CN114174857A - 激光雷达设备 - Google Patents
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Abstract
一种激光雷达设备(100)，具有：壳体(10)；和布置在所述壳体(10)的侧壁中的、基本上平坦的并由玻璃构造的第一光学元件(20)。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达设备。本发明还涉及一种用于制造激光雷达设备的方法。
背景技术
在未来几年，激光雷达传感器将在高速公路上和城市环境中实现高度自动化的驾驶功能中得到确立。这些传感器的一个基本特性是，仅当通向周围环境的光学出射窗口基本上没有污染和/或遮挡物时，才能实现预期的性能。
当今，对于许多传感器，污染和/或遮挡物的识别原则上是已知的，并且已部分实现。然而，对于激光雷达传感器，可用的解决方案显示出明显的弱点。例如，常见的是喷嘴，借助该喷嘴尝试以高压去除污染，其中，清洁效果并不总是可靠的，并且耗水量还是非常高的。
对于小型光学传感器，例如摄像机，所擦拭的(überwischte)出射透镜可以由玻璃制成。玻璃在擦拭运行中承受抗划伤性(Kratzfestigkeit)和耐用性(Dauerfestigkeit)的要求。对于大型光学系统，例如前照灯和激光雷达传感器，所擦拭的区域由透明塑料制成(例如聚碳酸酯(PC)、聚碳酸酯树脂(Macrolon)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等)。然而，这些远远不能满足在擦拭运行中对抗划伤性和耐用性的要求。
DE 10 2016 123 637 A1公开一种用于对雷达设备和/或摄像机设备和/或车辆前照灯进行除霜和/或除冰的设备，其中，该设备设置有用于加热压缩空气的至少一个加热元件和/或至少一个压缩空气通道。
DE 10 2015 210 465 A1公开一种车辆中的经改善的雷达壳体。
DE 10 2012 015 260 A1描述一种用于对车辆的雷达设备进行除霜和/或除冰的设备。
在现有技术中已知用于透明的面元件的加热装置。例如，DE 10 2012 017 264 A1公开一种挡风玻璃，该挡风玻璃设置有防雾涂层，其中，在一种变型方案中，加热层设置在保护玻璃的内部区域中。
此外，例如由DE 10 2011 122 345 A1已知一种激光雷达保护玻璃(也称为前盖或盖玻璃)的加热。那里公开一种双轴激光雷达扫描仪，其保护玻璃是部分加热的。在此，发送窗口不被加热，相反接收窗口可以被加热。
光电3D扫描仪以不同的变型方案已知。这理解为旋转式宏扫描仪、基于MEMS的扫描仪、OPA(英：Optical Phase Array，光学相位阵列)激光雷达、闪光激光雷达。所有提到的系统的共同点是它们收集所发射的激光。在此存在由一个或由多个透镜组成的光学系统。它们全部具有的共同点是它们具有长的光学接收路径或大量的透镜。
发明内容
本发明的任务是提供一种经改善的激光雷达设备。
根据第一方面，本发明实现一种激光雷达设备，具有：
-壳体；和
-布置在壳体的侧壁中的、基本上平坦的并由玻璃构造的第一光学元件。
以这种方式，提供一种激光雷达设备，该激光雷达设备的向外定向的光学窗口(出射窗口)由于该光学窗口基本上平坦并由玻璃制成的事实而能够借助例如以刮水器元件和喷射装置形式的传统清洁设备很好地清洁。第一光学元件的玻璃材料有利地很好地承受机械负载，从而由此支持清洁过程的高频率或者说高的频繁性。
根据第二方面，该任务借助一种用于制造激光雷达设备的方法来解决，具有以下步骤：
-提供壳体；和
-提供布置在壳体中的、由玻璃构造的、基本上平坦的第一光学元件。
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扩展方案的特征在于，第一光学元件具有限定地低的外曲率。也由于限定地低的外曲率，能够有利地非常好地实现第一光学元件的可擦拭性。
激光雷达设备的另一有利扩展方案的特征在于，该激光雷达设备还具有在第一光学元件和壳体之间的密封元件。以这种方式支持在壳体和第一光学元件之间的良好密封。此外，由此支持第一光学元件在壳体中的良好安置(Sitz)以及第一光学元件的容易的可更换性。
激光雷达设备的另一有利扩展方案设置，密封元件固定在第一光学元件的槽(Nut)中。由此，还进一步改善第一光学元件在壳体中的安置固定，这在具有薄光学元件的传统激光雷达设备中是不可能的。
激光雷达设备的另一有利扩展方案设置，密封元件构造为橡胶唇(Gummilippe)。有利地，由此能够实现密封元件的简单且经证明的技术实现。
激光雷达设备的另一有利扩展方案的特征在于，在第一光学元件内布置加热装置。由此支持第一光学元件的进一步清洁或除水或除冰或除霜，由此第一光学元件有利地可以保持基本上永久干燥。
激光雷达设备的另一有利扩展方案的特征在于，第一光学元件构造为与密封元件齐平(bündig)或限定地低地突出于密封元件之上。由此能够实现去除过程(Abstreifprozess)，借助该去除过程可以有效地从第一光学元件的边缘去除清洗液。此外，由此还支持在擦拭循环的过程中擦拭片的倾斜角的易于执行的变化。
激光雷达设备的另一有利扩展方案的特征在于，激光雷达设备还具有第二光学元件，该第二光学元件布置在壳体的内部并且构造为相对于第一光学元件可旋转。以这种方式，能够实现所谓的“可变棱镜”的技术概念，借助该“可变棱镜”的技术概念能够实现高效的激光雷达传感器设备。
激光雷达设备的另一有利扩展方案的特征在于，第一光学元件与第二光学元件的曲率半径的比率为大约2:1至大约5:1。有利地，以这种方式能够实现有效的曲率半径与激光雷达设备的合适的外部尺寸的结合，这能够实现激光雷达设备在机动车辆中的容易的安装。
下面基于多个附图借助其他特征和优点详细描述本发明。相同的或功能相同的构件在此具有相同的附图标记。这些附图尤其旨在说明对本发明必不可少的原理并且不必按比例地绘制。
所公开的设备特征类似地由相应的所公开的方法特征得出，反之亦然。这尤其意味着，与激光雷达设备相关的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由用于制造激光雷达设备的方法的相应实施方案、特征和优点得出，反之亦然。
附图说明
在附图中示出：
图1示出所提出的激光雷达设备的一种实施方式的原理图；
图2示出所提出的激光雷达设备的另一实施方式的原理图；
图3示出图2的所提出的激光雷达设备的一种实施方式的细节的原理图；
图4示出所提出的用于制造激光雷达设备的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的核心思想尤其在于提供一种经改善的激光雷达设备，尤其是关于清洁方面。
对于传统的激光雷达设备，通常使用例如呈聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，“丙烯酸玻璃”，“有机玻璃”)形式的合成塑料作为光学元件。这些材料关于清洁过程具有一些缺点，尤其是所述材料既不在机械上又不在化学上是高度可负载的，并且由此随着时间由于频繁的清洁过程而失去其高光学质量。激光雷达设备的效率可以以这种方式显着降低。
图1示出所提出的激光雷达设备100的一种实施方式的俯视图。可以看出壳体10，在所述壳体中，在侧壁中并且因此向外定向地布置有第一光学元件20作为出射窗口。第一光学元件20由抗划伤且耐用的玻璃材料制成，并且向外去地基本上平坦地构造或限定地低地弯曲地构造。针对第一光学元件20的这些几何形状，能够有利地简单地设计擦拭装置和清洗装置32、31。
图1示出具有平坦构造的第一光学元件20的变型方案。壳体10和第一光学元件20之间的连接优选地借助密封元件50实现，其中，第一光学元件20相对于密封元件50如此构造，使得该第一光学元件构造为与密封元件在很大程度上齐平或略微突出于密封元件50之上。图1示出一种变型方案，所述变型方案具有略微突出于密封元件50之上地构造的第一光学元件20。通过密封元件50支持第一光学元件20的易于执行的可更换性，由此例如能够成本有利地修复激光雷达设备100。
由于第一光学元件20的平坦性及其由玻璃组成的构造，可以有利地例如借助机动车辆的常规清洁设备高效地且容易地清洁该第一光学元件。
为此目的，可以看出用于清洁第一光学元件20的清洁设备30。清洁设备30具有至少一个擦拭装置32(例如擦拭片)和清洗装置31(例如具有配属的清洗液容器的喷嘴，未示出)，借助所述清洗装置将清洗液或清洁液喷射到第一光学元件10上并且借助擦拭装置32将清洗液或清洁液从第一光学元件20擦除。通过第一光学元件20在密封元件50上方的略微的突出，在擦除时，可以完全地从第一光学元件20去除清洗液。
此外，可选地可以在第一光学元件20内设置呈加热丝3(未示出)形式的加热装置33，借助该加热装置，可以加热第一光学元件20，并可以以这种方式摆脱湿气层或冰。布置在第一光学元件20内的加热装置33例如可以构造为电可操控的电阻加热器。其激活用于通过热能来蒸发第一光学元件20的外侧上的湿气层或冰并且因此保持第一光学元件20对于激光雷达设备100来说在最大程度上透明。以这种方式可以显著改善激光雷达设备100的可用性或效率。
未示出控制设备，该控制设备识别第一光学元件20的外侧上的湿气和/或污垢并且由此相应地操控清洁设备30。
第一光学元件20的玻璃材料对高温、高温度变化和由于温差引起的机械应力非常稳定。玻璃尤其具有高导热系数。由于高的导热性，加热装置的加热丝可以构造得相对较细。因此不需要厚的加热带或表面涂层。由于关于温度和由此产生的机械应力的高耐性，加热装置33的加热丝可以非常热地运行，各个加热丝之间的间隙可以构造得大，并且可以将加热丝紧密地在玻璃表面下方引入到第一光学元件20的玻璃中。这又提高加热功率的有效性或改善光学特性，例如通过更少的由于加热丝引起的对光路的遮蔽。
第一光学元件20优选地借助密封元件50固定在壳体10中。特别的优势通过以下方式得出：密封元件50侧面地安装在光学玻璃10上，例如可以以橡胶唇的形式固定在第一光学元件20的槽(未示出)中。这有利地允许，借助擦拭装置32侧面地在第一光学元件20的表面上去除污垢和/或清洗液和/或雨水，随后可以有针对性地从那里将其排出。
附加地允许，擦拭装置32擦拭超出(hinauswischt)第一光学元件20，并且以这种方式实现擦拭唇(Wischlippe)的支承方向的所要求的反转点(Umkehrpunkt)，这可以有利地增加擦拭唇的使用寿命。附加地，在将激光雷达设备100安装在车辆的车体(未示出)中时，这允许高质量的光学器件，因为由此可以看到均匀的和高质量的表面，激光雷达设备100的壳体部分因此向后放置(zurückversetzt)并且因此有利地是不可见的。由此有利地支持激光雷达设备100到车辆表面中的经改善的集成。
图2示出用于机动车辆的呈激光雷达传感器的形式的激光雷达设备100的另一实施方式的俯视图。可以看出，现在除了第一光学元件20之外，还设置第二光学元件40，该第二光学元件构造为相对于第一光学元件20在箭头方向上可旋转，并且以这种方式将辐射源60(例如激光器)的射束在两个射束路径61、62中向外引导到周围环境中。在此，例如，当第二光学元件40的平坦的侧面朝向辐射源60时，辐射源60可以始终是激活的，相反，当第二光学元件40的圆形的面朝向辐射源60时，该辐射源可以是关闭的。
以这种方式，实现所谓的两部分的(zweiteiliges)“可变棱镜”或“自适应棱镜光学器件”的技术光学原理，这能够实现几何上非常强地构造的或确定尺寸(dimensioniertes)的第一光学元件20，并且以这种方式能够实现密封元件50和第一光学元件20之间的高机械密封力。
以这种方式，实现具有光发送器和接收器(未示出)的飞行时间系统，通过该光发送器，通过两部分的可变棱镜20、40将射束偏转到周围环境中，该射束在对象处被反射并在相同的路径上又被引导回到接收器。第二光学元件40的旋转在此导致内部射束路径61偏转到外部射束路径62中的改变，该外部射束路径被导向到周围环境中。
有利地，由于第一光学元件20由玻璃制成的事实，支持用于第一光学元件20的高数量的擦拭过程或循环，与传统塑料材料相比，该数量大了大约100倍，并且例如可以为几百万个擦拭循环。
第一光学元件20的材料对机械损伤、老化、化学品、UV辐射、喷砂等是稳健的，其中，玻璃基本上满足所有已知要求。玻璃尤其可以充分地承受清洗装置31的清洗化学品和擦拭装置32的机械负荷，以用于长的运行持续时间。
第一光学元件20还可以作为玻璃体如此设计或确定尺寸，使得在发生损坏时，例如由于石头撞击和/或事故，该第一光学元件不会完全破碎和/或产生尖锐的碎片。有利地，由此不会导致激光雷达设备100的不期望的开口。
图3表明，第一光学元件40的曲率半径R1与第二光学元件10的曲率半径R2的比率R1:R2优选地可以在约2:1至约5:1之间。在此，第一光学元件20的曲率半径R1可以匹配于美学设计并且通常可以是约10厘米至约50厘米。
由于第一光学元件20的外表面的构型，能够借助擦拭装置32非常好地擦拭和清洗该第一光学元件，由此支持用于第一光学元件20的最佳清洁效果。
替代地，还可以设置清洁设备30的未在图中示出的另一技术解决方案。在此可以设置，例如，清洗液布置在垂直封闭的腔内。垂直封闭的腔在此在待清洁的第一光学元件20上运动，由此可以有利地增加清洗液的作用持续时间并且同时可以大大减少清洗液的消耗。
在另一变型方案中，可以附加地设置识别装置，该识别装置可以在第一光学元件20的外侧上探测涂层，例如以湿气、冰等形式存在的涂层，并且该识别装置在功能上与控制装置连接，该控制装置设置用于清洁设备30的电操控。以这种方式，仅当由识别装置在第一光学元件20上识别到涂层时，清洁设备30才被激活。
图4示出所提出的用于制造激光雷达设备100的方法的一种实施方式的原理流程。
在步骤200中，执行提供壳体10。
在步骤210中，进行提供布置在壳体10中的、由玻璃构造的、基本上平坦的第一光学元件20。
尽管结合用于机动车辆的呈激光雷达传感器形式的光电3D扫描仪对本发明进行了阐述，但是也可以设想，例如将所提出的激光雷达设备100构造为光学摄像机(例如以线扫描摄像机的形式)、不清洁的环境中的光学工业应用、机器人应用、建筑监控应用等。
因此，本领域技术人员认识到，在不偏离本发明的核心的情况下能够进行大量修改。
Claims (10)
1.一种激光雷达设备(100)，其具有：
-壳体(10)；和
-布置在所述壳体(10)的侧壁中的、基本上平坦的并由玻璃构造的第一光学元件(20)。
2.根据权利要求1所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述第一光学元件(20)具有限定地低的外曲率。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达设备(100)，所述激光雷达设备还具有在所述第一光学元件(20)和所述壳体(10)之间的密封元件(50)。
4.根据权利要求3所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述密封元件(50)固定在所述第一光学元件(20)的槽中。
5.根据权利要求3或4所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述密封元件(50)构造为橡胶唇。
6.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，在所述第一光学元件(20)内布置加热装置(33)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述第一光学元件(20)构造为与所述密封元件(50)齐平或者限定地低地突出于所述密封元件(50)之上。
8.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述激光雷达设备(100)还具有第二光学元件(40)，所述第二光学元件布置在所述壳体(10)的内部并且构造为相对于所述第一光学元件(20)能够旋转。
9.根据权利要求8所述的激光雷达设备(100)，其特征在于，所述第一光学元件(10)与所述第二光学元件(40)的曲率半径(R1，R2)的比率为大约2:1至大约5:1。
10.一种用于制造激光雷达设备(100)的方法，所述方法具有步骤：
-提供壳体(10)；以及
-提供布置在所述壳体(10)中的、由玻璃构造的、基本上平坦的第一光学元件(20)。
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