CN114868031A - 具有光学均化器的发送单元和激光雷达设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达设备的发送单元，该发送单元具有至少一个射束源并且具有发送光学器件，所述射束源用于产生具有线状的或者矩形的横截面的电磁射束，其中，所述发送单元具有光学均化器，该光学均化器在产生的射束的射束路径中布置在发送光学器件的前方或者后方，该光学均化器具有至少一个透镜阵列。另外还公开了一种激光雷达设备。

Description

具有光学均化器的发送单元和激光雷达设备

技术领域

本发明涉及一种激光雷达设备的发送单元，该发送单元具有至少一个射束源，该射束源用于产生具有线状的或者矩形的横截面的电磁射束。另外，本发明涉及一种具有这种类型的发送单元的激光雷达设备。

背景技术

为了在技术上实现自动化驾驶功能，需要传感器，例如摄像机传感器、雷达传感器和激光雷达传感器。激光雷达传感器例如用于创建精确的三维地图。为此，激光雷达传感器具有脉冲式激光器和用于使所产生的射束成形的光学器件。基于飞行时间分析能够求取激光雷达传感器与扫描区域中的对象之间的距离。

激光雷达传感器的最大作用范围基本上局限于从扫描区域中反射的光量，该光量还可以可靠地被探测器接收和分析处理。常见的用于提高激光雷达传感器的作用范围的方式在于使用更强的射束源。在车辆领域中，对射束源的可用辐射功率进行限制，用以确保眼睛安全性，所述射束源例如是激光器。

已知不同的用于遵守用于眼睛安全性的辐射功率极限值的方法，所述方法可以具有主动对象识别，并且，如果识别到行人或者交通参与者，则可以对所发射的辐射功率进行节制。然而，这种类型的方法取决于可靠的对象识别，该对象识别容易有错误并且因此可能对交通参与者来说是危险的。另外，复杂的识别算法和相应的用于调设辐射功率的调节方法在技术的实现方面是成本密集的。

发明内容

本发明所基于的任务可以在于，提出一种发送单元和一种激光雷达设备，所述发送单元和激光雷达设备提供用于对扫描区域进行扫描的均匀的(homogene)射束分布并且遵守在眼睛安全性方面的辐射功率极限值。

该任务借助独立权利要求的相应的主题来解决。本发明的有利构型是相应从属权利要求的主题。

根据本发明的一个方面，提供一种激光雷达设备的发送单元。发送单元具有至少一个射束源和发送光学器件，该射束源用于产生具有线状的或者矩形的横截面的电磁射束。根据本发明，发送单元具有光学均化器(optischen Homogenisierer)，该光学均化器在产生的射束的射束路径中布置在发送光学器件的前方或者后方，该光学均化器具有至少一个透镜阵列。

在眼睛安全性方面的极限值通过每单位面积射束源的最大允许的辐射功率来定义。至少一个射束源可以是例如激光器或者LED。通常，在产生的射束的情况下产生峰值或强度最大值，该峰值或强度最大值可以达到或者高于极限值。通过使用光学均化器，在所产生的射束的辐射功率的分布中避免这种类型的峰值。因此，所产生的射束可以具有平稳的或恒定的强度分布或辐射功率分布，该强度分布或辐射功率分布绝对不具有峰值。

发送单元可以可选地具有发送光学器件，该发送光学器件可以例如由透镜、棱镜和滤波器组成。另外，视发送单元的构型而定地，可以设置另外的光学元件、微镜、宏镜和类似物。例如，射束源可以发射所产生的具有线状的横截面的射束，所述射束由于发送单元的或者镜的运动而沿着轴摆动，以便将扫描区域曝光。

通过使用光学均化器可以提供用于对扫描区域进行扫描的射束，所述射束在近距离(Nahbereich)中具有恒定的或高原形状

的强度分布。由此，可以在确保用于眼睛安全性的极限值的同时提高辐射功率。在此，可以省去复杂和主动控制的调节机制和识别机制，所述调节机制和识别机制构成附加的错误来源。尽管发射到扫描区域中的射束的强度分布得到优化，但发送单元可以在技术上简单地构型，并且可以例如仅具有一个光学元件或者说仅具有该发送光学器件。

根据一种实施例，光学均化器具有两个彼此间隔开的透镜阵列，所述透镜阵列具有多个柱形微透镜，其中，柱形微透镜分别布置在透镜阵列的面上。优选地，柱形微透镜的图像平面布置在透镜阵列之间的间隔(Abstand)中的焦平面(Fokusebene)上。

尤其是，焦平面可以布置在两个透镜阵列之间的中心，并且可以平行于透镜阵列的平面的延伸(Ausdehnung)定向。

两个透镜阵列的柱形微透镜优选具有相同的定向，并且横向于所产生的射束的传播方向延伸。尤其是，柱形微透镜可以形成一维阵列，该一维阵列布置在每个透镜阵列的一侧上。相应的透镜阵列的第二面可以平坦地成形。

第一透镜阵列的每个柱形微透镜可以将到达的所产生的射束成像在焦平面上。因此，第一透镜阵列的每个柱形微透镜将所产生的射束成像在焦平面中，其中，柱形微透镜的相应的成像图至少局部地叠加。

第一透镜阵列的柱形微透镜的图像平面优选是第二透镜阵列的柱形微透镜的对象平面。因此，射束源的多个光学成像图在焦平面上成像，所述成像图彼此具有高度错位。第二透镜阵列的柱形微透镜将焦平面上的成像图用作用于重新叠加地成像的对象，并且因此确保对射束的优化的均一性。

根据另一实施方式，光学均化器的透镜阵列如此布置，使得设有柱形微透镜的面指向至少一个射束源的方向。根据一种替代的实施方式，其中，光学均化器的透镜阵列如此布置，使得设有柱形微透镜的面朝向彼此地或者彼此背离地指向。通过这些措施，透镜阵列可以布置在多侧上，以便实现射束的均匀的强度分布。

根据另一实施例，光学均化器具有透镜阵列，该透镜阵列具有第一面和第二面，其中，在第一面和第二面上布置有多个柱形微透镜。优选地，柱形微透镜的图像平面布置在第一面与第二面之间。由此可以使用一件式(einteilige)光学均化器。两个面上的透镜阵列分别具有多个柱形微透镜，其中，透镜阵列的相应的面的柱形微透镜彼此平行地延伸。通过一件式光学均化器，发送单元可以在技术上特别简单地构型，并且能够需要最小数量的部件。

透镜阵列的相应的面彼此背离地指向。因此，相应的面的柱形微透镜也彼此背离地指向。第一面的柱形微透镜的焦平面或图像平面优选位于透镜阵列内、优选位于透镜阵列的中心。第二面的柱形微透镜构型为使得其将第一面的柱形微透镜的共同的图像平面用作对象平面。由此可以调设用于待发射的射束的特别均匀的强度分布。

根据另一实施方式，柱形微透镜的图像平面居中地(mittig)调设在在第一面与第二面之间。由此，第二面的柱形微透镜可以使用射束源的分布的或叠加的成像图，以便提供均匀的强度分布。尤其是，两个面上的柱形微透镜可以以与透镜阵列相同的方式构型，由此能够特别高成本效益地制造光学均化器。

在另一构型中，发送单元具有均匀化平面(Homogenisierungsebene)，该均匀化平面布置在发送光学器件的区域中。

根据另一实施例，发送光学器件设置为用于构造线状的照明。

根据另一实施例，光学均化器的透镜阵列的柱形微透镜的数量、柱形微透镜的形状和/或柱形微透镜的尺寸彼此相同地或者彼此不同地构型。优选地，柱形微透镜的形状和/或柱形微透镜的尺寸在透镜阵列的面内保持不变地或者变化地构型。由此，柱形微透镜的数量、其尺寸和其尺寸分布可以沿着透镜阵列的面变化，使得发送单元的光学性能适配于不同的使用领域。

尤其是，所产生的射束可以通过柱形微透镜沿着横向于柱形微透镜的延伸的方向均匀化。

根据另一种实施方式，至少一个射束源构型为由发射器组成的阵列，其中，所述发射器如此布置，使得由射束源产生的射束形成矩形的和/或细长的

扫描图案。尤其是，射束源可以构型为由发射器组成的一维阵列或者二维阵列。所述发射器在此可以是表面发射器或所谓的VCSEL或者棱边发射器。尤其是，发射器可以构造为LED或者激光器。另外，发射器可以构型为光纤二极管棒(Faserdiodenbarren)或者具有平面波导或光纤分光器组件(Faser-Splitter-Anordnung)的光纤激光器。

根据本发明的另一方面，提供一种用于对扫描区域进行扫描的激光雷达设备。激光雷达设备具有根据本发明的发送单元并且具有接收单元。激光雷达设备的发送单元具有用于产生射束的至少一个辐射源。接收单元具有用于探测射束的至少一个探测器。

接收单元可以具有接收光学器件，该接收光学器件用于接收从扫描区域中反射的和/或背向散射的射束，该接收光学器件随后将接收到的射束聚焦到至少一个探测器上。该探测器在此可以定位在接收光学器件的聚焦平面中。

接收单元的至少一个探测器可以例如构型为CCD传感器、CMOS传感器、APD阵列、SPAD阵列和类似物。

激光雷达设备可以构型为闪光激光雷达(Flash-LIDAR)或不具有可移动的部件的固态激光雷达。替代地，激光雷达设备或者激光雷达设备的一部分可以以沿着至少一个转动轴线能旋转或者能摆动的方式构型。除此之外，激光雷达设备可以可选地是微扫描仪或者宏扫描仪。

附图说明

下面根据高度简化的示意图更详细地阐述本发明的优选实施例。在此示出：

图1示出根据一种实施方式的激光雷达设备的示意图，

图2示出两件式光学均化器的剖视图，

图3示出一件式光学均化器的剖视图，

图4示出一件式光学均化器的透视图，该透视图具有示例性的射束走向，

图5示出在不具有光学均化器的情况下射束在图4中的平面E内的示意性强度分布，

图6示出在具有光学均化器的情况下射束在图4中的平面E内的示意性强度分布，

图7示出用以说明由于使用光学均化器而产生的强度分布的变化的图表。

具体实施方式

在图1中示出根据一种实施方式的激光雷达设备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具有射束源6，该射束源具有多个发射器8。在示出的实施例中，发射器8构型为由表面发射器组成的阵列。发射器8可以发射所产生的射束7，所述射束具有例如红外的波长范围。

由射束源6产生的射束7通过发送光学器件10聚束。发送光学器件10成形为柱面透镜，该柱面透镜在高度方向y上延伸并且具有作为转动轴线的高度方向y。

射束源6产生具有线状的或方形的横截面的射束7。射束7的横截面细长地沿着高度方向y延伸。通过发送光学器件10可以将所产生的射束7准直。

另外的光学元件11构型为发送光学器件10的一部分，该另外的光学元件可以用于接管竖直的射束成形。光学元件11可以同样构型为微透镜阵列或构型为所谓的蜂窝式聚光器。

在发送光学器件10和11的射束路径中布置有光学均化器12。光学均化器12示例性地实施为一件式的透镜阵列，并且在下面的附图中更详尽地描述。光学均化器12产生具有比所产生的射束7更均匀的强度分布的射束，并且能够实现大致在光学元件11的或发送光学器件10的区域中的均匀照明。

接收单元4具有探测器14。探测器14可以接收从扫描区域1中反射的和/或背向散射的射束15，并且将所述射束转化为电测量数据。

另外，接收单元14可以具有可选的接收光学器件，所述可选的接收光学器件使经反射的和/或经背向散射的射束15成形或聚焦到探测器14上。

图2示出两件式光学均化器13的剖视图。光学均化器13具有第一透镜阵列16和第二透镜阵列18。每个透镜阵列16、18都具有多个柱形微透镜20。

柱形微透镜20分别布置在相应的透镜阵列16、18的面22上。柱形微透镜20在横向方向x上或者说横向于高度方向y延伸。

与柱形微透镜相反地布置的面24平坦地成形或以不具有另外的结构化部或者轮廓(Konturierung)的方式成形。透镜阵列16、18如此定向，使得平坦的面24面向彼此。

所产生的射束7通过第一透镜阵列16的相应的柱形微透镜20聚焦并且在焦平面F上成像。尤其是，每个柱形微透镜20都在焦平面F上产生成像图26。柱形微透镜20的成像图26在高度方向y上重叠地沿着焦平面F成像。

第一透镜阵列16的柱形微透镜20的成像图26用作第二透镜阵列18的柱形微透镜20的对象。因此，使已经重叠的成像图26重新聚焦和重叠，由此产生所形成的射束9的均匀的强度分布，所述射束被发射到扫描区域A中。

焦平面F在此形成用于第一透镜阵列16的和用于第二透镜阵列18的图像平面。柱形微透镜的相应的焦点可以优选以与焦平面F错位的方式布置。

图3示出一件式光学均化器12的剖视图。与图2所示的光学均化器13不同，该光学均化器一件式地实施。一件式光学均化器12具有透镜阵列28，该透镜阵列具有第一面22和第二面24。

柱形微透镜20不仅布置在第一面22上，还布置在第二面24上。相应的面22、24的柱形微透镜20具有共同的图像平面，该共同的图像平面延伸通过焦平面F。

在示出的实施例中，焦平面F在射束7的传播方向z上居中地或中心地(zentriert)延伸通过透镜阵列28。

图4示出一件式光学均化器12的透视图，该透视图具有示例性的射束变化过程。另外画出平面E，该平面考虑用于说明另外的附图。平面E布置在光学均化器12的后方，并且在x-y平面中延伸，该x-y平面横向于传播方向z延伸。

在图5中示出在不使用光学均化器12的情况下发射到扫描区域A中的射束在图4中的平面E内的示意性强度分布I。

射束9具有横向的强度分布I，该强度分布具有明显突出的峰值。尤其是，强度分布I基本上高斯形地构型。

图6示出在具有所使用的光学均化器12的情况下射束在图4中的平面E内的示意性强度分布I。在此，可以看到与图5中的高斯形强度分布I的明显不同。射束9具有均匀化的强度分布I。

图5中的强度分布I1与图6中的强度分布I2之间的区别在图7所示的图表中示出。

该图表示出沿着高度方向y的强度I，并且示出射束9的恒定的强度曲线I2，该强度曲线能够通过光学均化器12、13调设。

在本发明的一种有利表现形式中，一个或者多个光学器件30位于均匀化平面E中，所述光学器件使射束7成为期望的形状。在线状照明的情况下，至少一个光学器件30可以用于准直，用以在一空间方向上制造小的发散量并且在另一空间方向上制造扇形展开或大的发散量。

Claims (11)

1.一种激光雷达设备(1)的发送单元(2)，所述发送单元具有至少一个射束源(6)并且具有发送光学器件(10)，所述射束源用于产生具有线状的或者矩形的横截面的电磁射束(7)，其特征在于，所述发送单元(2)具有光学均化器(12、13)，所述光学均化器在产生的射束(7)的射束路径中布置在所述发送光学器件(10)的前方或者后方，所述光学均化器具有至少一个透镜阵列(16、18、28)。

2.根据权利要求1所述的发送单元，其中，所述发送单元(2)具有均匀化平面(E)，所述均匀化平面布置在所述发送光学器件(10)的区域中。

3.根据权利要求1或2所述的发送单元，其中，所述光学均化器(13)具有两个彼此间隔开的透镜阵列(16、18)，所述透镜阵列具有多个柱形微透镜(20)，其中，所述柱形微透镜(20)分别布置在所述透镜阵列(16、18)的面(22)上，其中，所述柱形微透镜(20)的图像平面布置在所述透镜阵列(16、18)之间的间隔中的焦平面(F)上。

4.根据权利要求3所述的发送单元，其中，所述光学均化器(13)的所述透镜阵列(16、18)如此布置，使得设有所述柱形微透镜(20)的面(22)指向所述至少一个射束源(6)的方向。

5.根据权利要求3或4所述的发送单元，其中，所述光学均化器(13)的所述透镜阵列(16、18)如此布置，使得设有所述柱形微透镜(20)的面(22)指向彼此或者背离彼此。

6.根据权利要求1所述的发送单元，其中，所述光学均化器(12)具有透镜阵列(28)，所述透镜阵列具有第一面(22)和第二面(24)，其中，在所述第一面(22)和所述第二面(24)上布置有多个柱形微透镜(20)，其中，所述柱形微透镜(20)的图像平面布置在所述第一面(22)与所述第二面(24)之间。

7.根据权利要求6所述的发送单元，其中，所述柱形微透镜(20)的图像平面居中地布置在所述第一面(22)与所述第二面(24)之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的发送单元，其中，所述两个透镜阵列(16、18)的所述柱形微透镜(20)的数量、所述柱形微透镜(20)的形状和/或所述柱形微透镜(20)的尺寸彼此相同地或者彼此不同地构型，其中，所述柱形微透镜(20)的形状和/或柱形微透镜(20)的尺寸在所述透镜阵列(16、18)的面(22、24)内保持不变地或者变化地构型。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的发送单元，其中，所述发送光学器件(10)设置为用于构造线状的照明。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的发送单元，其中，所述至少一个射束源(6)构型为由发射器(8)组成的阵列，其中，所述发射器(8)如此布置，使得由所述射束源(6)产生的射束(7)形成矩形的和/或细长的扫描图案。

11.一种用于对扫描区域(A)进行扫描的激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备具有根据上述权利要求中任一项所述的发送单元(2)并且具有接收单元(4)，所述接收单元具有至少一个探测器(14)，所述至少一个探测器用于接收从所述扫描区域(A)中反射的和/或背向散射的射束(15)。

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