CN111965663A - 光学系统、尤其激光雷达系统、和车辆 - Google Patents

光学系统、尤其激光雷达系统、和车辆 Download PDF

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Abstract

描述一种光学系统(1)，尤其激光雷达系统，其包括至少一个光学发送器和至少一个光学探测器，以及数据处理单元。光学发送器设置用于将扫描光束发送到周围环境中，以便使扫描光束扫描周围环境对象。光学探测器设置用于接收由周围环境所反射的光束。提供一种光学系统，其设置用于探测和区分至少两个波长范围内的反射光束和/或探测和区分具有至少两个偏振方向的反射光束。光学系统借助数据处理单元设置用于，由反射光束相对于所发送的扫描光束中的差异确定所扫描的周围环境对象的位置以及所扫描的周围环境对象的表面特性。此外描述一种车辆，车辆包括光学系统，其如此安装在车辆中，使得扫描光在光学系统的运行期间扫描车辆的周围环境。

Description

光学系统、尤其激光雷达系统、和车辆
技术领域
本发明涉及一种光学系统以及一种数据处理单元，所述光学系统尤其是激光雷达系统，所述光学系统包括至少一个光学发送器和至少一个光学探测器，其中，光学发送器设置用于向周围环境发送扫描光束，以便使扫描光束扫描周围环境对象，其中，光学探测器设置用于接收从周围环境反射的光束。此外，本发明涉及一种包括这种光学系统的车辆。
背景技术
为了确保安全的高度自动化的驾驶，必须可靠地识别周围环境。为此，根据现有技术例如使用摄像机和红外激光雷达(英：light detection and ranging，缩写LiDAR)的组合。附加地，必须尽可能准确地已知待行驶通过的道路的摩擦系数，以便能够实现与周围环境条件匹配的自动化行驶。摩擦系数尤其受到道路上出现的“中间介质”(＝在沥青和轮胎之间的介质)的影响，例如水、雪、冰、树叶或油。可以通过各种传感器(例如摄像机、声音、超声波，或在红外范围内光学地)对这些介质进行检测。
在本专利申请的范畴中应广泛地理解“光”和“光学”，尤其是不限于可见光，而是尤其还涉及红外光或其他(尤其邻近的)波长范围。
近红外(约800nm-3000nm)的光学传感器分析处理多个波长(范围)的主动发送的光的漫反射和/或定向反射。这些波长(范围)的不同之处在于：在这些波长范围中，在所有聚集态(液态、冰覆盖、雪覆盖或混合状态)中都存在水的不同强度突出的吸收线。由此可以区分干燥的道路与非干燥的道路，将各个中间介质分类为“道路状态”，甚至确定中间介质的层厚度。为此尤其通过比较、阈值或机器学习方法对强度和强度关系进行分析处理。由此得出地确定道路状态在下文中被称为“算法”。例如由DE2712199、DE 4133359和DE19506550已知这种传感器。
替代地或附加地，如在DE 4300896中所描述的那样，可以充分利用光的偏振度来确定道路状态。通过使用偏振滤光器或已预偏振的光源(例如激光器)可以影响偏振方向。
公开文献DE 10 2016 216 928A1公开一种用于确定行车道表面特性的设备，该设备具有照明装置，该照明装置包括超连续激光源和微镜装置，其中，超连续激光源被设计用于产生具有在红外光谱范围内的波长的第一光束。微镜装置设计用于偏转所产生的第一光束，以便扫描至少一个预定义的空间角度范围。探测器装置设计用于在预定义的空间角度范围内，在行车道表面上探测通过照射的第一光束而产生的红外光谱范围内的响应光束。
这意味着，对于现有技术中的高度自动化的驾驶需要两个传感器系统，所述两个传感器系统单独地以可见光或在红外光下工作，并且独立地进行分析处理，用以一方面检测周围环境对象，而另一方面确定行车道表面特性。
发明内容
根据本发明提供一种光学系统，该光学系统设置用于：
a)探测和区分至少两个波长范围内的反射光束，和/或
b)探测和区分具有至少两个偏振方向的反射光束，
使得光学系统借助数据处理单元设置用于，由所反射的光束相对于所发送的扫描光束的差异来确定所扫描的周围环境对象的位置以及所扫描的周围环境对象的表面特性。
本发明的优点
在本发明的范畴中提出由激光雷达和光学道路状态传感器构成的混合，其中可以使用激光雷达以便同时探测道路状态。
通过在此提出的组合可以很大程度上扩展激光雷达的功能，因此借助激光雷达还可以求取关于道路状况的信息。这可以通过以下方式实现：激光雷达对多个波长或偏振方向的反射光束中的信息进行分析处理。
术语“反射光束”在此包括反射回的光束(例如由或多或少光滑的表面反射回)和散射回的光(例如由被污染的表面、液态膜，或如树叶的不规则表面散射回)。通常，所接收的光是反射光和散射光的混合。
目前，激光雷达通常仅发送具有限定偏振的窄波长范围。然而，仅仅通过这样的波长范围的散射回的强度不能够识别道路状态，因为所照亮的对象/所照亮的道路段以及中间介质都会影响信号。替代地，要么需要光谱分辨的信息(即来自至少两个波长范围)，要么需要与偏振方向相关的信息。
在本专利申请的范畴中，术语“波长范围”既可以描述例如激光器的窄波长范围，也可以描述超连续激光器(Superkontinuums-Laser)或宽带光源的宽波长范围。不同的波长范围表示如下范围：所述范围分别至少在所包含的波长的部分中不同。
在本发明的意义上，“表面特性”例如可以涉及水、油或其他液体的存在。通过对在道路上的一个点上探测到的与波长相关的或与偏振相关的强度进行分析处理，可以辨识该点是否被任意聚集态的水所覆盖。此外还可以包含关于对象的附加信息。生命有机体(例如动物、树木)包含大量的水，因此生命有机体的光谱也显示出典型的吸收线。原则上还可以识别其他有问题的对象，例如树叶或行车道的大面积污染(例如由于油)。因此，确定一个或多个表面特性实现不仅可以确定行车道特性(潮湿的、污染的等)，而且原则上还可以辨识周围环境对象(车辆、植物、动物、行车道边界等)及其(表面)特性。
在一种实施方式中，光学系统包括至少两个光学发送器，所示至少两个光学发送器发送不同波长范围中的扫描光束。然后光学发送器可以在空间上分离，并且同时在不同的方向上发射其扫描光束。在这种情况下，光学系统还可以包括多个光学探测器，所述光学探测器在相应的波长范围内设置用于探测相应的反射光束。替代地，也可以设置单个探测器，该单个探测器在不同的时间段(例如借助旋转的带通滤光器)探测不同的光学发送器的反射光束。根据构型，在某些情况下需要附加的计算开销来组合不同波长范围内的时间上或空间上“偏移的”周围环境扫描。另一示例是将不同波长范围的多个光源耦合输入到光纤中，所述光纤被聚集(zusammenführen)成输出光纤。
在另一实施方式中，一个光学发送器包括至少两个光源，所述至少两个光源发送不同波长范围中的扫描光束并且优选布置在共同的半导体芯片上。位置错位(
Figure BDA0002475006280000031
versetzt)的光源的问题在于，所产生的图像通常会由于激光雷达彼此错位；此后必须对此进行计算校正并将图像叠加。出于该原因，优选以下实施方式：在该实施方式中仅存在唯一的光源，或仅存在空间上彼此非常接近的多个光源。微小的空间偏差例如可以通过光学元件(例如透镜或透镜系统)来补偿。与波长相关的识别原理的一个示例是如下激光器：在所述激光器中在半导体芯片上实现了不同的谐振器，在不同的谐振器之间可以电地来回切换。
在一种优选的实施方式中，至少一个光学发送器包括宽带光源。这种宽带光源例如可以是超连续激光器，即具有极度加宽的光谱的激光器(例如其波长的半值宽度为一个倍频程(Oktave)或更多)。在这种情况下可以使用具有不同带通滤光器的多个光学探测器，以便使用来自具有原始宽的波长范围的反射光束中的不同的较小波长范围。
在另一个实施方式中，光学系统包括至少两个光学探测器，所述至少两个光学探测器包括在各个不同的波长范围中可透射的带通滤光器。该实施方式优选与宽带光源结合作为光学发送器，以便简化信号处理。然后，所述光学探测器优选在空间上彼此靠近地布置，即例如直接邻接。
在一种实施方式中，至少两个光学发送器设置用于发送具有不同偏振方向的扫描光束。这例如可以通过光学发送器中的不同的偏振滤光器来实现，或通过使用预偏振的光源(例如合适布置的激光器)来实现。
在另一实施方式中，光学系统包括至少两个光学探测器，所述至少两个光学探测器包括对于各个不同偏振方向可透射的偏振滤光器。替代地，在与偏振相关地识别道路状态时，例如可以通过时间上变化的偏振滤光器(例如转动的滤光轮(Filterrad)或普克尔斯盒(Pockels-Zelle))通过单个光学探测器实现这一点。
在一种实施方式中，光学系统设置用于，在运行期间在给定的时间段从具有两个不同的波长范围和/或具有两个不同的偏振方向的至少两个扫描光束中分别仅发射和/或探测一个扫描光束。该解决方案允许相对紧凑的或成本有利的构型。因此可以将不同波长范围的多个光源的光耦合输入到光纤中，所述光纤被聚集成输出光纤，其中，然而在每个时刻仅一个光源是激活的。附加地或替代地，可以使用具有可变的带通滤光器的光学探测器。
在另一实施方式中，光学系统设置用于，在运行期间分别在不同方向上发射并分别从不同的方向探测具有两个不同的波长范围和/或具有两个不同的偏振方向的至少两个扫描光束。然后例如可以借助旋转的镜系统在不同方向上发送或从不同方向接收扫描光束或反射光束(例如以约180°的相对角度)。
根据本发明还提供一种车辆，该车辆包括根据以上实施方式中任一项所述的至少一个光学系统，其中，该光学系统如此安装在车辆中，使得至少一个扫描光束在光学系统的运行中扫描车辆的周围环境。这种车辆尤其使安全的高度自动化的驾驶变得容易，而无需两个单独的光学系统用于周围环境识别以及用于表面扫描。
本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中给出，并且在说明书中进行描述。
附图说明
根据附图和以下描述详细地阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据本发明的光学系统的实施方式的一部分；
图2示出根据本发明的车辆的实施方式，该车辆包括根据图1的实施方式；
图3示出根据本发明的光学系统的第二实施方式的视图。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的光学系统1的优选的实施方式。在此，将光学发送器4的多个光源2、3(例如激光器)布置在至少一个列5、6内，以便获得图像。在每个列5内，光源2在相同的波长范围内和/或以相同的偏振方向进行发射。对于另一波长范围和/或对于另一偏振方向，相应地适用于列6和光源3。例如光源2的激光可以具有比光源3的激光更大的波长范围。
在该实施方式的范畴中，具有不同的波长和/或不同偏振方向的光源2、3彼此相邻地布置在行7、8中。也可以使用更多或更少的行7、8或更多的列5、6(具有多于两种不同类型的光源2、3)。替代地，也能够使用一个或多个宽带光源。
如果该装置(或放置在其前方的镜，参见图3)现在如所示地旋转，则椭圆形地扫描周围环境。在现有技术中，借助相同的波长或偏振方向(或不借助优选的偏振方向)来实现这一点。通过使用不同的波长或偏振方向，可以对于每个波长或偏振方向获得一个图像，并且如上所述，可以在不同的道路状态和周围环境对象之间进行区分。在选择适合的透镜时，在此能够实现：即使对于不同的波长，所投影的点在所扫描的周围环境对象上足够近地毗邻(也参见图3)。
图2示出根据本发明的车辆9的实施方式，该车辆包括根据图1的实施方式的光学系统。在光学发送器4或位于其前面的镜旋转时，椭圆形地扫描周围环境。这通过椭圆10、11表明。椭圆10对应于例如图1中的行7，椭圆11对应于图1中的行8。
图3以俯视图示出稍微修改的光学系统1，该光学系统包括光学发送器4。至少一个光学探测器可以与光学发送器4安装在相同的壳体中，或者可以与该光学发送器独立地布置(这也适用于先前的实施方式)，然而为了清楚起见在此未示出。
光学发送器4设置用于沿着第一光束路径12和第二光束路径13向周围环境中发送多个扫描光束(两个光束路径12、13也可以代表光源2、3的列5、6，如图1所示)。
在光束路径12、13中布置有用于射束成形的光学元件14(例如透镜或透镜系统)。随后，扫描光束照射到镜面15上，该镜面使光束偏转，以便扫描周围环境。光学系统在此示例性地仅具有两个分别例如140°的分开的视场16、17。然而也可以设置具有贯通的
Figure BDA0002475006280000061
视场的实施方式。
在选择合适的光学元件14并且具有不同波长和/或偏振方向的光源2、3并排布置的情况下，即使对于不同的波长范围/偏振方向，在此所投影的点(例如对于每行7、8)也能够足够近地毗邻，并且对于相同的位置同时进行扫描(例如在如图2中所示的椭圆10、11上)。
所示出的实施方式尤其涉及具有不同光源2、3的解决方案。但是同样也能够提出，对于不同的波长范围和/或偏振方向使用宽带光源和不同的探测器。替代地，还可以仅使用宽带光源和具有转动的滤光轮或普克尔斯盒的探测器，以便在不同时间在探测器侧探测不同的波长范围和/或偏振方向。

Claims (10)

1.一种光学系统(1)，所述光学系统尤其是激光雷达系统，所述光学系统包括至少一个光学发送器(4)和至少一个光学探测器，以及一种数据处理单元，
其中，所述光学发送器(4)设置用于将扫描光束(12，13)发送到周围环境中，以便使所述扫描光束对周围环境对象进行扫描，
其中，所述光学探测器设置用于接收从周围环境中所反射的光束，
其特征在于，所述光学系统(1)设置用于，
a)探测和区分至少两个波长范围内的反射光束，和/或
b)探测和区分具有至少两个偏振方向的反射光束，
使得所述光学系统(1)借助所述数据处理单元设置用于，由所反射的光束相对于所发送的扫描光束(12，13)的差异来确定所扫描的周围环境对象的位置以及所扫描的周围环境对象的表面特性。
2.根据权利要求1所述的光学系统(1)，所述光学系统包括至少两个光学发送器(4)，所述至少两个光学发送器在不同的波长范围中发送所述扫描光束(12，13)。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统(1)，其中，一个光学发送器(4)包括至少两个光源(2，3)，所述至少两个光源在不同的波长范围中发送所述扫描光束(12，13)，并且所述至少两个光源优选地布置在共同的半导体芯片上。
4.根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(1)，其中，至少一个光学发送器(4)包括宽带光源。
5.根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(1)，所述光学系统包括至少两个光学探测器，所述至少两个光学探测器包括分别在不同的波长范围中能够透射的带通滤光器。
6.根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(1)，其中，至少两个光学发送器(4)设置用于发送具有不同偏振方向的扫描光束(12，13)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(1)，所述光学系统包括至少两个光学探测器，所述至少两个光学探测器包括分别对于不同的偏振方向能够透射的偏振滤光器。
8.根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(1)，其中，所述光学系统(1)设置用于，在运行期间在给定的时间段从具有两个不同的波长范围的和/或具有两个不同的偏振方向的至少两个扫描光束(12，13)中分别仅发射和/或探测一个扫描光束(12，13)。
9.根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(1)，其中，所述光学系统(1)设置用于，在运行期间分别在不同的方向上发射并分别从不同的方向探测具有两个不同的波长范围的和/或具有两个不同的偏振方向的至少两个扫描光束(12，13)。
10.一种车辆(9)，所述车辆包括根据以上权利要求中任一项所述的至少一个光学系统，其中，所述光学系统(1)如此安装到所述车辆(9)中，使得所述至少一个扫描光束(12，13)在所述光学系统(1)的运行中扫描所述车辆(9)的周围环境。
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