CN114660570A - 激光雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达传感器，其具有发送单元(10)和偏移单元(20)，其中，所述发送单元(10)设置为产生如下激光射束(15)：所述激光射束沿着所述偏移单元(20)的偏移方向(30)的局部射束分布具有双峰分布，所述双峰分布在两个峰值(50)之间的中心区段(40)中的光能以预定义的因子低于与所述中心区段分别侧向相邻的、具有所述峰值(50)的区段(45)中的光能，其中，所述偏移单元(20)设置为将通过所述发送单元(10)所产生的激光射束(15)沿着所述偏移方向(30)偏移到所述激光雷达传感器的周围环境(60)中。

Description

激光雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种激光雷达传感器并且尤其涉及一种用于运输工具的激光雷达传感器。
背景技术
从现有技术已知不同构型的激光雷达传感器，其例如用于车辆的周围环境检测。这种激光雷达传感器是高度敏感的距离测量设备，其基于所发出的激光射束通过直接或间接的方法求取远处的对象与该激光雷达传感器之间的传播时间。通常，这种传感器针对100m至300m或更多的范围中的非常大的作用距离，相应地对该激光雷达传感器的相应发射和接收技术的非常高的要求随之而来。在此，最大可实现的作用距离不仅由激光雷达传感器所基于的技术确定，而且强烈取决于对激光雷达传感器的眼睛安全的构型的要求。
尤其是在使用近红外波长范围(<1400nm)中的光时，激光雷达传感器所发出的激光射束并非在眼睛的表面被吸收，而是在视网膜上成像。由此，激光雷达传感器的在该波长范围中的眼睛安全性方面的有针对性的设计是特别重要的。
此外，在眼睛安全性的意义上，诸如激光射束的脉冲持续时间、所使用的扫描方法、远离传感器的激光射束的结构和直接在从激光雷达传感器的保护玻璃中出射时激光射束的结构此类的方面是决定性的，并且在激光雷达传感器的设计中应相应地进行考虑。
DE102017213726 A1描述一种用于借助至少一个波长的光来探测对象的传感器设备，其中，由该传感器设备的发送装置所发出的光在垂直于发送路径的平面中具有以下面的形状：该面具有不暴露于光的内部区域。
DE102018212735 A1描述一种用于对采样区域进行采样的激光雷达设备，其中，该激光雷达设备的发送单元在所发射的电磁射束的射束路径中具有至少一个散射盘元件(Streuscheibenelement)。该散射盘元件将射束源的所发射的功率散射到所期望的空间角度或者说采样区域中并且由此提高激光雷达设备的眼睛安全性。
发明内容
根据本发明提出一种具有发送单元和偏移单元的激光雷达传感器。该激光雷达传感器优选地是运输工具的环境检测系统的激光雷达传感器，其中，该运输工具例如是道路车辆(例如摩托车、乘用车辆、货车、载重车辆)或轨道车辆或飞行器/飞机和/或水运工具，而不将该激光雷达传感器由此仅限于与环境检测系统和/或运输工具有关的应用。
发送单元例如借助半导体激光器(激光二极管)或借助不同于此的激光技术来设置为产生如下激光射束：该激光射束沿着偏移单元的偏移方向(扫描方向)的局部射束分布具有双峰分布，该双峰分布在两个峰值之间(即在该分布的两个峰值之间)的中心区段中的光能以预定义的因子低于与该中心区段分别侧向相邻的、具有峰值的区段中的光能。应该指出的是，根据激光雷达传感器的构型可以实现：发送单元具有多个半导体激光器，从而例如通过彼此上下地布置的半导体激光器产生采样线。
例如，偏移单元具有一个或多个旋转的镜，其中，偏移方向在这种情况下通过偏移单元的旋转方向预先给定。替代或附加于这种旋转的偏移单元，可以想到基于多个微镜或不同于此的技术来实现该偏移单元。偏移单元设置为，将通过发送单元所产生的激光射束沿着偏移方向偏移到激光雷达传感器的周围环境中。偏移方向应理解为对应于激光雷达传感器的主采样方向的方向。关于在车辆的环境检测系统中使用激光雷达传感器，主采样方向例如对应于水平方向，由此例如从左至右或相反地对车辆的周围环境进行采样。这明确地不排除主采样方向也可以对应于垂直的或对角线的方向。这同样不排除在对周围环境进行采样期间激光射束除了主采样方向以外还经受另一偏移(例如正交于主采样方向)。
根据本发明的激光雷达传感器的激光射束的上述双峰分布提供如下优点：通过该激光雷达传感器，在至激光雷达传感器的原则上任意的间距处都能够确保眼睛安全性。在基本上正面地观察从激光雷达传感器出射的激光射束的情况下，双峰分布的各个峰值由于其局部分布和激光雷达传感器的采样运动而相继地到达观察者的视网膜，从而激光的入射在眼睛中的总能量随时间推移地分布，由此相应地提高眼睛安全性。在此，入射在观察者的眼睛中的激光射束图样表示射束分布与眼睛的瞳孔功能的卷积，这基本上导致该分布的扩大。
在下文中示出本发明的优选扩展方案。
特别有利地，按照对激光雷达传感器的眼睛安全性的预定义的要求来确定双峰分布的峰值的高度和/或宽度和/或峰值的间距。在这种确定中优选地考虑与眼睛安全性有关的其他参数，例如激光射束的脉冲持续时间、激光射束的散度、激光雷达传感器的光学路径内的光学元件的散射效应、最大发送功率、采样方向、激光雷达传感器的采样速度等。
优选地，激光雷达传感器设置为确保激光雷达传感器的光出射接口的近距离区域中的眼睛安全性，其中，近距离区域对应于与激光雷达传感器的光出射接口的直至10m、优选直至5m并且尤其优选直至1m的间距。光出射接口例如是对于激光射束而言光学可通过的窗口，该窗口可以是平面的或弯曲的窗口。应该指出的是，根据本发明的激光雷达传感器此外也能够在至光出射接口的不同于此的间距处确保眼睛安全性。原则上可以想到，如此设计所提出的双峰分布，使得该双峰分布即使在远距离区域中(例如在长达100m或300m的间距处)和/或在近距离区域与远距离区域之间的区域中也显示出来，以便即使在至激光雷达传感器更大的间距处也确保眼睛安全性。
在本发明的一种有利构型中，射束分布的中心区段中的光能最大对应于分别存在于具有峰值的区段中的光能的直至50％、优选直至20％并且尤其优选直至10％。
进一步优选地，包括峰值的区段的宽度对应于激光射束沿着激光雷达传感器的偏移方向的总宽度的2％至30％并且优选5％至25％。
优选地，从激光雷达传感器出射的激光射束是准直激光射束，并且在光出射接口处两个峰值之间的局部间距为至少1cm、优选至少1.5cm并且尤其优选至少2cm。
在本发明的一种特别有利的构型中，激光雷达传感器设置为，借助多个光学耦合的半导体激光器(也是多结激光器)来产生双峰分布。这种多个光学耦合的半导体激光器例如包括数量为4至10个的半导体激光器或不同于此的数量，这些半导体激光器以堆栈(“堆叠”)的形式布置。借助多个耦合的半导体激光器产生的射束分布还可以通过适当地确定分别相邻的半导体激光器的间距而发生变化并且因此最佳地匹配于对眼睛安全性的相应要求。替代或附加于使用多个光学耦合的半导体激光器，可以基于如下光学系统在激光雷达传感器的射束路径中产生根据本发明的射束分布：该光学系统例如具有一个或多个射束成形元件(例如透镜等)。该光学系统因此能够有利地与多个光学耦合的半导体激光器结合使用，以便例如在眼睛安全性方面进一步改善射束分布。另一方面，基于光学系统可以例如通过将光学非耦合的半导体激光器堆栈与适当的射束成形光学系统结合来仅基于这种光学系统地产生根据本发明的射束分布，从而例如可以将这种堆栈的激光射束的高斯分布转换成根据本发明的双峰分布。
在本发明的一种有利构型中，光学系统具有立方体形状的光学元件，该光学元件如此布置在激光雷达传感器的射束路径内，使得相对于该立方体的重心相对置的两个棱边位于该射束路径内。这两个棱边在射束路径内的定向优选地对应于发送单元的多个半导体激光器堆栈的布置方向。
优选地，发送单元设置为发出具有近红外范围中的波长的激光。应该指出的是，根据本发明的激光雷达传感器此外也能够产生不同于此的波长范围中的激光。
进一步优选地，根据本发明的激光雷达传感器是点式扫描仪并且尤其优选地是线式扫描仪。
附图说明
以下参照附图对本发明的实施例进行详细描述。在此示出：
图1示出根据本发明的激光雷达传感器在第一实施方式中的示意性俯视图；
图2示出根据本发明的激光雷达传感器的激光射束的局部射束分布的示例；
图3a示出激光雷达传感器的激光射束的根据本发明的局部分布的示意图；
图3b示出与图3a相对应的、激光射束在时间上的变化过程，如其由观察者所看到的那样；
图4示出光学耦合的半导体激光器堆栈的示意图；以及
图5示出根据本发明的激光雷达传感器在第二实施方式中的示意性俯视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的激光雷达传感器在第一实施方式中的示意性俯视图。在此构造为线式扫描仪的激光雷达传感器具有发送单元10，该发送单元包括多个分别由五个光学耦合的激光二极管12所组成的堆叠。各个堆叠的激光二极管12在此分别横向于所得到的激光射束15的方向地定向，而相应的堆叠在俯视图中彼此上下地布置。激光二极管12在此分别发出在近红外波长范围中的光。
光学耦合的激光二极管12分别产生对应于上述根据本发明的双峰分布的射束分布。激光二极管的相应堆叠的彼此上下地所布置的激光射束15的中心区段40具有部分的光能，该部分的光能最大对应于激光射束15的相应边缘区段45中的光能的10％。包括双峰分布的峰值50的边缘区段45的宽度在此对应于相应激光射束15的总宽度的大约25％，而激光射束15的光能的95％在此位于激光雷达传感器的偏移方向上的大约40°的辐射角内。此外，激光雷达传感器具有偏移单元20，该偏移单元设置为将通过发送单元10所产生的并通过光学系统90所成形的激光射束15沿着偏移方向30偏移到激光雷达传感器的周围环境60中。
基于上述配置，激光雷达传感器设置为在近距离区域70中确保激光射束15的观察者的眼睛安全性，该近距离区域在此是通过相对于激光雷达传感器的光出射窗口80的直至1m的间距来定义的。
图2示出根据本发明的激光雷达传感器的激光射束15的局部射束分布的一个示例。该射束分布代表激光射束的光能E在距离d上的局部分布。附加地，在此定义激光射束15的宽度17，优选地，激光射束15的光能的95％处于该宽度内。
图3a示出在不同时间点t1、t2和t3激光雷达传感器的激光射束15的根据本发明的局部分布的示意图，该激光射束通过发送单元10产生。将具有在眼睛100附近所示出的根据本发明的局部分布的激光射束15通过激光雷达传感器的(未示出的)偏移单元20在偏移方向30上偏移。由此，激光射束15的峰值50在不同的时间点照射到眼睛100的视网膜上，由此相应地提高具有这种分布的激光雷达传感器的眼睛安全性。
图3b示出与图3a相对应的、激光射束在时间上的变化过程，如其由观察者所看到的那样。由图3b尤其得知在图3a中所描述的峰值50在时间上错开地入射在观察者的眼睛100中。
图4示出根据本发明的激光雷达传感器的发送单元10的光学耦合的半导体激光器堆栈的示意图，其中，半导体激光器堆栈在此示范性地具有彼此上下地布置在衬底110上的五个激光二极管12。由该堆栈的激光射束15的光学耦合所得出的局部分布对应于上述双峰分布。
图5示出根据本发明的激光雷达传感器在第二实施方式中的示意性俯视图。第二实施方式中的激光雷达传感器具有发送单元10，该发送单元具有多个由光学非耦合的激光二极管12所组成的堆叠，其中，在此，每个堆叠具有分别三个激光二极管12的布置。通过该发送单元10所产生的激光射束12分别具有对应于高斯形状的局部分布。第二实施方式中的激光雷达传感器同样具有光学系统90，该光学系统以适当的方式影响发送单元10的激光射束15。通过激光雷达传感器的射束路径中的立方体形状的光学元件95产生根据本发明的双峰分布，这在该激光雷达传感器的近距离区域中确保该激光雷达传感器的眼睛安全性。在此，为了避免重复，没有示出激光雷达传感器的偏移单元20。

Claims (10)

1.一种激光雷达传感器，所述激光雷达传感器具有：
·发送单元(10)，和
·偏移单元(20)，
其中，
·所述发送单元(10)设置为产生如下激光射束(15)：所述激光射束沿着所述偏移单元(20)的偏移方向(30)的局部射束分布具有双峰分布，所述双峰分布在两个峰值(50)之间的中心区段(40)中的光能以预定义的因子低于与所述中心区段分别侧向相邻的、具有所述峰值(50)的区段(45)中的光能，并且
·所述偏移单元(20)设置为将通过所述发送单元(10)所产生的激光射束(15)沿着所述偏移方向(30)偏移到所述激光雷达传感器的周围环境(60)中。
2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述双峰分布的峰值(50)的高度和/或宽度和/或峰值(50)的间距是按照对所述激光雷达传感器的眼睛安全性的预定义的要求来确定的。
3.根据权利要求2所述的激光雷达传感器，其中，所述激光雷达传感器设置为在所述激光雷达传感器的光出射接口(80)的近距离区域(70)中确保眼睛安全性，其中，所述近距离区域(70)对应于与所述激光雷达传感器的光出射接口(80)的直至10m、优选直至5m并且尤其优选直至1m的间距。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述射束分布的中心区段(40)中的光能最大对应于分别存在于具有所述峰值(50)的区段中的光能的直至50％、优选直至20％并且尤其优选直至10％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，包括所述峰值(50)的区段的宽度对应于所述激光射束(15)沿着所述偏移方向(30)的总宽度的2％至30％并且优选5％至25％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，从所述激光雷达传感器中出射的激光射束是准直激光射束，并且在所述光出射接口(80)处所述两个峰值之间的局部间距为至少1cm、优选至少1.5cm并且尤其优选至少2cm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述激光雷达传感器设置为借助
·多个光学耦合的半导体激光器(12)，和/或
·所述激光雷达传感器的射束路径中的光学系统(90)来产生所述双峰分布。
8.根据权利要求7所述的激光雷达传感器，其中，所述光学系统(90)具有立方体形状的光学元件(95)，所述光学元件如此布置在所述激光雷达传感器的射束路径内，使得相对于所述立方体的重心相对置的两个棱边均位于所述射束路径内。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述发送单元(10)设置为发出具有近红外范围中的波长的激光。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述激光雷达传感器是点式扫描仪或线式扫描仪。
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