检测区域中的光学路径(optischer Pfad)或路径(Weg)。接收路径可以是优化用于将散射的激光从检测区域传输到激光扫描仪的探测器的光学路径或路径。偏转镜可以是微镜。偏转镜可以围绕旋转点可旋转地支承，发送路径与接收路径在该旋转点中相交。偏转镜可以在两侧是前反射镜(frontreflektierender Spiegel)。
本发明的优点
本发明的实施方式可以以有利的方式实现，在相应的路径中使用特定地与定向激光或散射激光协调的滤光器。因为所反射的激光始终被转向到探测器的相同区域上，所以通过补偿散射激光的入射角可以使用非成像的简单探测器。在此，探测器的传感器像素的大小不受探测器的光学分辨率的限制，这导致探测器的高敏感度。
偏转镜可以围绕两个轴线角运动。在此，所述两个轴彼此横向地、优选垂直地延伸。因此，偏转镜可以使激光在两个不同方向上偏转。通过偏转镜上的两侧的反射如此补偿相差，使得能够通过使用单个镜实现二维偏转。通过二维偏转，激光扫描仪可以通过使用偏转镜来检测面式的对象。
偏转镜的角度位置可以限定激光在激光扫描仪的射束成形单元上的照射点，其中，射束成形单元可以构造用于，根据照射点对由激光扫描仪发射的激光进行成形。射束成形单元例如可以以扩大的发射角度来扩展激光。然后可以将激光同时发送到更大的区域中。
射束成形单元可以具有由射束成形元件组成的矩阵。每个射束成形元件可以构造用于，当激光照射到射束成形元件上时以固定的扫描角度对扫描射束进行成形。射束成形元件可以对激光以限定的形状进行成形和/或以限定的角度进行偏转。每当射束成形元件被激光照射时，该射束成形元件都以相同的方式起作用。
射束成形单元可以构造用于，根据照射点由激光分别成形出至少两个发散的扫描射束。多个射束成形元件可以同时被激光照亮。所有同时被照亮的射束成形元件都可以分别对一个扫描射束进行成形。这些扫描射束例如可以发散。如此，总是可以将由扫描射束组成的射束扇
Figure BDA0002501623680000031
发送到检测区域中。
激光扫描仪的探测器可以具有多个传感器像素。传感器像素的数量至少可以相应于同时发射的扫描射束的数量。传感器像素可以布置在网格(Raster)中。扫描射束可以将类似的网格投影到检测区域中。给一个扫描射束可以分别分配至少一个传感器像素。通过偏转镜的角度位置进行补偿使得不同定向的射束扇的反射始终成像到探测器的同一个位置上。例如，尽管各个射束扇以不同的扫描角度取向，射束扇的中央扫描射束的反射光始终成像在探测器的中央传感器像素上。
激光扫描仪可以具有布置在发送路径和接收路径中的发送和接收光学器件，用于同轴地发送激光和接收反射。在发送和接收光学器件与偏转镜之间可以布置有分束器，用于将反射偏转到接收路径中。通过同轴的发送和接收可以避免视差误差。同样可以节省光学部件。在同轴的发送和接收时只需要一个物镜或孔径。由此可以节省安装空间。
在发送路径和/或接收路径中可以布置有至少一个转向镜(Umlenkspiegel)，以便将偏转镜上的相应的光学轴线偏转。转向镜可以是角度固定的镜。转向镜可以是前反射的。转向镜可以是具有凸镜面或凹镜面的畸变镜(Zerrspiegel)。转向镜同样可以是平面镜。作为畸变镜，转向镜可以承担光学有效部件的功能。例如，畸变镜可以进行聚焦或准直。镜可以提供没有附加的衍射误差的光学功能。
发送轴线和接收轴线可以在光源与探测器之间在偏转镜的相反的侧上与偏转镜的旋转轴线一致。布置在发送路径和/或接收路径中的转向镜可以与偏转镜一起围绕旋转轴线在环绕旋转轴线的圆形轨道上运动。由此，发送射束环绕激光扫描仪，并且激光扫描仪可以检测所有方向上的对象。通过共同旋转的转向镜，发送射束和所反射的反射指向彼此。
附图说明
以下参照附图描述本发明的实施方式，其中，附图和说明书均不应解释为对本发明的限制。
图1示出根据一种实施例的激光扫描仪的原理示图；
图2示出根据一种实施例的激光扫描仪的示图。
这些图仅是示意性的并且没有按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相同或相同作用的特征。
具体实施方式
图1示出根据一种实施例的激光扫描仪100的原理示图。激光扫描仪100具有发送路径102和与该发送路径分开的接收路径104。发送路径102具有光学发送轴线106，该光学发送轴线相对于接收路径104的光学接收轴线108平行错位地从激光扫描仪100出射。发送路径102在激光扫描仪100的激光光源110处开始，并且通过能够角运动的偏转镜112以及通过固定的偏转镜114延伸到激光扫描仪100的检测区域116中。偏转镜112的角度位置118确定来自激光扫描仪100的激光的出射角120。在发送路径102中可以布置有其他的光学有效的元件，该光学有效的元件例如实现角度放大和/或射束扩展。接收路径104在检测区域116中开始，延伸通过另一固定的转向镜122、偏转镜112并在激光扫描仪100的探测器124处结束。偏转镜112的角度位置118补偿来自检测区域116的激光的反射的入射角126。在接收路径104中同样可以布置有其他光学有效的元件。这些元件例如可以起聚光的作用，和/或这些元件构造用于补偿发送路径102中的光学元件的效果。发送路径102和接收路径104被偏转到偏转镜112的相反的侧128、130上。偏转镜112布置在激光源110和探测器124之间。光源110对准偏转镜112的旋转点132。偏转镜112同样布置在转向镜114和另一转向镜122之间。
在一种实施例中，光源110和探测器124静止地构造在一个轴线上。偏转镜112可以以单个轴线角运动。偏转镜112连同所有其他光学部件绕着该轴线可旋转地支承。光学部件在垂直于该轴线地取向的圆形轨道上围绕该轴线运动。
换句话说，在该实施例中，偏转镜112的旋转轴线横向于图1的绘图平面地取向并且穿过绘图平面。偏转镜112斜向地相对于绘图平面和旋转轴线倾斜地布置。光源110和偏转镜112之间的发送轴线106与偏转镜112的旋转轴线一致。偏转镜112和探测器124之间的接收轴线108也与旋转轴线一致。因此，偏转镜112将激光相对于旋转轴线径向地偏转到绘图平面中。偏转镜114、122在位于绘图平面中的围绕旋转轴线的圆形轨道上与偏转镜112同步地运动。偏转镜114、122例如可以与偏转镜112以及在此未示出的其他光学部件一起布置在激光扫描仪的共同的、围绕旋转轴线可旋转地支承的转子上。通过与偏转镜112同步地在圆形轨道上运动的转向镜114，激光与圆形轨道相切地转向到检测区域116中。通过同样与偏转镜112同步地在圆形轨道上运动的其他转向镜122，反射从与圆形轨道相切地取向的入射方向相对于旋转轴线径向转向到偏转镜112上，并且通过偏转镜112在旋转轴线的方向上从绘图平面偏转出来。
宏扫描仪可以是在至少一个轴线中可旋转运动的系统。以这种方式，例如能够实现直至360°的水平分辨率。通过大的发送孔径或接收孔径不仅可以实现高程度的人眼安全性，而且可以实现非常高的有效范围或测量距离。发送孔径和接收孔径的大尺寸同样对于抵抗雨滴以及灰尘颗粒和污物颗粒的不敏感性产生积极影响。为此，该系统具有大的结构尺寸、低帧频以及在不旋转的轴线中的低的可能分辨率。
同轴扫描仪具有共同的发送和接收光学器件。在双轴系统中，发送路径以及接收路径完全彼此分开地构造。同轴宏扫描仪系统可以在水平方向上可旋转地运动。借助多个发送源可以实现竖直分辨率。双轴的构造方式具有所谓的视差误差。
如下系统可以称为微扫描仪：所述系统借助交替运动的微镜实现发送射束偏转。因为在激光扫描仪的这种构造方式中仅使非常小的微镜运动，通常将微扫描仪称为固态系统。该系统的特征在于其相对较小的构造形式、高帧率和能够在水平以及竖直的方向上(例如通过二维微镜)紧凑地实现的射束偏转。为此，由于镜尺寸，关于最大可能可扫描的视场的最大角度偏转和可能的射束扩展受到限制。此外，也降低了人眼安全性以及抵抗发送孔径或接收孔径的污染的稳健性。在理想情况下，在探测器侧可以仅借助单个光电二极管实现同轴的微扫描仪，这由于较小的探测器面积而具有很高的节约成本的潜力。这能够基于对于每个扫描点明确的镜位置来实现。在双轴系统中，可以借助探测器阵列来完成分辨率，探测器阵列使待扫描的整个视场能够明确地分配给各个测量点。
微扫描仪还可以实施成与基于微光学器件的射束扩展同轴。射束扩展在此足以用于大的测量距离，而同时不会降低发送射束的扫描角度，并提供足够的人眼安全性。在此，通过使用微光学元件可以避免射束扩展和偏转角的对立性的普遍问题。
在具有部分闪光(Teil-Flash)的偏移同轴(Offset-Koaxial)激光雷达中，尽管发送侧和接收侧的强的解耦合，一维发送射束偏转仍然在探测器侧成像到恒定的图像点上。由于部分闪光运行，可以使测量并行化并提高测量速率。二维扫描射束偏转同样可以大体上被补偿。此外，两个光学路径的解耦合的构造允许在光学构件的特定的优化可能性方面的高灵活性。
图2示出根据一种实施例的激光扫描仪100的示图。该激光扫描仪100相应于图1中的激光扫描仪的原理。与其不同，激光扫描仪100在此同轴地构造，这意味着，激光扫描仪100的发送路径102和接收路径104通过相同的发送和接收光学器件200延伸。为此，激光扫描仪具有分束器202，在该分束器中接收路径104从发送路径中侧向地偏转出来，而发送路径102径直地延伸通过分束器202。替代地，分束器202可以将发送路径102从该侧耦合输入到直线延伸的接收路径104中。
在发送路径102中的转向镜114与偏转镜112之间布置有准直光学器件204。通过准直光学器件204对激光源110的激光进行准直。在接收路径104中的其他转向镜122与偏转镜112之间布置有聚焦光学器件206。通过聚焦光学器件206将反射的光聚焦到偏转镜112的旋转点132上。
在发送路径102中布置有射束成形单元207。射束成形单元207在此包括射束扩展单元208和射束倍增器
Figure BDA0002501623680000071
210。偏转镜112的角度位置确定激光在射束成形单元207上的照射点。
在转向镜114之后，经准直的激光照射到射束扩展单元208上。在射束扩展单元208中对在此之前强烈地聚束的激光进行扩展。相比于经聚束的激光，经扩展的激光照亮更大的面积。经扩展的激光照射到射束倍增器210。在射束倍增器210中，由单个经扩展的激光束212对多个扫描射束214进行成形。根据照射点对不同的扫描射束进行成形。扫描射束214延伸通过分束器202以及发送和接收光学器件200到检测区域116中。发送和接收光学器件200使扫描射束214扇状散开成射束扇216。偏转镜112的角度位置确定以下空间角度：以该空间角度来发射射束扇216的中央扫描射束214。换句话说，射束扇216根据偏转镜112的角度位置枢转通过检测区域116。
在一种实施方式中，射束倍增器210具有由射束成形元件组成的矩阵。射束成形元件例如可以是全息光学元件。在每个全息光学元件中存储有用于扫描射束214的光学功能。经扩展的激光束212总是照射全息光学元件中的至少两个，由此总是产生至少两个扫描射束214。
在此，在检测区域116中布置有对象218，该对象被射束扇216的扫描射束214中的至少一个照射到。扫描射束216在对象218上漫射地(diffus)散射。激光的一小部分在发送和接收光学器件200的方向上作为反射被反射。所反射的激光的这些部分在分束器202中从发送路径102耦合输出，并且在接收路径104中照射到射束平行器(Strahlparallelisierer)220上。在射束平行器220中光平行地取向，并且被其他转向镜122转向至聚焦光学器件206。
通过偏转镜112的角度位置来补偿经聚焦的光的入射角，并且使其在探测器124的方向上偏转。在偏转镜112和探测器124之间布置有另一准直光学器件222。如此，经偏转的光经准直地照射到探测器124上。
探测器124具有多个传感器像素。传感器像素的数量与同时发送的扫描射束214的数量相关联。对于每个扫描射束214，探测器124例如可以具有一个传感器像素。通过偏转镜112的补偿，确定的扫描射束214的反射的光总是与射束扇216的扫描角度无关地照射到相同的传感器像素上。
在此处提出的方案中避免宏观上可运动的构件，因为不存在旋转系统，并且例如通过μ-镜使用小的结构形式。如此实现很高的机械稳健性。在此示出的激光扫描仪100中，大的发送孔径实现高的人眼安全性以及抵抗颗粒、灰尘和污物的稳健性。大的接收孔径实现高的有效范围。通过同轴的射束路径避免视差误差。在镜112的最大所需偏转角与系统的最大可能视场(FoV)之间进行解耦合。在此偏转角最小而视场最大。通过多次同时的测量提高测量速率。尽管存在同轴的射束路径，在同时探测器面积最小的情况下发送侧相对于接收侧的解耦合非常强烈。可以将发送射束的二维偏转的成像无系统误差地成像到探测器侧的恒定的图像点上。
换句话说，图2示出具有在两侧使用的偏转镜的二维偏移同轴系统的原理示图。在此，发送射束的二维偏转无系统误差地恒定地成像到探测器侧的图像点上。通过使用用于发送或接收侧的偏转镜的前侧和背侧，在此提出的系统可以将二维扫描射束偏转投影到恒定的图像点上，同时使发送和接收路径解耦合。
如此设计所示出的系统，使得角度的量值在发送侧以及在接收侧相对应。在此，该系统相对于偏转镜的旋转点点对称地构造。在系统中的能够在发送侧补偿镜的所有偏转位置而不会在各个探测器点上实现成像位置的系统误差的点恰好位于镜的发送偏转位置的相对置的侧上。在镜无限薄的情况下，该点与镜子的旋转点或轴心点(Pivotpunkt)重合，并且因此相应于单个点。由于镜的实际厚度，两个点彼此分离，然而由于对称的构造，这仅导致成像的恒定的偏移。
能够在分束器上截取用于光传播时间测量的触发脉冲。系统布置是可变的。激光源和探测器例如可以如此取向，使得相应的射束的照射角度更倾斜，由此得出更大的可能的扫描范围。
最后应指出，如“具有”、“包括”等术语不排除其他元素或步骤，如“一个”术语不排除多个。权利要求中的附图标记不应视为限制。

Claims (9)

1.一种激光扫描仪(100)，所述激光扫描仪具有发送路径(102)和接收路径(104)，所述接收路径与所述发送路径(102)至少局部地在空间上分开，其特征在于，所述发送路径(102)和所述接收路径(104)照射到所述激光扫描仪(100)的能够角运动的偏转镜(112)的相反的侧(128，130)上，其中，所述偏转镜(112)的角度位置(118)在所述发送路径(102)中限定所述激光扫描仪(100)的激光的扫描角(120)，并且所述角度位置(118)在所述接收路径(104)中补偿所述激光的反射的入射角(126)。
2.根据权利要求1所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，所述偏转镜(112)能够围绕两个轴线角运动。
3.根据以上权利要求中任一项所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，所述角度位置(118)限定所述激光在所述激光扫描仪(100)的射束成形单元(207)上的照射点，其中，所述射束成形单元(207)构造用于根据所述照射点对由所述激光扫描仪(100)发射的激光进行成形。
4.根据权利要求3所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，所述射束成形单元(207)具有由射束成形元件组成的矩阵，其中，每个射束成形元件构造用于，当所述激光照射到所述射束成形元件上时以固定的扫描角度(120)对扫描射束(214)进行成形。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，所述射束成形单元(207)构造用于根据所述照射点由所述激光分别成形出至少两个发散的扫描射束(214)。
6.根据权利要求5所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，所述激光扫描仪(100)的探测器(124)具有传感器像素，其中，所述传感器像素的数量至少相应于同时发射的所述扫描射束(214)的数量。
7.根据以上权利要求中任一项所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，所述激光扫描仪(100)具有布置在所述发送路径(102)中的和在所述接收路径(104)中的发送和接收光学器件(200)，用于同轴地发送所述激光和接收所述反射，其中，在所述发送和接收光学器件(200)与所述偏转镜(112)之间布置有分束器(202)，用于将所述反射偏转到所述接收路径(104)中。
8.根据以上权利要求中任一项所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，在所述发送路径(102)中和/或在所述接收路径(104)中布置有至少一个转向镜(114，122)，用于对所述偏转镜(112)上的相应的光学轴线(106，108)进行偏转。
9.根据权利要求8所述的激光扫描仪(100)，在所述激光扫描仪中，发送轴线(106)和接收轴线(108)在光源(110)与探测器(124)之间在所述偏转镜的相反的侧上与所述偏转镜(112)的旋转轴线一致，其中，布置在所述发送路径(102)中的和/或在所述接收路径(104)中的转向镜(114，122)能够与所述偏转镜(112)一起在围绕所述旋转轴线的圆形轨道上围绕所述旋转轴线运动。
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