CN112099049A - 具有改善像差特性的光学装置和具有装置的激光雷达设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种光学装置，其尤其用于激光雷达设备，其具有带有多个μ透镜的透镜阵列和用于对来自扫描区域的射束进行偏转或将射束偏转到扫描区域中的物镜，其中，所述物镜布置在扫描区域和透镜阵列之间的射束路径中，其中，所述装置具有在辐射方向上布置在所述透镜阵列的前面或后面的至少一个楔阵列，所述至少一个楔阵列具有多个楔元件，其中，所述楔元件的数量等于所述μ透镜的数量。此外，公开了一种激光雷达设备。

Description

具有改善像差特性的光学装置和具有装置的激光雷达设备
技术领域
本发明涉及一种光学装置，该光学装置尤其用于激光雷达设备，该光学装置具有透镜阵列和物镜，所述透镜阵列具有多个μ透镜，所述物镜用于对来自扫描区域的射束进行偏转或将射束偏转到扫描区域中，其中，该物镜布置在扫描区域和透镜阵列之间的射束路径中。此外，本发明涉及一种激光雷达设备。
背景技术
已知实施为激光扫描仪系统的激光雷达设备。这种类型的系统通常在发送侧使用微光学元件来产生射束扩展。这发生在没有视野的或扫描区域的角度损失的情况下。该射束扩展一方面用于提高对于发送和或接收物镜的局部污染的系统稳健性，另一方面该射束扩展用于提高人眼安全性和发送更多光功率的可能性。
然而，这种激光雷达设备的问题在于以下事实：在发送侧扫描远离光轴的μ透镜元件时，根据扩展的发送射束直径的设计和所照射到的μ透镜元件至光轴的间距，将发送信号的不同大小的区域直接偏转到发送-接收透镜的孔口中。因此，这些“切除的(abgeschnitten)”部分不再进入到扫描区域中，由此根据扫描角度，在相邻的光斑之间的测量区域的目标距离中可能产生不同大小的间隙或阴影。
发明内容
本发明所基于的任务可以看作，提出一种激光雷达设备和一种光学装置，其可以在没有光斑阴影的情况下使用物镜的完整视场角对扫描区域进行扫描并使像差最小化。
该任务通过根据本发明的技术方案来解决。本发明的有利构型是优选的实施方式。
根据本发明的一方面，提供一种特别是用于激光雷达设备的光学装置。该光学装置具有透镜阵列和物镜，该透镜阵列具有多个μ透镜，该物镜用于对来自扫描区域的射束进行偏转或将射束偏转到扫描区域中。物镜优选布置在扫描区域和透镜阵列之间的射束路径中。此外，该装置具有至少一个楔阵列，所述至少一个楔阵列在辐射方向上布置在透镜阵列的前面或后面并且具有多个楔元件。楔元件的数量优选等于μ透镜的数量。
根据本发明的另一方面，提供一种激光雷达设备，该激光雷达设备用于产生射束并且用于借助射束对扫描区域进行扫描。激光雷达设备具有发送单元和接收单元，该发送单元用于产生射束并用于对射束沿扫描区域进行偏转，该接收单元具有用于接收反射射束的至少一个探测器。发送单元和/或接收单元具有根据本发明的光学装置。
物镜可以由一个或多个透镜构成。此外，物镜可以具有集成的或布置在物镜上的孔口，以限制最大出射面积。
通过透镜阵列和楔阵列的组合使用可以如此影响射束，使得在物镜的边缘区域中不再出现所谓的光斑区段或光斑阴影。一个优点是，在没有这种光学装置的情况下被发射到物镜的孔口中的发送信号的和接收信号的部分都可以被转向并穿过物镜。
该光学功能例如可以通过在所使用的透镜阵列的背侧上或背侧前布置为楔结构的楔阵列来实现。替代地或附加地，光学功能可以通过光栅或衍射光学元件或全息光学元件来实现。
在使用具有附加地置于后面的或集成的楔阵列的透镜阵列的情况下，可以通过匹配的楔角或光栅对发送光斑的边缘区域进行偏转，由此物镜的孔口不再被光斑或射束照射。对光斑进行如此转向，使得该光斑仍然可以穿过物镜的允许光通过的区域。在穿过物镜后，受楔阵列或衍射光学元件影响的和不受楔阵列或衍射光学影响的光斑区域可以立即重叠。然而，在待探测的区域的或扫描区域的目标距离中，这些光斑区域又精确地形成所期望的射束直径。由此，可以在没有发送侧的光斑区段的情况下将物镜的全视场角用于对扫描区域进行扫描。由此，尤其可以实现更有效地充分利用发送功率。替代地或附加地，发送光斑也可以相对于光轴以一角度错位地从物镜被引导出来。由此，可以在设置的目标距离中再次达到所期望的光斑位置，其中，同时避免射束重叠。
光学装置可以优选地在激光雷达设备中在发送侧和/或在接收侧使用。
优选地，透镜阵列与光学装置的楔阵列的组合可以用于优化光学装置的像差特性。为此，例如透镜阵列的μ透镜可以相对于楔阵列的楔元件转动，或者可以将楔元件在射束的发射方向上布置在μ透镜的后面。尽管采取了这些措施，但是所产生的射束的出射角可以基本上保持不变。
根据一种实施方式，楔阵列构型为衍射光学元件或全息光学元件，其至少在一侧被施加到透镜阵列上或与透镜阵列间隔开地布置在射束的射束路径中。该措施可以用于不仅在发送侧而且在接收侧防止光斑区段。这样的光学功能可以例如借助衍射光学器件来实现。代替光学的或常规的楔阵列可以使用光栅阵列，该光栅阵列将发送射束或接收射束偏转到所期望的角度。
根据另一实施例，楔阵列的楔元件具有带有斜的面和平坦的面的三角形横截面，其中，楔元件的平坦的面面向μ透镜的平坦的面。如果楔元件在来自具有这样的光学装置的激光雷达设备的射束的发射方向上布置在μ透镜的后面，则在此可以实现光学装置的特别有利的像差特性。因此，所产生的射束必须在第一步骤中穿过μ透镜，并且接下来可以通过楔元件进行附加地校正或偏转。由此可以使光学装置的像差最小化。
楔阵列的至少一个面优选地在径向上远离对称轴并且远离透镜或透镜阵列地定向。由此，楔阵列可以直接对准到达(ankommend)的射束。所述到达的射束可以是由发送单元产生的射束或在扫描区域中反射的或反向散射的射束。
根据另一实施方式，至少一个楔元件具有如下高度：该高度等于至少一个μ透镜的高度或小于至少一个μ透镜的高度。由此，可以对射束的一部分进行偏转或可以对所有射束通过相应的楔元件进行偏转，所述射束对μ透镜进行曝光。由此，尤其得出光学装置的构造中更高的灵活性和设计自由度。
相应的楔结构或楔元件的高度可以相应于μ透镜的所使用的节距。根据光学装置的实施方式，该高度尤其可以恒定地或沿着楔阵列的延伸可变化地构型。由于信号的入射角根据至光轴的间距而变得更陡，因此必须与此相应地匹配楔角。随着至光轴的间距变得更大，楔或面之间的间距也增大。有利地，整个结构可以构造成相对于光轴或对称轴径向对称。
根据另一实施方式，楔阵列在辐射方向上与透镜阵列间隔开或与透镜阵列连接。由此，除了楔形的区段或面的构型之外，还可以通过至透镜的间距来匹配光学元件对辐射的影响。单独的光学元件尤其可以构型为改造解决方案，并且可以在已经运行的激光雷达设备中补充地安装。
根据另一实施方式，楔阵列与透镜阵列整体地构型。替代地，楔阵列可以与透镜阵列材料锁合地连接。尤其可以将楔阵列或楔元件施加到透镜阵列的背侧上，使得透镜阵列的通常平坦的面构型为楔阵列。因此，可以提供紧凑的在两侧配备有光学功能的阵列或光学元件，其可以最佳地匹配于物镜的视场角。
根据另一实施例，透镜阵列的至少一个μ透镜相对于楔阵列的至少一个楔元件倾斜一旋转角。由此，由楔元件偏转的射束可以以直角照射到相应的μ透镜的平坦的面上，由此尤其可以使像差的出现最小化。优选地，可以给每个μ透镜分配一个楔元件。因此，可以提供具有相等数量的μ透镜和楔元件的光学元件。
根据一种有利的实施方式，透镜阵列的每个μ透镜具有独立的旋转角。由此可以实现一种如下布置：在该布置中射束穿过物镜到扫描区域中的出射角相应于在没有楔元件的情况下的角度。因此，射束的出射角不受楔阵列的使用的影响。
为了尽管各个μ透镜元件的旋转仍可以使μ透镜的相应的焦点对准物镜的焦平面，整个透镜阵列的或μ透镜阵列的凹的结构形式是有利的。由此可以使物镜与楔阵列以及μ透镜阵列之间的空间需求最小化。
根据另一实施例，至少一个μ透镜的旋转角相应于至少一个楔元件的偏转角，该偏转角被分配给相应的至少一个μ透镜。至少一个μ透镜的旋转角可以优选地对于每个单个μ透镜元件变化并且取决于至光轴的径向间距。随着至光轴的径向间距增大，旋转角和偏转角例如可以选择得更大。射束的出射角可以通过物镜的焦平面上的所选择的旋转中心或光轴来改变。
优选地，光学装置可以使用在汽车激光雷达系统、消费者领域、建筑业、手工业者领域、火车、无人机、工业中，例如自动化技术、生产环境等。
附图说明
下面根据极其简化的示意图更详细地阐述本发明的优选实施例。附图示出：
图1示出根据一种实施例的激光雷达设备的示意图；
图2，3示出在扫描区域中的目标距离中的期望发送光斑布置和实际发送光斑布置的示意图；
图4示出根据一种实施方式的光学装置的详细视图；
图5示出根据另一实施方式的光学装置的详细视图；
图6示出μ透镜阵列的截面图；
图7示出来自图6和图7的μ透镜阵列的立体图；
图8-17示出带有光学装置楔元件的μ透镜的示意图。
具体实施方式
图1示出根据一种实施例的激光雷达设备1的示意图。激光雷达设备1用于产生射束2并且借助射束2对扫描区域A进行扫描。激光雷达设备1具有发送单元4，该发送单元具有激光器6作为用于产生射束2的辐射源。
所产生的射束2通过发送单元4的可运动的镜8被连续地偏转。可运动的镜8可以构型为可枢转的μ镜并且周期性地振荡，由此对扫描区域A进行扫描。镜8由发送单元4与接收单元10共同使用。
由镜8偏转的射束2被通过准直透镜12进行聚束或者尽可能平行地成形，并且由转向镜14横向于激光器6的发射方向地转向。经转向的射束3沿着第一光轴OA1发射到光学装置16上。
光学装置16具有μ透镜阵列17并且将在下面更详细地描述。光学装置16在射束3被引导到分束器18和发送光学器件20之前对该射束3产生作用。发送光学器件20用于将射束3发射到扫描区域A中。
根据该实施例，发送光学器件20被实施为组合的发送-接收光学器件20，并且也由接收单元10使用。发送-接收光学器件20具有物镜22和孔口24。物镜22同样可以实施为光学装置16的组成部分。根据激光雷达设备1的构型，尤其可以设置仅一个光学装置16，该光学装置同样可以用于所产生的射束3和所接收的射束28。
在扫描区域A中——例如在对象26处——反向散射或反射的射束28由发送-接收光学器件20接收，并经由分束器18被引导到接收单元10的光学装置16上。接收单元10的和发送单元4的光学装置可以相同地或不同地构型。
在穿过光学装置16之后，射束28被引导到转向镜30上。经转向的射束通过转向镜30被转向到第二光轴OA2上，其中，第二光轴OA2可以平行于第一光轴OA1地延伸。经转向的射束29经由聚焦透镜32并且经由可枢转的镜8被再次引导到探测器34上。
通过镜8的运动及其交替运动，发送射束2、3通过光学装置16进行扫描。然后，发散的发送射束通过透镜阵列17的每个μ透镜元件被投射到发送-接收光学器件20上，在该发送射束扩展前可以离开激光雷达设备1进入到扫描区域A中。在位于场A中的对象26处发生反射/散射之后，信号28再次穿过发送-接收光学器件20，并且经由上述光学元件被偏转到探测器34上。
图2和图3以示意图示出在扫描区域A中的目标距离中的期望发送光斑布置和实际发送光斑布置，以阐明现有技术中的问题。图2示出三个不同的期望光斑布置。在图3中示出图2中所示的实际的期望光斑布置。常规扫描仪系统的固有问题是如下事实：在发射侧在远离光轴的μ透镜元件上进行扫描时，根据经扩展的发送射束直径的设计和所照射到的μ透镜元件至光轴的间距，将发送信号的不同大小的区域直接偏转到发送-接收透镜的孔口24中。这在图4中阐明。因此，所述“切除的”部分36不再进入到扫描区域A中或发送-接收光学器件20的物镜22上，由此根据镜8的扫描角度，在相邻的光斑之间的测量区域的目标距离中产生8个不同大小的间隙。图3在左侧示出“经切除的”光斑。
这意味着，所使用的物镜22的全视场角在没有在此产生最大直至原始直径的一半的光斑区段36的情况下绝不能够使用。
根据经扩展的发送射束3的直径，从关于光轴OA1的确定的μ透镜高度起通过发送-接收光学器件20的孔口24对发送射束3进行切除。μ透镜元件17至光轴OA1的间距被转换成场中的偏转角(视场角，缩写FoV)。发送射束直径越大，已经切割发送光斑3的整个直径的视场角就越小。
图4示出根据一种实施例的光学装置16的详细视图。在此示出了楔阵列40的楔元件42，该楔元件没有集成到μ透镜阵列的μ透镜17中，而是与相应的μ透镜17间隔开。为了简单起见，图4仅示出一个楔元件42和一个μ透镜17，它们是光学装置16的一部分。然而，光学装置16具有多个楔元件42和μ透镜17，它们分别面式地布置成阵列。特别地阐明具有和不具有楔元件42的光学装置16的光学功能。射束路径在发送侧或在接收侧通过μ透镜17和置于后面的物镜22表示。尤其在没有楔元件42的射束3'和具有楔元件42的射束3之间的比较下示出射束路径。
不是仅对穿过μ透镜17的信号3的一部分、而是对整个信号3以角度如此偏转，使得其不照射到物镜孔口24中。
信号3在发送侧借助穿过楔元件42的角度差被引导到物镜22上，由此该信号照射在物镜22上的不同的位置上，而不照射到物镜孔口24中。如此选择角度差，使得射束或发送信号在探测空间A的目标距离中照亮相同的对象点。
因此，对于激光雷达设备1也能够实现在没有光斑区段36的情况下完全以相同角度再次收集从照亮的对象点26反向散射的光28，并且对光28在探测器34的方向上轴向平行于楔阵列40进行偏转。
图5示出了根据另一实施方式的光学装置16的详细视图。与图4不同，在光学装置16的情况下，由于楔元件42使射束偏转角度δK，射束3不平行于光轴OA地照射到μ透镜17上。由此就可以避免产生像差，特别是像散(Astigmatismen)。所述成像误差导致所发射的射束3的成像质量在扫描区域A中变差，并且在对象间距增大的情况下不再能够投射出限定的光斑。结果显着减小了系统作用范围和系统角度分辨率。
在具有楔元件-μ透镜组合的光学装置16的情况下，可以通过相应的μ透镜17的旋转来消除成像误差的问题。μ透镜17的旋转角δμL始终相应于楔元件42的偏转角δK。该旋转角δμL可以对于每个单个楔元件42或每个单个μ透镜17变化并且取决于至光轴OA1(图6)的径向间距。射束的出射角δObj,MK可以通过在物镜22的焦平面上所选择的旋转中心来改变。为了说明，示出在具有楔元件42的情况下射束3的出射角δObj,MK和在没有楔元件42的情况下射束3的出射角δObj,OK。
根据所示的实施例，射束3、3'在发射方向Z上被引导到光学装置16上。
图6和图7示出了μ透镜阵列27的示图。为了尽管各个μ透镜17旋转仍可以将相应的焦点放置在物镜22的焦平面上，整个μ透镜阵列27的凹的结构形式是必需的。由此，可以使物镜22和μ透镜阵列27之间的间距最小化。为了阐明μ透镜阵列27的曲率，在图7中未示出μ透镜27。
根据在x方向和/或y方向上至光轴OA1的间距，相应的μ透镜27具有不同的旋转角δμL。旋转角δμL尤其可以随着间距增大而选择得更大。
图8至图17示出了具有光学装置16的相应楔元件42的μ透镜17的示意图。尤其示出了各个元件组合的不同结构形式。
图8、10、12、14示出了如下的结构形式：在所述结构形式中，首先楔元件42和接下来μ透镜17在射束方向Z上连接在后面。在此，楔元件42可以与相应的μ透镜17间隔开或者可以与相应的μ透镜17集成地连接。由于由楔元件42偏转的射束倾斜地照射到μ透镜17的平坦的面44上，所以可能产生像差，因为仅在μ透镜17之后才发生通过楔元件40使射束偏转角度δK。
图9、11、13、15相对于图8、10、12、14示出了μ透镜17和楔元件42的镜面倒置的布置。因此，首先布置μ透镜17并且接下来在辐射方向Z上布置楔元件42。μ透镜17如此布置，使得平坦的面44背向从辐射方向Z入射的射束。由此，对于每个μ透镜17，入射射束3可以保持平行于光轴OA。这可以在相应的μ透镜17不旋转的情况下实现。由于μ透镜阵列27以此可以平坦地或板状地实施，因此可以使用标准部件。
在图16和17中，μ透镜17和楔元件42类似于图8、10、12、14布置，但是设置μ透镜17相对于楔元件42的旋转，由此使结构空间需求和成像误差的出现最小化。

Claims (10)

1.一种光学装置(16)，所述光学装置尤其用于激光雷达设备(1)，所述光学装置具有透镜阵列(27)和物镜(22)，所述透镜阵列具有多个μ透镜(17)，所述物镜用于对来自扫描区域(A)的射束(3)进行偏转或将所述射束(3)偏转到所述扫描区域(A)中，其中，所述物镜(22)布置在所述扫描区域(A)与所述透镜阵列(17)之间的射束路径中，其特征在于，所述装置(16)具有至少一个楔阵列(40)，所述至少一个楔阵列在辐射方向(Z)上布置在所述透镜阵列(17)的前面或后面并且具有多个楔元件(42)，其中，所述楔元件(42)的数量等于所述μ透镜(17)的数量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述楔阵列(40)构型为衍射光学元件或全息光学元件，所述衍射光学元件或全息光学元件至少在一侧被施加到所述透镜阵列(27)上或在所述射束(3)的射束路径中与所述透镜阵列(27)间隔开地布置。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述楔阵列(40)的楔元件(42)具有三角形横截面，所述三角形横截面具有斜的面和平坦的面，其中，所述至少一个楔元件(42)的平坦的面面向所述至少一个μ透镜(17)的平坦的面(44)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个楔元件(42)具有如下高度：所述高度等于所述至少一个μ透镜(17)的高度或小于所述至少一个μ透镜(17)的高度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述楔阵列(40)在辐射方向(Z)上与所述透镜阵列(27)间隔开或与所述透镜阵列(27)连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述楔阵列(40)与所述透镜阵列(27)整体地构型。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述透镜阵列(27)的至少一个μ透镜(17)相对于所述楔阵列(40)的至少一个楔元件(42)倾斜一旋转角(δμL)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述透镜阵列(27)的每个μ透镜(17)具有自身的旋转角(δμL)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述至少一个μ透镜(17)的旋转角(δμL)相应于所述至少一个楔元件(42)的偏转角(δK)，所述偏转角被分配给所述相应的μ透镜(17)。
10.一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备用于借助射束对扫描区域(A)进行扫描，所述激光雷达设备具有发送单元(4)和接收单元(10)，所述发送单元用于产生射束(2)并且用于对射束(3)沿着所述扫描区域(A)进行偏转，所述接收单元具有至少一个探测器(34)，所述至少一个探测器用于接收经反射的射束(28)，其特征在于，所述发送单元(4)和/或所述接收单元(10)具有根据以上权利要求中任一项所述的光学装置(16)。
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