CN111971576B - 宏观的激光雷达设备 - Google Patents

Abstract

一种激光雷达设备(100)，所述激光雷达设备具有：定子元件(1)；布置在所述定子元件(1)上的转子元件(2)，所述转子元件具有发送装置和接收装置，其中，在车辆上的所述激光雷达设备(100)的符合预期的安装位置上，在所述转子元件(2)每个半旋转期间，基本上持久地能够将所述发送装置的发送射束(S)发射到指向前方的视场(FOV)中，并且基本上持久地能够从所述指向前方的视场(FOV)中接收接收射束(E)。

Description

宏观的激光雷达设备

技术领域

本发明涉及一种宏观(makroskopisch)的激光雷达设备。本发明还涉及一种用于制造宏观的激光雷达设备的方法。

背景技术

已知一种激光雷达宏扫描仪，在该激光雷达宏扫描仪中所有光学元件以及激光器和探测器布置在转子上，激光雷达宏扫描仪具有直径在厘米范围内的旋转的宏镜(Makrospiegel)。由此，在发送路径中能够引导直径在厘米范围内的射束通过进行旋转的宏镜。有利地，借助其中所有部件“进行旋转”的这种系统能够系统固有地扫描直至360°的水平视场(英：Field-of-View，FOV)。

然而，尤其在安装在车身中(即不在车顶上)时，这也是一个缺点，因为即当转子上的激光器指向车身方向时，高达2/3的时间不能够被测量。另外，通过选择大的垂直视场会给系统产生其他的缺点，例如，具有较大视场的系统通常更复杂且成本更高。

DE 197 57 848 A1公开一种用于车辆中的可旋转的激光扫描仪的结构，该结构通过使用镜来扫描监测空间，其中，也能够彼此垂直地设置多个发送装置。在此公开：如此布置和定向平面镜，使得平面镜在具有不平行的扫描方向的多个平面中使射束偏转。

US 7 295 298 B2公开一种可旋转的激光扫描仪的结构，在该结构中同样通过使用镜来扩大监测区域。公开一种用于借助至少一个光电设备来扫描车辆周围环境的方法，其中，通过镜使射束转向，以便扩大传感器的视场。

US 5 808 728公开一种用于通过发送和接收光的光学雷达设备来监测车辆周围环境的系统，其中，在雷达设备内安装有可旋转的镜。

发明内容

本发明的任务在于提供一种改善的进行扫描的宏观的激光雷达系统。

根据第一方面，本发明实现一种宏观的激光雷达设备，其具有：

-定子元件；

-转子元件，该转子元件布置在定子元件上并且具有发送装置和接收装置，其中，在激光雷达设备在车辆上的符合预期的安装位置中，在转子元件的每个半旋转期间，能够将发送装置的发送射束基本上持久地发射到指向前方的视场中，并且能够从指向前方的视场中基本上持久地接收到接收射束。

以这种方式能够有利地实现更好地充分利用进行旋转的宏观的激光雷达扫描器，因为在激光雷达设备的所谓的“黑暗阶段(Dunkelphase)”中也向前照亮视场。以这种方式能够有利地提供使激光雷达设备的扫描功率加倍，或提供扩大的垂直视场。激光雷达设备由此有利地非常适合于遮盖地安装在车辆的底盘中。结果，所提出的激光雷达设备在扫描周围环境时不具有死区时间或仅具有最小的死区时间。

根据第二方面，该任务借助一种用于制造宏观的激光雷达设备的方法来实现，该方法具有以下步骤：

-提供定子元件；

-提供转子元件，该转子元件布置在定子元件上并且具有发送装置和接收装置，其中，如此构造转子元件，使得在车辆上的激光雷达设备的符合预期的安装位置中，在转子元件的每个半旋转期间，能够将发送装置的射束基本上持久地发射到指向前方的视场中，并且能够从指向前方的视场中基本上持久地接收到接收射束。

所提出的激光雷达设备的优选实施方式是从属权利要求的主题。

激光雷达设备的一种有利的扩展方案的特征在于，在发送装置朝向车辆的阶段期间，借助转向装置能够将发送装置的发送射束发射到指向前方的视场中并且能够接收到接收射束。以这种方式，能够以少的开销以转向装置的形式实现显着扩展激光雷达设备的性能能力。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，发送路径和接收路径的转向装置包括两个镜元件，两个镜元件彼此成90度地布置并且半球形地布置在激光雷达设备的朝向车辆的区域中。以这种方式，激光雷达设备的视场在运行期间基本上持久地指向前方，由此能够为激光雷达设备实现更高的采样率。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，发送路径和接收路径的转向装置包括两个镜元件，所述两个镜元件彼此成大于或小于90度地布置并且半球形地布置在激光雷达设备的朝向车辆的区域中。以这种方式，在激光雷达设备的黑暗阶段中能够实现相对于水平视场向上或向下偏转的视场，即垂直扩大的视场。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，分别为发送路径和接收路径设置自己的转向装置。通过将发送路径和接收路径的透镜元件彼此上下地布置来实现这一点。由此有利地提供如下的双轴系统：在该双轴系统中发送路径和接收路径彼此分离。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，为发送路径和接收路径设置一个共同的转向装置。借助在转子元件处的在一个平面中略微地彼此并列构造的透镜元件能够以简单的方式来实现这一点。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，转向装置包括以下中的至少一个：镜元件、棱镜、轴锥镜(Axikon)。以这种方式能够有利地使用不同的元件来实现转向装置。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，转向装置布置在激光雷达设备上或在车辆上。有利地，在此为激光雷达设备提供不同的实现可能性，其中，在转向装置布置在激光雷达设备上的情况下，有利地基本上避免转向装置上的污染问题，并且光学状况基本上始终保持不变。

激光雷达设备的另一有利的扩展方案设置，激光雷达设备构造用于，在黑暗阶段内在沿着转向装置的光学路径上执行空间上的激光射束扩展。由于通过对转向装置的有利的成型(例如拱曲)进行空间上的修正(Entzerrung)，在相同的射束功率下的光学功率密度下降，由此产生人眼安全方面的优点。借此，在黑暗阶段中能够提高激光雷达设备的激光束功率，以便以更大的距离扫描激光雷达设备前的对象。因此对于激光雷达设备能够有利地实现关于作用范围的两个运行模式，其中，该激光雷达设备在明亮阶段(Hellphase)中具有较小的作用范围，而在黑暗阶段中具有较大的作用范围。这能够通过如下引起：由于在明亮阶段和黑暗阶段中不同的路径长度而导致的激光束的不同射束扩展。

附图说明

下面根据多个附图详细描述本发明的其他特征和优点。相同或功能上相同的部件在此具有相同的附图标记。附图尤其旨在阐明对于本发明必不可少的原理，并且不一定按比例实施。为了清楚起见可以设置，并非在所有附图中都绘制全部的附图标记。

公开的设备特征类似地由相应的公开的方法特征得出，反之亦然。这尤其意味着，从用于制造宏观的激光雷达设备的方法的相应的实施方案、特征和优点中得到与宏观的激光雷达设备有关的特征、技术优点和实施方案以类似的方式，反之亦然。

附图示出：

图1示出常规的进行扫描的宏观的激光雷达设备的俯视图的基本图示；

图2示出具有对进行扫描的激光雷达设备所谓的明亮阶段和黑暗阶段的阐述的基本图示；

图3示出所提出的进行扫描的激光雷达设备的第一实施方式的明亮阶段的图示；

图4示出所提出的进行扫描的激光雷达设备的一种实施方式的黑暗阶段的图示；

图5示出所提出的进行扫描的激光雷达设备的第二实施方式的明亮阶段的图示；

图6示出所提出的进行扫描的激光雷达设备的所述第二实施方式的黑暗阶段的图示；

图7示出所提出的进行扫描的激光雷达设备的所述第二实施方式的黑暗阶段的图示；

图8示出用于制造宏观的激光雷达设备的方法的一种实施方式的流程的基本图示。

具体实施方式

图1示出常规的激光雷达设备100的示意性俯视图。可以看到转子元件1，在该转子元件上布置有第一透镜元件10和第二透镜元件11。表明视场FOV，该视场在车辆200上的激光雷达设备100的符合预期的安装位置中指向前方。通过箭头表明激光器的发送射束。因此，期望将激光雷达设备100安装在车辆200中，因为应将激光雷达设备100尽可能不显眼地集成在车辆200中。然而，通过遮盖的安装位置，视场FOV不再能够在360°的范围内使用。然而对于所描述的系统，当转子元件1的进行测量的部分恰好位于视场FOV之外时，视场FOV的减小总是伴随着测量时间的减少。

本发明的核心思想尤其在于提供一种能够更有效运行的宏观的、进行扫描的激光雷达系统。

这通过如下方式实现：将激光雷达设备100构造成在每个半旋转期间激光雷达设备100的视场持久地指向前方。这通过以下详细阐述的技术手段来实现。

图2示出对进行扫描的激光雷达设备的明亮阶段和黑暗阶段的阐述。明亮阶段的特征在于，进行扫描的激光雷达设备的布置在定子元件1上的转子元件2的发送和接收光学器件(构造成圆形的透镜元件10、11)在行驶方向上能够自由地看到车辆周围环境中。在黑暗阶段中，相同的元件10、11在车辆的安装位置处朝向车身，因此不能看到周围环境中。

在图2a)中可以看到，因为射束(未示出)指向前方，所以不存在通过车身导致的阴影。在图2b)中，明亮阶段过渡到通过车辆的车身导致的阴影中。在图2c)中示出的从现在开始的黑暗阶段中，由于发送射束指向后方，存在发送射束的通过车身导致的阴影。最后在图2d)中示出，仍存在通过车身导致的阴影，其中，转子元件2的旋转周期随后又以图2a)的情况在明亮阶段中开始。

所提出的激光雷达设备100的一种实施方式需要使用转向光学器件(例如转向镜)，所述转向光学器件要么是激光雷达设备100的整体部分的一部分，要么布置在车辆上。

在发送射束和接收射束S、E在明亮阶段和黑暗阶段中的偏转情况下的由此实现的光学效果在图3和4中更详细地阐述。图3示出激光雷达设备100在明亮阶段中的常规运行。在黑暗阶段中，被转向的射束能够平行于明亮阶段中的射束的平面地或从所述平面发散地偏转。这根据转向装置20、30的设置而发生。在此设有第一转向装置20，用以将发送射束S在黑暗阶段中转向并且将该发送射束引导越过激光雷达设备朝向前方进入视场中。设有第二转向装置30，该第二转向装置将到达激光雷达设备下方的接收射束E引导到透镜元件11上并且进入激光雷达设备100的内部。

如果转向装置20、30可旋转或可调节地支承，则在运行中能够映射可变的功能，例如根据驾驶场景(例如城市自动驾驶需要在近场中识别人行道边缘，因此需要非常大的视场)。转向装置或转向光学器件优选构造成例如涂覆铝的镜元件，但是也可以构造成无源的棱镜或轴锥镜。转向装置20、30必须围绕传感器的旋转轴径向对称地延伸，以便转向装置在整个黑暗阶段上满足所期望的光学转向功能。

图3示出明亮阶段中的所提出的宏观的激光雷达设备100的第一实施方式。可以看出，借助第一透镜元件10将发送射束S向前引导到周围环境中，其中，借助第二透镜元件11接收到接收光束E。转向装置10、20优选构造成半球形的镜，其半球形地构造在激光雷达设备100的后部区域中。转向装置20、30优选是激光雷达设备100的整体部分，然而也能够设想将转向装置20、30布置在车身上。

如在图4中示出，在激光雷达设备100的黑暗阶段中，执行将发送射束S转向到第一转向装置20上，由此实现将发送射束S引导越过激光雷达设备100朝向前方进入周围环境。与此类似地，将接收射束E引导到第二转向装置30上通过第二透镜元件11进入激光雷达设备100的内部。

由于转向装置20、30的镜在轴线上彼此成直角地布置的这一事实，发送射束S和接收射束E彼此平行地定向，由此在图3和图4的布置中，不仅在明亮阶段中而且在黑暗阶段中都实现激光雷达设备100的朝向前方进入视场的相同的扫描特性。结果，由此能够实现使激光雷达设备100的采样率或帧率加倍。借助将转向装置20、30构型为镜元件的成本有利的构型能够有利地实现这一点。

结果由此实现，在转子元件2的每个半旋转中，将激光雷达设备100的发送装置(未示出)的射束向前发射。以这种方式，因为扫描射束始终指向前方，结果借助宏观的激光雷达设备100能够有利地实现更高的帧率。

图5示出宏观的激光雷达设备100的另一实施方式。可以看出，发送路径和接收路径的透镜元件10、11现在布置在一个平面中并且在侧面彼此偏移地布置在转子元件2上。在该变型方案中仅需要单个转向装置20，该转向装置优选构造成半球形布置的、彼此成直角构造的镜元件。由此，发送射束和接收射束S、E能够彼此平行地构造，由此，不仅在明亮阶段中而且在黑暗阶段中在激光雷达设备100前方照亮相同的视场，除了与通过激光雷达设备100进行的周围环境扫描无关的最小横向位移之外。结果，在这种情况下也能够再次提高图像重复率(Bildwiederholrate)。

图6示出在黑暗阶段中的来自图5的激光雷达设备100，其中，相比于通过透镜元件11的接收射束E，通过透镜元件10限定的发送射束S更早照射到第一转向装置20上。为了清楚起见，用于发送路径的转向装置20的镜元件未彼此成90°布置地示出，其中，但是可以理解的是不仅发送路径而且接收路径使用唯一的转向装置20，其镜元件彼此成90°地布置。

结果，仅需要唯一的转向装置20，由此，相比于图3和图4中的变型方案，激光雷达设备100的结构形式能够有利地构造得更低。结果，对于激光雷达设备100在这种情况下也实现双轴设计，在该双轴设计中，发送路径和接收路径彼此分离地构造。也能够设想具有同轴布置的发送路径和接收路径的与此类似的实施方式，所提及的优点能够转移到该实施方式中。

图7示出在黑暗阶段中的所提出的激光雷达设备100的另一实施方式。在这种情况下，第一转向装置20具有镜元件，所述镜元件彼此成大于90°的角度布置。结果，由此在明亮阶段(未示出)中照亮取向基本上水平向前的视场，其中，由于镜元件的所提及的相对彼此的倾斜，在黑暗阶段中照亮相对于明亮阶段垂直偏转的视场。结果，由此借助信号处理能够有利地为激光雷达设备100实现扩大垂直的图像区域。

尽管在图7中以在一个平面中的透镜元件10、11的变型方案示出这种设计，但可以理解，对于具有在彼此上下地布置的平面中的透镜元件的激光雷达设备的变型方案也能够实现能实现这种设计(未示出)。

总之，借助本发明提出一种光学宏扫描仪，在该光学宏扫描仪中激光器和探测器在平台上旋转，其中，当将宏扫描仪安装在车身的外侧处时，根据结构形式能够交替地实现提高帧率或扩大垂直图像区域。

有利地，将第二发送和接收路径添加到所提出的宏扫描仪中，由此能够通过两个辐射路径(而不是如现有技术中的单个辐射路径那样)来扫描视场。有利地，由此导致宏观的激光雷达设备不存在测量死区时间，由此提高传感器的图像速率或增大垂直像场。

借助无源的、成本有利的、例如以涂覆铝的镜的形式的转向装置能够实现这一点。

尽管在所提出的方案中使垂直像场或图像速率加倍，由此不会使所使用的元件的数量加倍，由此能够成本有利地实现所提出的激光雷达设备。借此，结果基本上保持激光雷达设备的结构尺寸或仅略微增加其结构尺寸。通过使用转向装置，系统能够在技术上保持不变。所发送的激光功率可以在传感器的前侧和背侧之间瞬时地、无损耗地且无源地切换。

在一种有利的实施方式中，除了以上阐述的双轴变型方案，所提出的激光雷达设备也能够构造成同轴系统(具有相同的发送和接收路径)。

借助所提出的激光雷达设备100的以上阐述的变型方案，有利地能够实现将激光雷达设备100的转子的整个旋转时间用作激活的测量时间。

图7示出所提出的用于制造激光雷达设备100的方法的实施方式的原理流程图。

在步骤300中提供定子元件1。

在步骤310中，执行提供布置在定子元件1上的转子元件2，该转子元件具有发送装置和接收装置，其中，如此构造转子元件2，使得在车辆上的激光雷达设备100的符合预期的安装位置中，在转子元件2的每个半旋转期间，能够将发送装置的射束基本上持久地发射到指向前方的视场FOV中，并且能够从指向前方的视场FOV中基本上持久地接收到接收射束E。

有利地，步骤300和310的顺序是任意的。

本领域技术人员应认识到，在不脱离本发明的核心的情况下，能够实现本发明的多个变型方案。

Claims (5)

1.一种激光雷达设备(100)，所述激光雷达设备具有：

定子元件(1)；

转子元件(2)，所述转子元件布置在所述定子元件(1)上并且具有发送装置和接收装置，其中，在所述激光雷达设备(100)在车辆上的符合预期的安装位置中，在所述转子元件(2)的每个半旋转期间能够将所述发送装置的发送射束(S)基本上持久地发射到指向前方的视场(FOV)中并且能够从所述指向前方的视场(FOV)中基本上持久地接收到接收射束(E)，其中，在所述发送装置朝向所述车辆的阶段期间，借助转向装置(10，20)能够将所述发送装置的发送射束(S)发射到所述指向前方的视场(FOV)中并且能够接收到所述接收射束(E)，所述发送和接收路径的转向装置(20)包括如下的两个镜元件：所述两个镜元件彼此成大于或小于90度地布置并且半球形地布置在所述激光雷达设备(100)的朝向所述车辆的区域中，其中，对于所述发送和接收路径设有自己的转向装置(10，20)。

2.根据权利要求1所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，对于所述发送和接收路径设有一个共同的转向装置(10)。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述转向装置(10，20)包括以下中的至少一个：镜元件、棱镜、轴锥镜。

4.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述转向装置(10，20)布置在所述激光雷达设备(100)上或在所述车辆上。

5.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述激光雷达设备(100)构造成在黑暗阶段内在沿着所述转向装置(10)的光学路径上执行空间上的激光射束扩展。