CN114303070A - 激光雷达设备的接收单元 - Google Patents

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Abstract

公开一种接收单元、尤其是用于激光雷达设备的接收单元，该接收单元用于接收在对象处反射和/或反向散射的射束，具有接收光学器件和至少一个探测器，其中，在所述射束的射束路径中在接收光学器件与探测器之间布置有方向滤波器和波长选择式单元。此外还公开一种激光雷达设备以及一种用于分析处理探测器的测量数据的方法。

Description

激光雷达设备的接收单元
技术领域
本发明涉及一种接收单元、尤其是用于激光雷达设备的接收单元，该接收单元用于接收在对象处反射和/或反向散射的射束，具有接收光学器件和至少一个探测器。本发明此外还涉及一种激光雷达设备。
背景技术
由于自动化程度在不同的技术领域、例如汽车领域中与日俱增的趋势，激光雷达设备的重要性与日俱增。目前，用于覆盖150°至360°的较大的水平采样角度仅已知机械激光扫描仪。
已知构型为旋转镜激光扫描仪的激光雷达设备，该激光雷达设备的最大采样范围被限制在约150°。在这种激光雷达设备中，仅马达驱动的偏转镜旋转，而发送单元和接收单元被相对于偏转镜静止地布置。
为实现直至360°的更大的水平采样区域，发射器单元和接收单元布置在马达驱动的转盘或转子上。
为了对干扰反射进行滤波和用于提高信噪比，通常将带通滤波器用于接收单元中。然而由于所接收到的射束的波长可能与所发射的射束的波长不同，实现用于抑制外部光的窄带带通滤波器可能是有问题的。因此，信噪比可能降低，并且激光雷达设备的作用距离可能受限。
发明内容
本发明所基于的任务可以视为，提出一种接收单元和一种激光雷达设备，所述接收单元和激光雷达设备能够实现将波长区域匹配到在发送单元中所产生的射束的波段。
该任借助独立权利要求的相应主题来解决。本发明的有利构型是各个从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面，提供一种接收单元、尤其是用于激光雷达设备的接收单元。该接收单元用于接收在对象处反射和/或反向散射的射束，这些射束此前被由发送单元发射到采样区域中。该接收单元具有接收光学器件和至少一个探测器，其中，在所述射束的射束路径中在接收光学器件与探测器之间布置有方向滤波器和波长选择式单元。
根据本发明的另一方面，提供一种用于对采样区域采样的激光雷达设备。该激光雷达设备具有至少一个发送单元和至少一个根据本发明的接收单元，所述发送单元用于产生射束并将所产生的射束发射到采样区域中，所述接收单元用于对来自采样区域的反向散射和/或反射的射束进行接收和分析处理。
这种激光雷达设备例如能够被用于汽车领域中、航空中、测量技术中等。尤其可以将平面探测器用作接收单元的探测器。至少一个探测器例如可以实施为CCD、CMOS，或SPAD-Array。
由接收单元来接收来自采样区域的反向散射和/或反射的射束。为此可以设置接收光学器件，该接收光学器件能够将从采样区域到达的射束直接或者间接地偏转到方向滤波器上。
方向滤波器构成接收单元的第一区域，并使得能够实现相应于所接收到的射束到接收单元上的入射方向来对所接收到的射束进行滤波。由此能够仅使那些从预限定方向抵达接收单元中的所接收到的射束透射。在激光雷达设备中，例如可以通过发送单元和接收单元的相对定向以及在平坦平面上所得到的反射角来确定预限定方向。因此能够在接收单元的第一区域将来自接收单元的周围环境的干扰光阻断或者说滤波。优选地，仅由发送单元所产生的和随后所反射或者说反向散射的射束能够通过方向滤波器。
波长选择式单元构成接收单元的第二区域。波长选择式单元优选能够相应于所透射的射束的波长来将所透射的射束扇形展开。为此，根据照射到波长选择式单元上的射束的波长，以不同的强度将所述照射到波长选择式单元上的射束偏转。这导致射束根据其波长照射到探测器的不同位置处。通过接收单元的两个区域而因此能够实现对射束进行多级滤波。通过对探测器的测量数据的位置相关的选择能够对所述测量数据执行与波长相关的分析处理。尤其能够通过选择来自正确的探测器区域的测量数据来将干扰背景光从有用信号中分离。因此能够根据接收单元的构型来选择探测器的一个或多个区域用于对测量数据进行进一步分析处理。
探测器的区域可以是正方形、线形、圆形等形状。所述区域尤其可以具有一个或多个像素。探测器可以与分析处理单元连接，该分析处理单元例如能够基于波长选择式单元的特性来为探测器的光敏区域分派波长。在此，分析处理单元能够对探测器的所有测量数据进行接收，并随后进行滤波或者说将所述测量数据用于进一步的分析处理，或者仅接收来自探测器的光敏区域的测量数据。对测量数据的进一步的分析处理例如可以包含实施所谓的飞行时间方法。
通过接收单元能够将对于分析处理重要的波长区域匹配到通过发送单元所产生的射束的波长范围或者说进行选择。通过该措施能够将接收单元的带宽降低并改善信噪比。通过经降低的带宽能够阻断朝接收单元的方向所发射的背景光。
根据一种有利构型，能够自动化地或可变地选择至少一个用于分析处理的探测器的区域。由此能够实现接收单元的带宽与波长区域的自动化匹配。
根据另一实施例，方向滤波器实施为光圈或狭缝光圈(Schlitzblende)。由此能够在技术上简单并高效地使来自采样区域的反射和/或反向散射的、来自特定的水平的和垂直的角度区域的射束被允许通过。尤其能够通过使用方向滤波器来尤其容易地隐没来自不同于该发送单元的源的射束。
根据另一实施例，波长选择式单元具有透射或反射的波长选择性。因此能够尤其灵活地构建接收单元。根据接收单元的形状和大小，波长选择式单元能够将到达的射束透射或反射。波长选择式单元由此能够在通过方向上地或者反射式地对到达的射束波长特定地起作用。
根据另一实施例，通过波长选择式单元能够调节针对到达的射束的、与波长相关的折射角或者与波长相关的反射角。由此能够在作用于通过方向上的波长选择式单元中根据波长地以不同的强度折射到达的射束。在反射式工作的波长选择式单元中，能够实现通过波长特定的反射角来将到达的射束扇形展开。
根据另一实施方式，能够借助与波长相关的折射角或者与波长相关的反射角，将通过波长选择式单元所影响的射束偏转到探测器上。优选能够根据由探测器从所接收到的射束在该探测器上的探测位置，将从这些射束中所求取到的测量值用于分析处理。由此能够将探测器的位置分辨率用于所接收到的射束的角度相关的分辨率。基于射束的这种与波长相关的扇形展开，能够仅将那些从具有限定的波长的射束中所求取到的测量数据考虑用于分析处理。由此例如能够自动化地匹配接收单元的带宽。尤其能够相应于所要求的波长来为分析处理选择性地选择测量数据。
根据另一实施方式，波长选择式单元构型为衍射式光学元件。波长选择式单元例如可以实施为全息光栅或体积全息光栅。这种波长选择式单元能够在技术上简单地制造并具有附加功能，例如滤波功能。
根据另一实施方式，在射束路径中在方向滤波器与波长选择式单元之间布置有至少一个实施为透镜、柱面透镜或透镜阵列的第一光学元件，用于将通过该方向滤波器的射束准直。在通过方向滤波器后，所述射束可以通过第一光学元件被优化地定向到波长选择式单元。根据接收单元的构型，第一光学元件可以灵活地构造。
根据一种附加或替代的构型，第一光学元件能够具有一个或多个柱面透镜。一个柱面透镜例如可以布置在方向滤波器之前，并将所接收到的射束聚焦到该方向滤波器、例如狭缝光圈上。经方向滤波的射束可以通过另一柱面透镜被偏转到波长选择式单元，并随后通过另一光学器件被成束到探测器的光敏区域上。
根据另一实施例，在射束路径中在波长选择式单元与探测器之间布置有至少一个第二光学单元。由此能够如此将经与波长相关地扇形展开的射束聚焦，使得探测器的光敏区域处于第二光学单元的焦点中。由此，尤其能够将从具有不同波长的射束中所得到的测量值尤其显著地彼此区分开，以用于分析处理。
根据另一实施方式，在波长选择式单元与探测器之间布置有构型为微透镜阵列的第二光学元件。通过该措施能够提供接收单元的尤其节省空间的构型。在此，可以直接在方向滤波器之后构造由微透镜所构成的平面。优选直接在该微透镜平面的后方布置有波长选择式单元。在该波长选择式单元之后可以布置有另一微透镜平面或者说微透镜阵列，以便将射束偏转到探测器上。
根据另一实施方式，方向滤波器、第一光学元件、波长选择式单元、第二光学元件和探测器实施为一体的或整体地彼此连接。接收单元由此能够尤其紧凑地构型。接收单元的各个组件例如可以通过框架或通过粘合剂彼此连接。
根据本发明的另一方面，提供一种用于对接收单元的探测器的测量数据进行分析处理的方法。在一个步骤中，通过接收单元来接收来自采样区域的射束并通过方向滤波器对所述射束进行滤波。将经滤波的射束直接或者通过至少一个第一光学元件偏转到波长选择式单元上。随后通过波长选择式单元将经滤波的射束与波长相关地扇形展开并且与波长相关地照射到探测器的不同的光敏区域上。此外，经扇形展开的射束可以在其照射到探测器之前通过至少一个第二光学元件被聚焦或偏转。
由此能够实现将光功率分布到探测器的多个光敏区域——例如一个或多个像素——的可能性。可以将射束相应于其波长来沿着可用的光敏探测器平面分布，从而能够根据对探测器测量值进行位置相关的分析处理来将该分析处理限制在特定的波长。
根据一种实施方式，通过对探测器的光敏区域进行光照来产生测量数据，并由分析处理单元来接收所述测量数据，其中，自动化地或者预限定地选择探测器的至少一个光敏区域，所述光敏区域用于接收测量数据以用于通过分析处理单元进行分析处理。由此能够自动化地或可变地选择探测器的用于分析处理的至少一个区域。此外能够实现对接收单元的带宽和波长区域的自动化匹配。
附图说明
以下根据高度简化的示意图对本发明的优选实施例进行详细阐述。在此示出：
图1：根据一个实施例的激光雷达设备的示意图；
图2：根据第一实施例的接收单元的示意图；
图3：根据第二实施例的接收单元的示意图；
图4：根据第三实施例的接收单元的示意图。
具体实施方式
图1示出根据一个实施例的激光雷达设备1的示意图。激光雷达设备1具有发送单元2和接收单元4。
发送单元2用于产生并沿着采样区域A发射射束6。所产生的射束6例如可以构型为激光射束。为此，发送单元2具有一个或多个激光发射器3。发送单元2可以以限定的脉冲频率来产生和发射射束6。这能够通过控制单元8被协调和启动。
接收单元4具有探测器10和接收光学器件12。从采样区域A朝接收单元4的方向反射或反向散射的射束14、15被接收光学器件12接收并偏转到接收单元4中。在此，在采样区域A中反射或反向散射的射束14、15由反射或反向散射的由发送单元2所产生的射束14和来自干扰源的射束15组成。
探测器10可以实施为平面探测器，例如CCD或者CMOS。探测器10具有光敏区域11，该区域能够由到达的射束产生呈测量数据形式的电信号。探测器10如此与控制单元8耦合，使得能够对探测器10的测量数据进行与位置相关的分析处理。尤其可以将测量数据分配给光敏区域11，在这些区域中已通过入射射束产生了对应的测量数据。
控制单元8优选能够实施为用于分析处理探测器10的测量数据的分析处理单元。
图2示出根据第一实施例的接收单元4的示意图。接收单元4的结构被详细示出。
接收单元4具有实施为凸平透镜的接收光学器件12。在反射的射束14的射束路径中，在接收光学器件12之后连接有方向滤波器16。方向滤波器16构型为光圈或者说狭缝光圈。根据一个实施例，通过接收光学器件12与方向滤波器16的组合对反射或反向散射的射束14、15进行方向滤波，因为仅来自限定的方向的射束14能够通过方向滤波器16。来自其他方向的射束15未通过接收光学器件12被聚焦到方向滤波器16的狭缝上而因此被阻断。
接收光学器件12和方向滤波器16构成接收单元4的第一区域B1。通过方向滤波器16所滤波的射束18随后被引导到接收单元4的第二区域B2中。在第二区域B2中，通过第一光学单元20将射束18成形。根据该实施例，第一光学单元20构型为平凸透镜并将经滤波的射束18聚焦到波长选择式单元22上。经滤波的射束18尤其通过第一光学单元20被准直，从而这些射束具有到波长选择式单元22上的相同入射角。
波长选择式单元22构造为全息光栅，并具有与经滤波的射束18的波长有关的反射率。例如相比于具有较长波长的射束，具有较短波长的射束可以更强地偏转。
随后通过第二光学单元26，将由波长选择式单元22偏转的射束24成束到探测器10上。通过该步骤，将借助于与波长相关的元件22入射的具有不同波长的射束18以不同的强度偏转。这导致，在借助于第二光学单元26进行重新聚焦之后，射束24根据其波长抵达探测器10的不同位置处。
现在，通过选择探测器10的正确区域11，能够将干扰背景光从有用信号中分离。若通过发送单元2所发射的射束6的波长发生变化，则可以相应地改变该区域11。
图3示出根据第二实施例的接收单元4的示意图。区别于第一实施例，波长选择式单元22在通过方向上对经滤波的射束18起作用。在此，在透射波长选择式单元22的情况下进行经滤波的射束18的折射或衍射。
在图4中示出根据第三实施例的接收单元4的示意图。区别于已经描述的实施例，方向滤波器16、第一光学单元20、波长选择式单元22、第二光学单元26和探测器10实施为一体的。部件10、16、20、22、26例如是彼此粘接的。在方向滤波器16与波长选择式单元22之间布置有第一光学单元20。在波长选择式单元22与探测器10之间置有第二光学单元26。根据该实施例，第一光学单元20和第二光学单元26构型为微透镜阵列。

Claims (13)

1.一种接收单元(4)、尤其是用于激光雷达设备(1)的接收单元，所述接收单元用于接收在采样区域(A)中反射和/或反向散射的射束(14)，具有接收光学器件(12)和至少一个探测器(10)，其特征在于，在所述射束(14)的射束路径中在所述接收光学器件(12)与所述探测器(10)之间布置有方向滤波器(16)和波长选择式单元(22)。
2.根据权利要求1所述的接收单元，其中，所述方向滤波器(16)实施为光圈或者狭缝光圈。
3.根据权利要求1或2所述的接收单元，其中，所述波长选择式单元(22)具有透射或反射的波长选择性。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接收单元，其中，通过所述波长选择式单元(22)能够调节针对到达的射束(18)的、与波长相关的折射角或者与波长相关的反射角。
5.根据权利要求4所述的接收单元，其中，借助与波长相关的折射角或者与波长相关的反射角将通过所述波长选择式单元(22)所影响的射束(24)偏转到所述探测器(10)上，其中，由所述探测器(10)从所接收到的射束(24)所求取到的测量值能够根据所述射束在所述探测器上的探测位置(11)而被用于分析处理。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的接收单元，其中，所述波长选择式单元(22)构型为衍射式光学元件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的接收单元，其中，在所述射束路径中在所述方向滤波器(16)与所述波长选择式单元(22)之间布置有至少一个实施为透镜、柱面透镜或透镜阵列的第一光学元件(20)，用于将通过所述方向滤波器(16)的射束(18)准直。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的接收单元，其中，在所述射束路径中在所述波长选择式单元(22)与所述探测器(10)之间布置有至少一个第二光学单元(26)。
9.根据权利要求7所述的接收单元，其中，在所述波长选择式单元(22)与所述探测器(10)之间布置有构型为微透镜阵列的第二光学元件(26)。
10.根据权利要求7或者8所述的接收单元，其中，所述方向滤波器(16)、所述第一光学元件(20)、所述波长选择式单元(22)、所述第二光学元件(26)和所述探测器(10)实施为一体的或整体地彼此连接。
11.一种用于对采样区域(A)采样的激光雷达设备(1)，具有至少一个发送单元(2)和至少一个根据前述权利要求中的任一项的接收单元(4)，所述发送单元用于产生并将所产生的射束(6)发射到采样区域(A)中。
12.一种用于对接收单元(4)的探测器(10)的测量数据进行分析处理的方法，其中，通过接收单元(4)来接收来自采样区域(A)的射束(14，15)并通过方向滤波器(16)对所述射束进行滤波，将经滤波的射束(18)直接或者通过至少一个第一光学元件(20)偏转到波长选择式单元(22)上，通过所述波长选择式单元(22)将所述经滤波的射束(18)与波长相关地扇形展开并且与波长相关地照射到所述探测器(10)的不同的光敏区域(11)上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过对所述探测器(10)的所述光敏区域(11)进行光照来产生测量数据，并由分析处理单元(8)来接收所述测量数据，其中，自动化地或者预限定地选择所述探测器(10)的至少一个光敏区域(11)，所述光敏区域用于接收测量数据以用于通过分析处理单元(8)进行分析处理。
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