CN113557455B - 用于反射来自旋转电磁波源的电磁波的反射器 - Google Patents

Abstract

一种用于反射来自旋转电磁波源的电磁波的反射器，反射器包括反射屏幕，反射屏幕成形为中空截锥体，并且具有在截切末端的顶部和基部，其中顶部的半径小于基部的半径。中空截锥体包括多个梯形段，其中屏幕具有在中空锥体内的梯形段上的反射材料。

Description

用于反射来自旋转电磁波源的电磁波的反射器

技术领域

本发明涉及一种用于反射来自旋转电磁波源(例如，激光雷达)的电磁波的反射器。

背景技术

代表光探测和测距的激光雷达(LiDAR)使用激光脉冲进行测量并产生环境的三维(3D)地图。在单元发出激光脉冲之后，仪器上的传感器测量脉冲反弹所花费的时间量。当光以恒定速度移动时，激光雷达单元能够准确地计算其自身与目标之间的距离。

激光雷达相对于其他传感器的优势在于其全面的数据采集。

许多应用，例如，区域监测和自动车辆技术需要准确且丰富的数据量。激光雷达比其他传感器携带来自每个数据点的更多的信息，包括x，y和z坐标，时间和反射率(由物体产生的反射光或辐射的量)。大多数牌照，街道标志牌，甚至街道线油漆具有回射表面，其提供较大的激光返回信号。

现代三维激光雷达扫描仪是在21世纪中期发明的。然而，近年来，普遍观点认为涉及将多个激光器(例如，8个，16个，32个，64个或128个)安装到旋转万向节上的这种设计将很快被新一代固态激光雷达传感器淘汰，该固态激光雷达传感器使用单个固定激光器来扫描场景。

然而，经典的旋转设计仍然具有一些优点。最明显的一个是360°视场。你可以将一个激光雷达单元粘在汽车的顶部并获得汽车周围环境的完整视图。相反，固态激光雷达固定在适当的位置，并且通常具有120°或更小的视场。它通常需要至少四个单元来实现与固态传感器相当的覆盖范围。

另一个不太明显的优点是眼睛安全规则允许移动激光源以比静止激光源更高的功率水平发射。

利用扫描固态单元，将眼睛置于离激光扫描仪几英寸处就可能使100％的激光涌入眼睛中。但是利用旋转传感器，激光仅在其360°旋转的小部分的任何特定方向上聚焦。因此，旋转激光雷达单元可以将更多的功率放到每个激光脉冲中，而不会造成眼睛损害的风险。这使得更容易检测返回闪光，因此旋转单元在可预见的未来可能具有优于固定单元的范围优势。

然而，如果用户应用要求束指向目标，直接使用旋转激光雷达将是低效的，因为大部分光没有指向目标。因此，光携带的大部分数据将被浪费并且有用数据的成本将非常高。因此，需要一种利用来自旋转光束的全部或大部分光的解决方案。

US8094393描述了一种用于非准直光源的聚光沟槽式反射器。该装置包括沟槽结构，其用两个反射精确地耦合两个给定波前的光线，而对沟槽的尺寸没有限制。该装置不适用于测量从目标反射回的光。

US20160334093描述了一种包括多个非旋转LED光点的光源。每个LED光点可以放置在柱管锥形壳体中以提升来自整个光源的总发光。

US20170365068显示了一种使用激光雷达测量物体的深度的设备。该公开示出了使来自激光雷达的光束集中的反射镜布置。

发明内容

本发明的目的是提供一种反射器装置，其保持旋转激光雷达的优点，同时提供可以指向目标的集中的激光雷达束。这样的激光雷达束将确保所有或大部分激光雷达束指向目标并且因此也了解从目标反射的束。

尽管上面的讨论集中在旋转激光雷达的使用上，但是一些相同的讨论对于其他电磁波源(例如，雷达或其他无线电波)也是有效的。本发明不限于与激光雷达一起使用，而是可以与任何合适的旋转电磁波源一起使用。

本发明的目的通过专利权利要求的特征来实现。

在一个实施例中，一种用于反射来自旋转电磁波源的电磁波的反射器包括反射屏幕，其成形为中空截锥体，该中空截锥体具有在截切末端的顶部和在截切末端的相对末端的基部。顶部的半径小于基部的半径。

反射屏幕具有在中空锥体内的反射材料。反射材料可以是金属涂层，或提供电磁波反射率的其它合适的材料。中空截锥体包括多个梯形段，其中反射材料布置在中空锥体内的梯形段上。反射材料可以沉积在玻璃，金属或其他材料的前表面或后表面上。

梯形段可以布置为使得它们的宽基部在中空截锥体的基部并且短基部在截锥体的顶部。梯形段可以布置为使得它们的侧边缘彼此接触。为了确保侧边缘的紧密配合，例如，可能有利的是借助于斜接接头将相邻段的侧边缘配合在一起。当来自电磁波源的束撞击两个相邻段之间的接头时，将发生来自两个信号的反射，从而导致可能的误差。这些信号因此可以丢弃。因此，接头的数量将影响信号质量，并且梯形段的数量可以适合于计划使用和/或信号质量的需要。在一个实施例中，布置了彼此相邻的八个梯形段，但这里可以是少于或多于八个段。更多的段将导致更多的接头，但将给予锥体更好的配合。如果段的宽度小于束宽，束将总是从两个段被反射。因此这些段不应该小于束宽。在一个实施例中，锥体的倾斜角度适合于操作以在布置在截锥体的顶部中布置的源与截锥体的基部前方的目标之间传输光。倾斜角度可以适合于反射器的使用和期望的出射角度，即，波离开反射器的期望的方向/角度。不同的源可以发射具有不同角度的波，这也可以影响锥体倾斜角度的选择。

每个梯形段可以布置为具有相同的倾斜角度，或者它们可以在锥体内具有不同的单独的倾斜角度。选择各个梯形段的倾斜角度，可以优化电磁波在目标上的分布。当每个梯形段具有相同的倾斜角度时，电磁波在目标上的分布是对称的，而不同的倾斜角度将提供由电磁波提供的偏移或非对称图案。这可以在优选特定区域中具有较高密度的电磁波，而在其它区域中具有较低密度的电磁波的情况下使用。以这种方式，可以构建用于特定用途的电磁波的独特图案和分布。

在一个可替代的实施例中，反射屏幕包括位于中空锥体内的多个沟槽，其中每个沟槽由在边缘相交的两个反射面形成。这些沟槽从截锥体的顶部中的定义点径向地延伸。定义点可以适合于旋转电磁波源的使用和预期放置。例如，如果旋转电磁源放置为使其中心轴线与锥体的中心轴线(对称轴线)重合，则沟槽可以从锥体的中心延伸。在另一个实施例中，屏幕可以适于将旋转电磁源偏离中心地放置在锥体中，然后沟槽延伸的定义点可以偏离中心并且位于旋转电磁源的中心轴线上。沟槽可以布置为中空锥体内的分离膜，或者可以集成在中空锥体中，例如通过生产具有沟槽的反射屏幕。

沟槽的内角度，即，在一个实施例中，沿沟槽的整个长度，两个反射面之间的角度为90°。

反射材料可以适合于将要被反射器反射的电磁波的波长，即，应选择具有合适的折射率的材料。根据光学定律，当传播波以大于临界角度(相对于表面法线)的角度撞击介质边界时，发生全内反射。因此，临界角度是发生全内反射的入射角度。

多个沟槽可以适合于使用反射器。

在反射器的一个示例实施例中，沟槽之间的角度可以是9°或被360整除的任何整数。源的一个示例是发射16个束的旋转激光雷达。

由于反射面之间的角度在沟槽的长度上是恒定的，沟槽的深度在截锥体的基部将大于在顶部的深度。为了防止深度太大，具有反射材料的反射屏幕包括至少两个扇区，其中每个扇区包括一组径向延伸的沟槽。扇区布置为垂直于径向延伸的沟槽，扇区具有沿着锥体的整个圆周延伸的边界。扇区的数量可以根据反射器的使用而变化，并且通常较大的反射器将具有比小的反射器更多的扇区。扇区的数量也可以适合于沟槽的期望深度，因为更多的扇区将允许更浅的沟槽。

然后，从源发射的波在形成反射器的沟槽的两个面被全内反射并指向目标。

源可以布置在锥体的中心，或者它可以偏离中心地布置。当波源旋转并且波被沟槽反射时，反射将分布为形成虚构目标平面中的虚构线的“点”。将源偏离中心地布置将构建反射光的椭圆形图案，而中心布置的源将构建圆形图案。

在偏离中心布置的情况下，沟槽的径向图案还可以基于这个偏离中心点径向地分布，即，径向延伸的沟槽具有从源的中心延伸的其虚构的起点。可以使用椭圆形图案来补偿倾斜表面上的线的分布，例如当传感器布置朝着地板向下倾斜时。

在一个实施例中，提供了一种包括如上所述的旋转电磁源和反射器的布置。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明。

图1示出了现有技术的标准旋转激光雷达的原理。

图2示出了根据本发明的反射器的一个实施例。

图2a示出了根据本发明的反射器的设计。

图2b示出了当电磁波被根据本发明的反射器反射时在目标平面由电磁波形成的图案。

图3示出了反射器、电磁波源和传感器装置的一个实施例。

图4示出了由目标平面的电磁波形成的另一图案。

图5示出了反射器的另一个实施例的沟槽。

图6示出了包括三个扇区的反射器的一个实施例。

图7示出了根据本发明的反射器的另一个实施例。

具体实施方式

在图1中，示出了现有技术的标准旋转激光雷达10，其是可以与根据本发明的反射器一起使用的电磁源的一个示例。在本示例中，示出了威力登(Velodyne)VLP-16激光雷达传感器。当激光雷达10旋转时，束以散射角度发射，使得束中的一些指向向上和向下的角度。

如从图中明显看出，激光雷达在此配置中布置有遮阳镜11形式的反射器，遮阳镜11布置在所发射的激光束的上方。最向上角度的束将被反射镜反射，从而将更多的束指向下并扩散。相反，根据本发明的反射器被设计为在一个方向上反射来自源的所有束。

图2示出了根据本发明的反射器20的一个实施例。

反射器20包括反射屏幕21，其成形为中空截锥体，截锥体具有在截切末端的顶部22和在截切末端的相反末端的基部23。顶部22的半径小于基部23的半径。

反射屏幕21具有在中空锥体内壁上的反射材料。中空锥体内形成空腔，空腔内布置旋转电磁波源24，其向内壁的反射材料发射电磁波。例如，旋转电磁波源24是图1的没有平面反射器的Velodyne激光雷达。

在本实施例中，反射屏幕，即，中空截锥体包括多个梯形段。电磁波在梯形段被反射，并且由此波从电磁波源24向布置在截锥体的基部前方的可能的目标27传送。

图2a示出了如何布置梯形段220以形成中空截锥体。在本实施例中，截锥体包括8个梯形段220，每个段被布置为其宽基部221在中空截锥体的基部23，而短基部222在锥体的顶部22。屏幕具有在中空锥体内的梯形段上的反射材料。

图2b示出了当电磁波被图2和图2a所示的反射器反射时在目标平面形成的图案。

图案可以根据梯形段的数目和角度以及电磁源的位置和布置而变化。在一些实施例中，布置梯形段以优化目标区域的电磁波的均匀分布，而在其他实施例中，在目标的一些区域中具有更高的电磁波集中度可能是有利的。

图3示出了类似于图2所示的反射器70和电磁波源74的一个实施例。然而，在本实施例中，传感器装置78布置在电磁波源的上方。例如，传感器装置78可以是相机。在本实施例中，示出了传感器装置78，但是在其他实施例中，可以布置多个传感器装置，例如分配给每个梯形段的一个传感器装置。每个传感器装置定位为使其视场基本上与其所分配的梯形段的全部表面区域重叠。例如，多个传感器装置可以布置为彼此相邻形成圆形构型，其中传感器装置是径向布置的。

在图2和图3中，每个梯形段以相同的角度布置。然而，在一些实施例中，梯形段可以布置为具有单独的适合的角度。这可以用于优化电磁波在目标上的分布。例如，可能期望在特定区域中具有较高密度的电磁波，而在其它区域中具有较低密度的电磁波。以这种方式，可以构建用于特定用途的电磁波的独特图案和分布。类似地，可以通过将梯形段设计为具有单独的适应的宽度来适合于目标上的电磁波的分布，使得所有或一些梯形段具有不同的宽度并因此具有不同的尺寸。

图4示出了当一半的段具有比另一半的段更陡的角度时，由目标平面的电磁波产生的图案。

图5示出了另一个实施例，其中反射屏幕21包括在内部的多个径向延伸的沟槽，其中每个沟槽由在边缘相交的两个反射面形成。电磁波在形成反射器的沟槽的两个面被全内反射，并且由此波从电磁波源24向布置在截锥体的基部前方的可能的目标传送。

在图5中示出了如何布置上述沟槽以提供锥体。在本示例中，截锥体可以由平面膜40制成，其中沟槽形成在平面膜中，并且膜被切割并形成为提供用于反射屏幕的截锥体。沟槽都从中心41径向延伸。在本示例中，所得到的反射屏幕将适于将旋转电磁波源布置在反射屏幕内的中心。如果屏幕应当适于将旋转电磁源偏离中心地放置在锥体中，沟槽延伸的点可以偏离中心以与旋转电磁源的位置的中心重合。

图6示出了具有沟槽的反射器50的一个实施例，如图5中的实施例包括三个扇区51、52、53。如上所述，反射面之间的角度在沟槽的长度上是恒定的。

因此，为了避免在截锥体的基部的沟槽的深度过大，反射屏幕分成三个扇区51、52、53。在图中，可以沿着截锥体的圆周看到扇区之间的边界。扇区的数量可以根据屏幕的尺寸而变化。每个扇区包括一组径向延伸的沟槽。扇区的数量也可以适合于沟槽的期望深度，因为更多的扇区将允许更浅的沟槽。在反射器中包括梯形段的上述实施例可以类似地设有扇区，例如，一些或每个扇区具有不同的倾斜角度，以使反射器适于特定用途和/或在目标处提供期望的波型。

图7示出了根据本发明的反射器60的另一个实施例。在本实施例中，反射器60包括反射屏幕61，其成形为中空截锥体，该中空截锥体具有在截切末端的顶部62和在截切末端的相对末端的基部63。顶部62的半径小于基部63的半径。

反射屏幕61具有在中空锥体内壁上的反射材料。中空锥体内形成空腔，空腔内布置旋转电磁波源64，其向内壁的反射材料发射电磁波。旋转电磁波源64偏离中心地布置在空腔内，即，电磁波源的中心轴65相对于中空截锥体的中心轴/对称轴66偏置。

如图3所示，本实施例中，反射屏幕61包括在内部的多个径向延伸的沟槽，其中每个沟槽由在边缘相交的两个反射面形成。在本实施例中，由于反射屏幕适于偏离中心地放置旋转电磁波源，因此沟槽可形成为从偏离中心轴65径向延伸。电磁波在形成反射器的沟槽的面被全内反射，并且由此波从电磁波源64向布置在截锥体的基部前方的可能的目标传送。当电磁波源64旋转时，从沟槽反射的反射将分布为形成虚构目标平面中的虚构线67的“点”。当源偏离中心布置时，点将形成反射光/波的椭圆形图案。

Claims (12)

1.一种用于反射来自旋转电磁波源(24)的电磁波的反射器(20)，所述反射器包括：

反射屏幕(21)，形成为中空截锥体，并且具有在截切末端的顶部(22)和基部(23)，其中所述顶部(22)的半径小于所述基部(23)的半径，其中所述中空截锥体包括多个梯形段(220)并且反射材料布置在所述梯形段上的中空锥体上，并且其中所有或一些所述梯形段具有锥体内不同的单独的倾斜角度或者所有或一些所述梯形段具有不同的单独的适配宽度，以优化电磁波在目标上的分布。

2.根据权利要求1所述的反射器(20)，其中所述梯形段(220)通过所述梯形段的宽的基部布置在所述中空截锥体的基部。

3.根据上述权利要求中一项所述的反射器(20)，其中所述锥体的倾斜角度适合于操作以在布置在所述截锥体的所述顶部(22)中的电磁波源(24)与所述截锥体的所述基部前方的目标之间传送电磁波，其中来自所述源的电磁波在所述反射器的所述梯形段(220)被反射并且指向所述目标。

4.根据权利要求1或2所述的反射器(20)，其中所述锥体的倾斜角度适合于操作以在布置在所述截锥体的所述顶部的中心中的电磁波源(24)与所述截锥体的所述基部前方的目标之间传送电磁波，其中来自所述源的电磁波在所述反射器的所述梯形段(220)反射并且指向所述目标。

5.根据权利要求1所述的反射器(20)，其中存在八个所述梯形段(220)。

6.根据权利要求1所述的反射器(20)，其中所述旋转电磁波源(24)是旋转激光雷达。

7.一种包括旋转电磁波源和根据权利要求1至5中一项所述的反射器(20)的布置，其中所述旋转电磁波源(24)布置在所述截锥体的顶部(22)中，并且向所述梯形段(220)传输具有束宽的电磁波的束，其中所述电磁波在所述反射器的所述梯形段被反射。

8.根据权利要求7所述的布置，其中所述电磁波源(24)布置在所述截锥体的所述顶部(22)的中心中。

9.根据权利要求7所述的布置，其中所述电磁波源(24)偏离中心地布置在所述截锥体的所述顶部(22)中。

10.根据权利要求7所述的布置，还包括至少一个传感器装置。

11.根据权利要求10所述的布置，其中所述至少一个传感器装置的传感器装置轴向地布置到所述电磁波源(24)。

12.根据权利要求10所述的布置，包括用于每个梯形段(220)的一个所述传感器装置。