CN113348375A - 光学系统、尤其是激光雷达系统以及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学系统(11)、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(12)和至少一个光学探测器(13)。所述光学发送器(12)设置用于将扫描光束沿着第一射束路径(14)发射到周围环境中。所述光学探测器(13)设置用于沿着第二射束路径从周围环境接收经反射的光束。在所述第一射束路径(14)和所述第二射束路径中的至少一个射束路径中，两个相互倾斜90°的镜面(15、16)将所述光束从第一平面转向到与所述第一平面平行的第二平面中。这种类型的已知的光学系统仅具有有限的视场，并且不允许垂直于扫描平面的均匀的扫描。根据本发明，所述镜面(15、16)如此可旋转地被支承并且相互耦合，使得在所述镜面共同围绕垂直于所述两个平面的旋转轴旋转时实现对周围环境的扫描，使得在所述旋转期间不出现所述光束的倾斜。所述扫描光束的射束成形至少部分地通过所述两个镜面(15、16)的曲率来实现和/或至少部分地通过所述第一射束路径(14)中的射束成形器(17)来实现。此外，本发明还涉及一种包括这样的光学系统(11)的车辆。

Description

光学系统、尤其是激光雷达系统以及车辆

技术领域

本发明涉及一种光学系统、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将扫描光束沿着第一射束路径发射到周围环境中，其中，光学探测器设置用于沿着第二射束路径从周围环境接收经反射的光束，其中，在第一射束路径和第二射束路径中的至少一个射束路径中，相互倾斜90°的两个镜面将光束从第一平面转向到与第一平面平行的第二平面中。

背景技术

光学系统，例如尤其是激光雷达系统(英语：light detection and ranging)，主要用作与雷达近似的、用于光学的间距测量和速度测量的方法。然而，与雷达不同地，能够以更高的精度测量明显更小的且更近的对象，由此，该技术近年来尤其对于车辆的周围环境测量而言越来越重要。

然而，已证明为困难的是：在不使用多个光学发送器和光学探测器的情况下实现光学系统的大的视场(FoV，英语：Field of View)。进行扫描的激光雷达系统通常使用转动元件，以便实现通常在水平方向上的空间分辨率。在此存在两种方案：

在方案1的情况下，整个系统与光学发送器(通常包括一个或者多个激光器)和光学探测器一起转动。这具有如下缺点：必须实现到旋转元件上的功率供应和数据传递。

方案2绕开方案1的缺点，其方式是，只有射束偏转光学器件转动，其中，光学发送器是位置固定的且通常光学探测器也是位置固定的。

旋转的光学器件通常是镜，该镜不仅使所发射的射束、还使所接收的射束在一定的角度范围内偏转。在这里也存在两种方案。一方面存在系统，在所述系统中，射束在射束偏转之前和之后位于一个平面上。这种变型的缺点在于，在更大的射束偏转角度的情况下，有效的发送面和探测器面变小，因为有效的镜面降低。由此，能够实现的水平的FoV的角度跨度(Winkelspannen)是有限的，并且该系统的分辨率和精度对于更大的偏转角度而言越来越差。在0°的角度下会实现最大的发送面和探测器面(扫描光束的直接背向反射)。然而在此，所发射的射束或者所接收的射束会被光学发送器或者光学探测器所阻挡(blockieren)。出于这个原因，通过这个变型只能够照明通常10°至150°或者-10°至-150°的角度范围(其中，所述角度表示镜面相对于光束的垂直入射的旋转角度)。即，视场具有死角。由于对于大多数应用而言，FoV必须是连续的，因此，通常仅使用一侧、即例如10°至150°。

这种解决方案例如由US 2015 268 331 A1和DE 10 2010 047 984 A1已知。

替代地，存在布置，在所述布置中，射束通常偏转90°。在这种变型中，能够以简单的方式能够实现360°的FoV。然而，当在不同角度下发射多个像素时或者当发射激光线时，存在下述缺点：如果已经成形为激光线的激光束在为大约45°的角度下入射到偏转光学器件上，则在线定向(Linienorientierung)不旋转的情况下不能够在大的空间角度上实现线照明，因为在大的角度的情况下，竖直定向的线在水平的线的方向上倾斜。因此，这意味着：在较大的偏离角度(Auslenkwinkeln)的情况下，视场的竖直延展尺度会变小。然而，在大多数应用的情况下，这是不期望的并且会与角度相关地使系统的精度降低。

WO 2011/150942 A1涉及一种风力涡轮机，并且尤其公开了一种用于借助于激光雷达系统确定风速的改善的多普勒风速计。在一种特别的实施方式中，为了简化构造而提出，将对应的激光雷达系统紧固在定子上并且通过可旋转地被支承的偏转镜来实现用于跟踪风向的射束路径。另外，为了射束路径到风向的改善的取向(Ausrichtung)，还提出通过以45°倾斜的第二镜进行转向。

EP 2 172 790 B1公开一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括发送装置和接收装置。该文件尤其公开用于探测对流层中的分子、颗粒和气溶胶的常规光学系统的部件。借助棱镜将具有一个直径的光束转向到光束扩展器上，该光束扩展器将光束扩展为更大的直径。通过具有两个可校准的镜的Z阶(Z-Stufe)传导光束，其中，Z阶代表不可旋转地被支承的潜望镜(Periskop)。

发明内容

根据本发明，所述镜面如此可旋转地被支承并且相互耦合：在所述镜面共同围绕垂直于两个平面的旋转轴旋转时实现对周围环境的扫描，使得在旋转期间不出现光束的倾斜，其中，扫描光束的射束成形至少部分地通过两个镜面的曲率来实现和/或至少部分地通过第一射束路径中的射束成形器来实现。

本发明的优点

如此，根据本发明，扫描光束(例如激光束)通过两个镜面如此偏转，使得所发射的光束或者所接收的经反射的光束在射束偏转之后位于两个平行的平面中的一个平面上。由此，防止在镜面旋转期间扫描光束的倾斜并且同时能够实现大的FoV。

根据本发明，借助两个镜面实现各偏转90°的双重射束偏转，所述镜面能够共同围绕一个轴转动。为此，在最简单的情况下，所述镜面分别相对于扫描光束的传播平面倾斜45°。

所产生的扫描光束能够首先通过射束成形器成形。替代地或者附加地，两个镜面也能够承担射束成形的任务。这意味着，所述镜面中的一个镜面或者两个镜面都能够具有曲率或者包含别的光学元件。由此简化结构，并且该结构较不易于出错。

光束通过镜面偏转两次，每次各偏转90°。两个镜面共同围绕一个轴转动。经偏转的射束离开平行的平面上的、包括两个镜面的偏转单元，该平行的平面与入射平面距离如此远，使得射束现在能够不受阻碍地经过光学发送器。光学探测器以对应的方式运转。在此，所接收的经反射的光束然后通过转动的偏转单元偏转两次，每次偏转90°(入射到射束成形器上和/或通过镜面成形)，并且借助于光学探测器来探测。根据应用有意义的是，以这种方式不仅偏转光学发送器、还偏转光学探测器，或者以这种方式分别仅偏转光学发送器或者仅偏转光学探测器。

在本申请的范畴中，术语“光学”应广义地理解，并且不仅涉及可见光、还能够将红外光和/或UV光包含在内。光学发送器能够包括一个或者多个(优选光学的)激光器。

在一种实施方式中，所述光学发送器和/或所述光学探测器放置在定子上并且不与所述镜面一起旋转。这简化了结构，因为不必为转动部件提供电流供应和数据连接。

在另一种优选的实施方式中，第一射束路径与第二射束路径重叠，使得两个射束路径使用同一个镜面。即，该系统也能够同轴地设计。这意味着，第一和第二射束路径的一部分是相同的。即，能够首先使扫描光束成形(扩展)，然后能够通过相同的一个或多个部件、至少部分地通过两个镜面的曲率和/或至少部分地通过第一/第二射束路径中的射束成形器来实现经反射的光束的相反的(invers)射束成形。由此，能够省去分开的第二射束路径中的、在其他情况下必需的附加的部件。

替代地，在第一射束路径中以及在第二射束路径中，相互倾斜90°的自己的(eigen)一对镜面分别将光束从第一平面转向到与第一平面平行的第二平面中。根据实施方式可能期望的是，将光学探测器在空间上与光学发送器错开地布置。

在一种优选的实施方式中，扫描光束成形为基本上是线轮廓(Linienprofil)。在此，线轮廓具有有限的长度。此处“基本上是线轮廓”应理解为，该线轮廓不是具有绝对均匀的线形，而只是具有沿着垂直于传播方向的两个横向轴中的一个横向轴的较大的延展尺度。线轮廓例如能够具有近似椭圆的、具有高偏心距

的横截面。

在一种实施方式中，扫描光束的线轮廓不通过所述镜面的转动而围绕传播方向旋转。这能够通过镜面的根据本发明的相对布置来实现，所述镜面补偿具有非圆形的射束形状的扫描光束的在其他情况下出现的倾斜。由此，能够在整个FoV上实现明显更均匀的扫描结果。

此外，本发明还涉及一种包括根据上述实施方式中任一种所述的至少一个光学系统的车辆，其中，该光学系统如此安装到所述车辆中，使得扫描光束基本上水平地扫描该车辆的周围环境。

在一种实施方式中，所述光学系统提供为至少200°、优选为至少250°、特别优选地为至少300°的连续的水平的视场。根据本发明，通过将扫描光束迁移(Verlegen)到平行的平面中来“绕开”光学发送器或者光学探测器，由此实现非常大的视场。因此，原则上借助两个扫描光束、即例如借助两个光学发送器和两个光学接收器已经能够实现全方位扫描(Rundumabtastung)。

在一种实施方式中，所述光学系统布置成其连续的视场的中心在车辆的主行驶方向中。在基于车辆的应用中，通常在行驶方向中期望扫描的尽可能高的精度，以便识别障碍物。

在一种实施方式中，至少一个光学系统布置成其连续的视场的中心在车辆的主行驶方向的相反方向中。在基于车辆的应用中，同时在行驶方向的相反方向中同样期望扫描的尽可能高的精度，例如以便在倒车时识别跟随的车辆或者障碍物。

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描述。

附图说明

根据附图和下面的描述更详细地阐述本发明的实施例。附图示出：

图1现有技术的光学系统的俯视图，

图2在0°的偏转角的情况下现有技术的具有镜的光学系统，

图3在90°的偏转角的情况下现有技术的具有镜的光学系统，

图4根据本发明的光学系统的俯视图，

图5根据本发明的光学系统中的第一射束路径的示意图，

图6在0°的偏转角的情况下根据本发明的光学系统，

图7在90°的偏转角的情况下根据本发明的光学系统。

具体实施方式

图1示出现有技术中的光学系统1，该光学系统包括光学发送器2和光学探测器3，所述光学发送器和所述光学探测器安置在共同的壳体中。光学发送器2设置用于将扫描光束沿着第一射束路径4发射到周围环境中。在射束路径中布置有用于射束成形的光学元件5。然后，扫描光束入射到镜面6上，该镜面使光束偏转，以便如此扫描周围环境。光学系统具有两个分开的FoV，所述FoV例如分别为140°，所述FoV布置在0°的偏转角附近的死角的右侧和左侧。因此，通常只使用两个FoV中的一个FoV，并且该光学系统的功能性明显受限。

图2和图3表明现有技术的另一个问题。在此，与图1相比，为了简单起见仅示出射束路径4、镜面6以及两个屏幕9、10，所述屏幕表明扫描光束的形状。扫描光束分别成形为线轮廓。

图2示出在扫描平面中的0°的偏转角，其中，扫描光束在屏幕9上产生垂直的线轮廓。由此，在一定区域中能够在高度方向

上进行扫描(例如在车辆激光雷达的情况下)。

如果镜面6现在像在图3中示出的那样旋转90°，则第一射束路径4中的扫描光束倾斜并且水平地到达屏幕10。偏转角与0°偏离得越远，线轮廓也越少地适用于高度方向上的扫描。

现在图4示出根据本发明的光学系统11、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12和至少一个光学探测器13。光学发送器12设置用于将扫描光束沿着第一射束路径14发射到周围环境中。光学发送器12例如能够包括激光器。光学探测器13设置用于沿着第二射束路径(未明确示出)从周围环境接收经反射的光束。第二射束路径能够以相反的方向与第一射束路径14重叠，如在此处的情况一样，但是该第二射束路径也能够分开地布置。在第一射束路径14和第二射束路径中的至少一个射束路径中，布置有相互倾斜90°的两个镜面15、16，所述镜面将光束从第一平面转向到与该第一平面平行的第二平面中(还参见图5)。

根据本发明，镜面15、16如此可旋转地被支承并且相互耦合：在所述镜面共同围绕与两个平面垂直的旋转轴旋转时实现对周围环境的扫描。在此，在旋转期间不发生光束的倾斜(还参见图6和图7)。

扫描光束的射束成形至少部分地通过两个镜面的曲率来实现和/或至少部分地通过第一射束路径14中的射束成形器17来实现。随后，射束通过镜面15、16偏转两次，每次各偏转90°。两个镜面15、16共同围绕一个轴转动。经偏转的射束在平行的平面上离开包括两个镜面15、16的偏转单元，该平行的平面与入射平面距离如此远，使得射束现在能够不受阻碍地经过光学发送器。但是，偏转单元也还能够包括其他光学元件。光学探测器13以对应的方式运转。在此，所接收的射束然后通过转动的偏转单元偏转两次，每次偏转90°，可选地入射到射束成形器上并且借助光学探测器13来探测。根据应用可能有意义的是，以这种方式不仅偏转从光学发送器12出发的第一射束路径14、还偏转到光学探测器13的第二射束路径，或者以这种方式分别仅偏转从光学发送器12出发的第一射束路径14或者仅偏转到光学探测器13的第二射束路径。

替代地或者附加地，两个镜面15、16也能够承担射束成形的任务。这意味着，镜面15、16中的一个镜面或者两个镜面都能够具有曲率或者包含另外的光学元件。即，图4中示出的射束成形器17是可选的。

光学系统11具有为大约200°的连续的水平的视场18。但是，也能够实现超过300°的、无中断的视场。

根据本发明，扫描光束通过在镜面15、16上的双重反射迁移到平行的平面中，由此“绕开”光学发送器12或者光学探测器13，由此实现非常大的视场。这在图5中示意性地以图4的实施方式的简化侧视图示出。即，根据本发明，扫描光束(例如激光束)通过两个镜面15、16如此偏转，使得所发射的或者所接收的经反射的光束在射束偏转之后位于两个平行的平面中的一个平面上。在图5中，扫描光束在一定程度上迁移到平行的、更高的平面中，使得光学发送器12和光学探测器13不再阻挡扫描光束。

根据本发明，借助两个镜面15、16实现各偏转90°的双重射束偏转，所述镜面能够共同围绕一个轴转动。为此，在最简单的情况下，所述镜面分别相对于彼此并且相对于扫描光束的传播平面倾斜45°，如图5所示。

同时，通过使用两个镜面15、16防止在镜面15、16旋转期间扫描光束的倾斜，如图6和图7所示。

与图2和图3相似地，与图4相比，为了简单起见仅示出第一射束路径14、镜面15、16以及两个屏幕19、20。扫描光束分别成形为线轮廓。

图6示出在扫描平面中的0°的偏转角，其中，扫描光束在屏幕19上产生垂直的线轮廓。由此，在一定区域中能够在高度方向上进行扫描(例如在车辆激光雷达的情况下)。

如果镜面15、16现在像在图7中示出的那样共同旋转90°，则第一射束路径14中的扫描光束仅围绕镜面15、16的旋转轴旋转，而不发生倾斜。即，扫描光束仍然在屏幕20上产生垂直的线轮廓。即，与现有技术相比，不仅能够实现更大的FoV，而且能够在FoV中实现更均匀的垂直于扫描平面的扫描。

Claims (10)

1.一种光学系统(11)、尤其是激光雷达系统，其包括至少一个光学发送器(12)和至少一个光学探测器(13)，

其中，所述光学发送器(12)设置用于将扫描光束沿着第一射束路径(14)发射到周围环境中，

其中，所述光学探测器(13)设置用于沿着第二射束路径从周围环境接收经反射的光束，

其中，在所述第一射束路径(14)和所述第二射束路径中的至少一个射束路径中，相互倾斜90°的两个镜面(15、16)将所述光束从第一平面转向到与所述第一平面平行的第二平面中，

其特征在于，

所述镜面(15、16)如此可旋转地被支承并且相互耦合：在所述镜面共同围绕垂直于所述两个平面的旋转轴旋转时实现对所述周围环境的扫描，使得在所述旋转期间不出现所述光束的倾斜，其中，所述扫描光束的射束成形至少部分地通过所述两个镜面(15、16)的曲率来实现和/或至少部分地通过所述第一射束路径(14)中的射束成形器(17)来实现。

2.根据权利要求1所述的光学系统(11)，其中，所述光学发送器和/或所述光学探测器放置在定子上并且不与所述镜面(15、16)一起旋转。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统(11)，其中，所述第一射束路径(14)与所述第二射束路径重叠，使得两个射束路径使用同一个镜面(15、16)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统(11)，其中，在所述第一射束路径(14)中以及在所述第二射束路径中，相互倾斜90°的自己的一对镜面(15、16)分别将所述光束从第一平面转向到与所述第一平面平行的第二平面中。

5.根据上述权利要求中任一项所述的光学系统(11)，其中，所述扫描光束基本上成形为线轮廓。

6.根据权利要求5所述的光学系统(11)，其中，所述扫描光束的线轮廓不通过所述镜面(15、16)的转动而围绕传播方向旋转。

7.一种车辆，其包括根据上述权利要求中任一项所述的至少一个光学系统(11)，其中，所述光学系统(11)如此安装到所述车辆中，使得所述扫描光束基本上水平地扫描所述车辆的周围环境。

8.根据权利要求7所述的车辆，其中，所述光学系统(11)提供至少200°、优选至少250°、特别优选地至少300°的连续的水平的视场(18)。

9.根据权利要求8所述的车辆，其中，至少一个光学系统(11)布置成其连续的视场(18)的中心在所述车辆的主行驶方向中。

10.根据权利要求8或9所述的车辆，其中，至少一个光学系统(11)布置成其连续的视场(18)的中心在所述车辆的主行驶方向的相反方向中。

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