CN111670521A - 用于发射激光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以激光脉冲的形式发射激光(4)的方法，所述方法包括以下步骤：根据脉冲参数(100)规划激光脉冲；检查在预定义的先前的时间间隔内发射的所述激光脉冲连同所规划的脉冲是否满足预定义的能量准则；如果满足所述能量准则，借助发射单元(2)发射所规划的激光脉冲，如果不满足所述能量准则，则不发射所规划的激光脉冲，或降低所述激光脉冲的功率。

Description

用于发射激光的方法

技术领域

本发明涉及一种用于发射激光的方法。通过该方法尤其确保在发射激光时实现眼睛安全。此外，本发明涉及一种用于发射激光的计算机程序产品和激光系统。

背景技术

从现有技术中已知光学有源的传感器和执行器(Aktor)，其使用有源光源，例如尤其是激光器。需要如此设计这种传感器和执行器，使得在不利的空间上和时间上的配置(Konstellation)中最大的模仿(imitieren)光功率可能损伤人的视力。

为此存在用于眼睛安全的国际标准，根据该国际标准，取决于光辐射的参数能够在所有可设想的运行场景中推导出用于确保遵守眼睛安全的光功率极限值。这种系统在任意时刻都假设最不利的空间上和时间上的配置，这导致光辐射的参数在正常运行时在损坏极限以下运行。尤其不进行考虑实际的运行性能，使得激光的发射遵循包含固定预给定的极限值的控制。

由DE 10 2007 018 366已知一种用于运行激光设备的系统。在此设置，存在提供激光脉冲序列信号的控制装置，该激光脉冲序列信号具有尤其满足眼睛安全极限要求的固定的运行周期和固定的功率水平。

发明内容

本发明能够通过对运行参数的主动调节实现对于各个当前的危险情况均能够确保眼睛安全。因此，相比现有技术，在常规运行中能够输出更高的功率。这对于光学执行器(例如激光投影仪)以及对于光学有源传感器(例如激光雷达系统)都是有利的。具体地，通过主动调节一定的最坏情况场景(Worst-Case-Szenarien)，要么主动拦截使得允许功率增加，要么执行输出功率的自适应匹配。如果运行性能朝着最坏情况场景发展，则后者尤其导致发射功率下降。

根据本发明的以激光脉冲形式发射激光的方法包括以下步骤：

首先，根据脉冲参数规划激光脉冲。脉冲参数代表激光脉冲的特征，需要根据脉冲参数来操控发射单元以便发射激光脉冲。随后，检查在预定义的先前的时间区间内发射的激光脉冲连同所规划的脉冲是否满足预定义的能量准则。通过该能量准则尤其保证眼睛安全。这意味着，预定义的能量准则包含对于眼睛安全必需的这些能量极限值。因此，根据本发明，对于每个脉冲检查其是否遵守对于眼睛安全的能量准则。在此使用实际发射的先前脉冲，使得通过目前发射的激光形式的能量可以求取非常准确的图像。最后，当满足能量准则时，借助发射单元发射所规划的激光脉冲。相反，如果不满足能量准则，则不发射所规划的激光脉冲。替代地，如果不满足能量准则，则降低激光脉冲的功率。这意味着，在不满足能量准则的情况下可以改变脉冲参数，并且代替所规划的激光脉冲地发射具有较低功率的激光脉冲。这意味着，对于每个激光脉冲检查发送所规划的激光脉冲是否将会导致违反能量准则，这意味着不再能够保证眼睛安全。因此，连续地监测进行激光发射的系统，尤其是发射单元。相比之下，用于眼睛安全的常见的系统在假设最坏情况场景的情况下进行一次计算，以便确定在所有运行状况中用于发射极限的参数以及对于进行激光发射的系统的参数，而在本发明的范畴中记录实际发射的辐射(尤其连同发射单元的系统状态)，以便从中计算哪些参数将进行激光发射的系统保持在对人眼安全的状态。有利地基于所测量的参数实时地执行这些计算。这意味着，对于每个所规划的激光脉冲实时地执行根据本发明的方法。因此产生调节。

从属权利要求包含本发明的优选扩展方案。

优选设置，能量准则表示激光的不会导致人眼的持久损伤(bleibenden

的最大能量。尤其从现有技术中已知眼睛安全性标准。这些眼睛安全性标准说明，允许哪些光功率照射人眼而不会导致持久损伤。能够将该最大光功率变换成匹配于特定的发射单元的能量准则。特别有利地，能量准则包括三个不同的规则：第一规则是单个脉冲准则(Einzelpulskriterium)，通过监测各个激光脉冲的脉冲参数能够确保该单个脉冲准则。待考虑的脉冲参数尤其是脉冲持续时间和脉冲能量。第二规则是限制激光脉冲序列(以下也描述为脉冲模式)的平均值准则(Mittelwertkriterium)。在此，在脉冲模式上放置任意长度的时间窗并对其中发射的能量进行累加(aufintegrieren)。所释放的能量不允许超过能够由时间窗的长度推导的极限。该过程必须适用于最多1×10-⁷s至30.000s之间的每个持续时间，以及适用于脉冲模式期间的每个起始点。第三规则是缩减准则(Reduktionskriterium)，在该缩减准则中分析：在来自第二规则的待考虑的最大时间窗中，多少个一定长度的理论脉冲是匹配的。由这些准脉冲的长度以及准脉冲的数量计算校正因子，将该校正因子乘以第二规则的能量极限。

在另一优选的实施方式中设置，所有的激光脉冲都是离散的激光脉冲。这简化了能量准则的求取和检查。如此，先前尤其已经描述应遵守的三个不同的规则。例如可以根据“蛮力方法(Brute-Force-Methode)”来计算这些规则的遵守，在该蛮力方法中存储每个单个脉冲，并且在高资源开销的情况下计算对于检查能量限制的遵守所必需的时间窗。此外，在进行扫描的系统中，附加地考虑激光脉冲的出射角度，使得不仅在辐射的整个时间上而且在辐射的整个角度范围上都进行迭代。为了简化这一点，设置仅存在离散的激光脉冲，由此尤其不发射时间上恒定发射的波(连续波，缩写cw)或经调制的射束。在两个离散的激光脉冲之间特别有利地存在预定义的最小间隔。这尤其简化能量准则的检查，因为由于激光脉冲之间的预定义的最小间隔，在预定义的时间窗内的激光脉冲的最大数量具有上极限值。此外，能够简单且开销低地求取所发射的光功率，其方式是：对激光脉冲的各个能量进行累加。因此能够节省资源地且快速地检查是遵守还是未遵守能源标准。

在一种优选的实施方式中设置，能量准则具有所允许的脉冲持续时间的最大值和/或所规划的激光脉冲的脉冲能量的最大值。替代地或附加地设置，能量准则具有在两个激光脉冲之间的间隔最小值。这意味着能量准则包括如上面作为第一规则所描述的单个脉冲标准。尤其检查各个所规划的激光脉冲本身在发射时是否已经违反能量准则。在此不必考虑先前发射的激光脉冲。

此外有利地设置，重复地发射预定义的脉冲模式。这意味着，存在在所发射的激光脉冲中始终重复出现(wiederspiegeln)的帧。重复的脉冲模式尤其可以是激光投影仪的图像或激光雷达传感器中的帧。因此实现所发射的激光的周期性。这又导致简化对能量准则的检查，因为尤其如上所述的第二规则可以限制于检查重复的脉冲模式的光功率。因此能够节省资源地且快速地检查是否满足能源标准。

特别有利地，能量准则包括整个脉冲模式的辐射能量的最大值。因此，尤其对于每个脉冲模式检查是否遵循光功率的最大值。如果达到最大值，则尤其不再发射脉冲模式的其他脉冲。这意味着不发射脉冲模式的所规划的激光脉冲。替代地，可以识别最大值的近似值，并且仅在降低辐射能量的情况下才允许发射脉冲模式的其他所规划的激光脉冲。这意味着降低各个所规划的激光脉冲的能量，以便发射脉冲模式的所有激光脉冲，然而仍满足脉冲模式的辐射能量的最大值。

优选地，在进行变化的空间角下进行扫描地发射激光。将空间角离散化成由离散的像素组成的网格。对于每个像素，对照射像素的每个激光脉冲的光功率进行累加，以检查对于每个像素是否满足能量准则。尤其对于所规划的激光脉冲也执行这种计算。根据借助像素进行的离散化，也可以使人眼的最大眼睛直径离散化。因此，通过像素的数量能够使以下面离散化：通过该面激光能够入射到人眼中。由此，能够求取在进行扫描的系统中的最多单个激光脉冲能够照射的像素的数量。由此又能够简单且开销低地推导出多大的光能量允许照射单个像素，以便保证眼睛安全。因此，根据离散化能够简单并且开销低地求取能量准则。像素的尺寸尤其明显小于所发射的激光的眼睛面或横截面。平均的离散误差随着像素密度而减小，其中，反之计算开销和资源开销则增加。因此，将激光脉冲的已发出的光功率分配到每个所照射的像素上。因此，对于每个像素能够简单且开销低地求取：在单个激光脉冲或在脉冲模式的情况下，像素经受多大的光能量。

特别有利地确定以下时间范围：在该时间范围期间激光扫过(überstreichen)预定义的眼张开面

眼张开面表示以下面：激光能够通过该面进入人眼。通过眼睛瞳孔的直径定义眼张开面。在此时间范围期间能够发射多个激光脉冲的脉冲组。能量准则有利地包括脉冲组中的激光脉冲数量的最大值和/或两个彼此相继的脉冲组的间隔的最大值。

脉冲参数有利地包括脉冲时刻和/或脉冲能量和/或脉冲长度和/或脉冲功率和/或脉冲出射角。根据这些参数，对所规划的激光脉冲进行规划，并且根据这些参数对所规划的激光脉冲进行规划，并且根据这些参数检查所规划的激光脉冲是否满足能量准则。特别有利地，附加地能够读取发射单元的系统参数。这种系统参数尤其包括取向、固有运动(尤其是振动和横向加速度)、间隔传感装置的数据、或关于光学器件和射束成形的当前信息。这些系统参数给出关于以下的说明(Aufschluss)：系统参数是否改变系统状态，以及眼睛安全性的计算是否需要匹配或需要如何匹配。

本发明还涉及一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括存储在机器可读的存储介质上的程序代码，用于在计算设备上运行计算机程序产品时执行以上描述方法。计算设备有利地是进行激光发射的系统的控制设备。计算设备例如可以是激光投影仪的或激光雷达传感器的控制设备。

最后，本发明涉及一种用于发射激光的激光系统。激光系统包括发射单元，用于根据脉冲参数来发射激光脉冲。脉冲参数尤其相应于以上描述的脉冲参数。此外，激光系统包括用于操控发射单元的控制设备。控制设备构造用于执行以上描述的方法。控制设备尤其是如以上定义的计算设备。

附图说明

以下参考附图详细描述本发明的实施例。附图中示出：

图1示出根据本发明的一种实施例的激光系统的示意图；

图2示出借助来自图1的激光系统发射的激光的空间角的离散化的示意图；

图3示出推导能量准则的第一示意图；

图4示出推导能量准则的第二示意图；

图5示出推导能量准则的第三示意图；

图6示出推导能量准则的第四示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出用于发射激光4的激光系统1。激光系统1包括发射单元2，该发射单元用于根据脉冲参数来发射激光脉冲。通过发射单元2仅发射具有预定义的最小间隔的离散的激光脉冲。

此外，激光系统1具有控制设备3。控制设备3用于操控发射单元2。在此，通过根据本发明的一种实施例的方法，控制设备3确保所发射的激光4是眼睛安全的，即——所发射的激光4不能够持久损伤人眼。同时将激光4的输出功率最大化。

控制设备3规划将要由发射单元2发射的激光脉冲，并且以相应的脉冲参数100操控发射单元2，以便使该发射单元发射激光脉冲作为激光4。在此，控制设备3附加地检查所规划的激光脉冲是否将会违反预定义的能量准则。如果是这种情况，则要么修改脉冲参数100以减小所规划的激光脉冲的输出功率，要么完全放弃发射所规划的激光脉冲。

为了能够检查是否遵循能量准则，尤其读取发射单元2的测量参数200。这些测量参数200尤其包括已经发射的激光脉冲的脉冲参数100，并且附加地包括系统参数。脉冲参数涉及脉冲时刻和/或脉冲能量和/或脉冲长度和/或脉冲功率和/或出射角。系统参数尤其涉及以下参数，如取向和/或固有运动和/或间隔传感装置的数据和/或关于光学系统和射束成形的当前信息。在固有运动中尤其确定振动和/或横向加速度。这些系统参数能够推断出关于系统状态是否已改变。此外，根据系统参数可以求取，眼睛安全性的计算是否需要匹配或需要如何匹配。

基本上，能量准则必须确定在任意时刻所发射的激光脉冲允许具有多大的最大能量，以保证眼睛安全性。有利地，根据三个不同的规则进行对眼睛安全性的检查：

第一规则是单个脉冲准则。在单个脉冲准则中检查各个所规划的激光脉冲是否具有过高的能量，使得单个激光脉冲本身已经将会导致违反眼睛安全性。因此，尤其能够通过监测所规划的激光脉冲的脉冲参数来确保第一规则。尤其检查脉冲持续时间和脉冲能量。

第二规则是平均值准则，该平均值准则限制脉冲模式的脉冲序列。在此设置将激光脉冲的序列视为脉冲模式。在此，在脉冲模式上放置任意长度的时间窗，并对其中发射的能量进行累加。所释放的能量不允许超过由时间窗的长度推导的极限。该过程必须适用于任何持续时间和任何起点。

第三规则是缩减准则，在该缩减准则中分析：多少个一定长度的理论脉冲匹配来自第二规则的待考虑的最大时间窗。由这些准脉冲的长度以及准脉冲的数量计算校正因子，将该校正因子乘以来自第二规则的能量极限。

可以通过蛮力方法来检查这些规则的遵守，在蛮力方法中存储每个单个脉冲，并且在较高的资源开销的情况下计算各个时间窗，根据该时间窗能够检查能量极限。然而这是不可实行的。因此设置，发射单元2在以下前提条件下发射激光4：

仅发射离散的激光脉冲，从而不存在连续波或经调制的射束。在这些离散的激光脉冲中的两个之间存在预定义的最小脉冲间隔。激光4的发射尤其遵循进行重复的脉冲模式，这意味着激光4具有周期性。因此，激光尤其由重复的脉冲模式的序列组成。脉冲模式例如可以是激光投影仪的图像或激光雷达传感器的帧。

根据这些简化，尤其在考虑三个所提及的规则的情况下，能够简单且开销低地检查能量准则。为此设置第一时间监测区域，该第一时间监测区域由激光4的周期性推导得出。根据每个脉冲模式能够求取对于眼睛安全性允许的最大辐射能量。如此，尤其能够实现对于每个脉冲模式启动自身的积分器(Integrator)，以便求取在该脉冲模式中总共发射的能量。该能量不允许超过极限值，其中，该极限值能够由已知的眼睛安全性标准推导出。如果所规划的激光脉冲超过这些极限值，则要么降低激光脉冲的输出功率，要么完全放弃发射激光脉冲。同样有利地设置，即使当所规划的激光脉冲不会超过脉冲模式的能量最大值时，在接近极限值时控制设备3降低所规划的激光脉冲的输出功率。

第二时间监测区域由以下推导得出：在进行扫描的系统中，激光4扫过置于投影空间中的人眼。为此，发射单元2尤其设置用于以可变的角度发射激光。这导致能够落入眼睛中的眼线(Augenüberstrich)中的脉冲组。因此，根据以下运动速度能够求取能够落入眼睛的激光脉冲的最大数量：在该运动速度下所发射的激光4的角度发生改变。第二监测区域尤其遵循眼线的最大持续时间。因此能够求取所述的脉冲组最大允许具有的能量极限。类似于第一监测区域，通过积分器进行对第二监测区域的监测，该积分器对脉冲组的激光脉冲的能量进行累加。第二时间监测范围的能量极限能够有利地从已知的眼睛安全性标准中推导出。

第三时间监测区域遵循单个所规划的激光脉冲以及其与先前发射的激光脉冲的间隔。因此，在此需要对于每个单个激光脉冲进行如下检查：所规划的脉冲能量保证眼睛安全性，还是通过所述脉冲能量不再保证眼睛安全性。这同样适用于至先前发射的激光脉冲的间隔，其中，对于这些情况也能够由已知的眼睛安全性标准推导得出单个激光脉冲应遵循的极限值。

在图2中示意性地示出根据本发明的实施例的离散化。这是必要的，因为对于光入射到眼睛直径中，需要一直执行眼睛安全性计算。因此应开发一种系统，该系统对于可能置于角度空间中的每个眼睛直径模块化地计算这些参数。因此设置由离散的像素5组成的网格，其中，像素5具有眼张开面6的一小部分的尺寸。通过待保护的眼睛的瞳孔的最大直径确定眼张开面6。根据以上描述的三个时间监测范围，在由激光4照射到的相应的像素5中，激光4的光功率成比例地累积。在眼睛安全性的意义中，可以对于眼睛直径尺寸的每个可能的空间积分窗进行以上描述的对时间上累积的光功率的计算。这种系统的平均离散误差随着网格的像素密度而减小，反之，这也增加计算开销和资源开销。

图3至图6示意性地示出对于具有905纳米波长的激光4示例性地推导能量准则。在该波长下，根据已知的眼睛安全性标准，能量限制在所考虑的时间窗的持续时间上首先以根函数增加，因此在开始时急剧上升，但在接近结束时增加得越来越少。附加地，来自以上描述的第三规则的校正因子从某一时间起紧缩(niederschlagen)，使得曲线不具有易于计算的轮廓。在图3中示意性地示出能量限制100的变化过程。

首先求取第一简化区域，该第一简化区域涉及如下：脉冲模式具有周期性。该重复的时间段具有一定的持续时间和保持恒定的辐射能量，并且应能够在不违反眼睛安全性的情况下任意多次重复。因此，将已知的最高极限线性地分解(Herunterbrechen)为脉冲模式之一的长度。这些已知的最高极限是在最大可能的时间窗上对极限的定义。通过线性的分解规定眼睛占据的每个角度范围的每帧允许发射的能量极限200。角度范围相应于以下发射角度的角度范围：在该发射角度下由发射单元2发射激光4。

简化的第二区域涉及以下假设：激光系统1的目的在于在较短的时间内在相似的角度范围内相继依次发射多个激光脉冲。为此定义以下脉冲组：该脉冲组确定能够以预定义的最小脉冲间隔彼此相继地发射的激光脉冲的最大数量。在图5中示出最大可发射的脉冲数300。

第三区域由图4所示的第一区域和图5所示的第二区域合并得出。以这种方式，通过脉冲组覆盖眼睛安全性标准的最小区域，并且规定每个脉冲模式的绝对能量极限。由此能够推导出，在每个脉冲组之后至少需要等待多久，以便在脉冲模式内不超过能量极限100。

在此，图6示意性地示出所发射的脉冲组400，直至达到脉冲模式的能量极限200。

因此，以上描述的简化使得可以以确定的时间间隔发射脉冲组，而同时监测每个脉冲模式的能量极限。因此，这些简化的参数如下：

-最大允许单个脉冲能量

-最小允许单个脉冲能量

-脉冲组内的最大允许单个脉冲数量

-两个脉冲组之间的最小允许时间间隔

-每帧的最大允许能量极限(每帧的最大允许脉冲数)

从预给定的脉冲长度和脉冲功率中能够推导所规划的激光脉冲的脉冲能量以及所发射的激光脉冲的脉冲能量。由此可以如上所述地计算每个脉冲模式的最大允许能量极限。如果激光系统1是将脉冲不中断地发射到眼睛直径中的进行扫描的系统，则由时间可以获得最小允许单个脉冲间隔。如此，可以计算在该时间中允许发射的最大能量，由此得到激光脉冲的数量，由此又得到最小允许单个脉冲间隔。同时，激光脉冲的数量相应于在脉冲组内的单个脉冲的最大允许数量。

由能量极限100与每个脉冲模式的最大能量极限200的交点计算两个脉冲组之间的最小允许时间间隔。通过该机制已经阻止将能量提高到超过能量极限200的所有激光脉冲。因此，直至到达能量极限200的时刻都保证监测。由到达能量极限200的时刻、最大允许能量极限和脉冲组参数可以求取两个脉冲组之间的最小允许时间间隔。

特别有利地，可以将安全间隔添加到所使用的所有参数上。这导致在误差情况下不会立即到达已知的眼睛安全性标准的极限。因此存在提高激光系统1的眼睛安全性的缓冲。

以下借助伪代码示出一种可能的算法，以便在控制设备3上实现根据本发明的方法：

Claims (11)

1.一种用于以激光脉冲的形式发射激光(4)的方法，所述方法包括如下步骤：

根据脉冲参数(100)规划激光脉冲，

检查在预定义的先前的时间区间内已经发射的激光脉冲连同所规划的脉冲是否满足预定义的能量准则，

如果满足所述能量准则，则借助发射单元(2)发射所规划的激光脉冲，而如果不满足所述能量准则，则不发射所规划的激光脉冲或降低所述激光脉冲的功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量准则表示所述激光的如下最大能量：所述最大能量不导致人眼处的持久损伤。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所有激光脉冲是离散的激光脉冲，所述离散的激光脉冲尤其具有预定义的最小间隔。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量准则包括允许的脉冲持续时间的最大值和/或所规划的激光脉冲的脉冲能量的最大值和/或两个激光脉冲之间的间隔的最小值。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，重复地发射预定义的脉冲模式。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述能量准则包括整个所述脉冲模式的辐射能量的最大值。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在进行变化的空间角下进行扫描地发射所述激光，其中，将所述空间角离散化成由离散的像素(5)组成的网格，其中，对于每个像素(5)对照射所述像素(5)的每个激光脉冲的光功率进行累加，其中，对于每个像素(5)检查是否满足所述能量准则。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定以下时间范围：在所述时间范围期间所述激光(4)扫过预定义的眼张开面(6)，其中，在所述时间范围期间能够发射多个激光脉冲的脉冲组，其中，所述能量准则具有所述脉冲组中的激光脉冲的数量的最大值和/或具有两个脉冲组的间隔的最大值。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲参数(100)包括脉冲时刻和/或脉冲能量和/或脉冲长度和/或脉冲功率和/或脉冲出射角。

10.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有存储在机器可读的存储介质上的程序代码，用于当在计算设备上运行所述计算机程序产品时执行根据以上权利要求中任一项所述的方法。

11.一种用于发射激光(4)的激光系统(1)，所述激光系统包括

发射单元(2)，所述发射单元用于根据脉冲参数发射激光脉冲，

控制设备(3)，所述控制设备用于操控所述发射单元(2)，

其中，所述控制设备(3)设置用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

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