CN110300900B - 用于感测对象的激光雷达传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于感测周围环境中的对象的激光雷达传感器以及一种用于操控激光雷达传感器的方法，其中，激光雷达传感器具有：用于发射电磁辐射的光源(101)，用于将发射出的电磁辐射(105)以至少一个角度(109)偏转到周围环境中的偏转镜(104)，用于接收被对象反射的电磁辐射(106)的光学接收器(102)，和用于将接收到的电磁辐射(106)偏转到光学接收器(102)上的镜(103)。在此，镜(103)具有孔(107)，其中，孔(107)布置在光源(101)的主射束轴线(108)上。本发明的核心在于，偏转镜(104)构造为微机械偏转镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达传感器和一种用于操控根据独立权利要求前序部分所述的激光雷达传感器的方法。
背景技术
由现有技术已知不同的传感器装置，所述传感器装置能够实现，感测在例如车辆的周围环境中的扫描空间内的对象。激光雷达传感器(LIDAR,Light Detection AndRanging)属于此类传感器装置，借助所述激光雷达传感器扫描车辆的周围环境。由激光雷达传感器发射出的电磁辐射被周围环境中的对象反射或者说散射回并且被激光雷达传感器的光学接收器接收。根据该接收到的辐射可以确定对象在周围环境中的位置和距离。
由DE 102008055159 A1已知一种设备，该设备用于在探测区域中借助以通过振动的微机械镜偏转的激光束的激光扫描装置接收该设备的周围环境的几何形状。在此，在垂直方向和水平方向上的探测区域能够通过匹配微机械镜的振幅和/或振动频率预给定。
为了在车辆的确定区域中或确定区域处节省空间地安装激光雷达传感器，与迄今已知的解决方案相比具有更小的结构空间或者说更小的结构高度的激光雷达传感器是有利的。此外，尤其对于在车辆中的使用而言存在对机械稳健的激光雷达传感器的需求。
发明内容
本发明从一种用于感测周围环境中的对象的激光雷达传感器出发，所述激光雷达传感器具有至少一个用于发射电磁辐射的光源、用于使发射出的电磁辐射偏转至少一个角度进入到周围环境中的偏转镜、用于接收由对象反射的电磁辐射的光学接收器和用于将接收到的电磁辐射偏转到光学接收器上的镜。所述镜具有孔，其中，所述孔布置在光源的主射束轴线上。
根据本发明，偏转镜构造为微机械偏转镜。
偏转镜可以构造为振荡的微机械偏转镜。该偏转镜也可以构造为平稳的微机械偏转镜。
在发射出的电磁辐射的射束路径中，所述镜可以布置在光源和偏转镜之间。在接收到的电磁辐射的射束路径中，所述镜可以布置在偏转镜和光学接收器之间。
偏转镜可以沿着轴线振荡地运动。偏转镜也可以沿着轴线平稳地运动。在这种情况下，所述偏转镜是一维的偏转镜。替代地，偏转镜可以沿着两个轴线振荡地运动。替代地，偏转镜也可以沿着两个轴线平稳地运动。在这种情况下，所述偏转镜是二维的偏转镜。
本发明的优点在于，激光雷达传感器能够以小的结构空间、尤其小的结构高度实现。不但发射出的照射到偏转镜上的电磁辐射，而且接收到的照射到偏转镜上的电磁辐射可以具有小的射束直径。由此能够以相应高的扫描频率使用构造得小的偏转镜。可以实现足够机械稳健的激光雷达传感器。通过具有孔的镜，发射出的电磁辐射的射束路径和接收到的电磁辐射的射束路径可以彼此同轴地延伸。可以最大程度上避免在发射出的和接收到的电磁辐射的射束路径中的光学损失。接收到的电磁辐射主要可以借助所述镜最大程度上无损地被偏转到光学接收器上。激光雷达传感器可以具有足够大并且足够敏感的光学接收器。
在本发明的一个有利构型中设置，由光源沿着主射束轴线发射出的电磁辐射被偏转镜偏转至少一个角度作为偏转地发射出的电磁辐射进入到周围环境中，其中，所述至少一个角度与偏转镜的定向相关。
在本发明的另一有利构型中设置，激光雷达传感器还具有微光学元件场。偏转镜和所述场这样布置，使得至少一个角度配属于恰好一个微光学元件。每个元件可以配有多个不同量值的角度。
在本发明的一个优选构型中，激光雷达传感器还具有光聚束元件，该光聚束元件相对于微光学元件场隔开距离地布置。每个所述微光学元件在其被偏转地发射出的电磁辐射照射时将该偏转地发射出的电磁辐射扩宽为扩散的射束。光聚束元件将扩散的射束变换为扫描射束。该构型的优点在于，即使在发射出的电磁射束的总功率提高的情况下也可以确保眼睛安全。扫描射束的射束直径可以大于人眼的瞳孔直径。相对于散射颗粒的敏感性可以保持得低。
在偏转镜上偏转地发射出的电磁辐射不直接扫描周围环境，而是扫描微光学元件场。扫描射束被发射的方向与相应被照射的微光学元件相对于光聚束元件的光学轴线的位置相关。因此，激光雷达传感器的孔径角可以明显大于电磁辐射在偏转镜上的最大偏转角。以这种方式能够实现具有宽孔径角的扫描。
在本发明的另一优选构型中设置，微光学元件是微透镜或反射元件或光衍射元件。
聚束元件可以是光学透镜，微光学元件场位于该光学透镜的聚焦平面内。由此，扩散射束变换为扫描射束，在该扫描射束中，射束近似平行。替代地，代替透镜也可以考虑凹面镜。
在本发明的另一优选构型中设置，光聚束元件立即构成光学接收器的物镜。由此，接收到的电磁辐射可以与发射出的电磁辐射是同轴的。由此，在分析评估接收到的电磁辐射时不必考虑自相矛盾的误差(Paradoxenfehler)。借助布置在偏转镜和光学接收器之间的接收到的电磁辐射的路径中的镜可以将接收到的电磁辐射偏转到光学接收器上。
在本发明的另一优选构型中设置，在光聚束元件的光学轴线上布置有镜单元，该镜单元将偏转地发射出的电磁辐射偏转到微光学元件场上。借助镜单元同样可以将接收到的电磁辐射偏转到偏转镜上。该构型的优点在于，可以匹配激光雷达传感器的射束路径。
在本发明的一个特别优选的构型中设置，镜单元构造为拱曲的。该构型的优点在于，可以补偿成像误差。
在本发明的另一构型中设置，光学接收器具有两个或多个探测器元件，其中，所述两个或多个探测器元件行状地或作为矩阵布置。该构型的优点在于，根据接收到的电磁辐射的位置和功率可以执行在周围环境中感测到的对象的测量距离的可信度验证。该可能性尤其通过以下方式得出：偏转镜相应于电磁辐射的渡越时间引起接收到的电磁辐射的偏移。
此外，根据本发明要求保护一种用于操控激光雷达传感器的方法，用于感测周围环境中的对象。所述方法具有以下步骤：操控光源用于将电磁辐射穿过镜的孔发射，操控偏转镜用于使发射出的电磁辐射偏转至少一个角度进入到周围环境中并且借助光学接收器接收由对象反射的电磁辐射。在此，偏转镜构造为微机械偏转镜。
在本发明的一个构型中设置，这样地进行偏转镜的操控，使得偏转至少一个角度地发射出的电磁辐射照射到所述场的恰好一个微光学元件上。
附图说明
下面根据附图详细地阐述本发明的两个实施例。在此示出：
图1根据本发明的激光雷达传感器的示意图；
图2根据另一实施方式的激光雷达传感器的示意图。
具体实施方式
在图1中示出的激光雷达传感器具有激光器作为光源101的，该激光器发射在光谱的可见范围内或可选地也在红外范围内的电磁辐射105。此外，激光雷达传感器还具有镜103。镜103在其镜面中心具有孔107。镜103布置在激光雷达传感器的光源101和偏转镜104之间。镜103这样地布置，使得孔107布置在光源101的主射束轴线108上。由光源101沿着主射束轴线108发射出的电磁辐射105最大程度上无损地穿过孔107指向偏转镜104上。
偏转镜104是微机械偏转镜。如通过双箭头表示地那样，偏转镜104沿着轴线振荡地或平稳地运动。此外可能的是，偏转镜104绕着与第一轴线成直角地延伸的第二轴线振荡地或平稳地运动。偏转镜104将发射出的电磁辐射105作为偏转地发射出的电磁辐射105-1偏转到周围环境中。在此，这样地进行偏转镜104的操控，使得发射出的电磁辐射105在第一定向时被偏转至少一个角度作为偏转地发射出的电磁辐射105-1进入到周围环境中。该偏转在图1中标记为角度109。在偏转镜的第二定向时，发射出的电磁辐射105可以以至少一个与第一角度不同的其它角度作为偏转地发射出的电磁辐射105-1被偏转到周围环境中。
如果偏转地发射出的电磁辐射105-1在周围环境中照射到对象上，则电测辐射被对象反射和/或散射回。该反射和/或散射回的电磁辐射106被激光雷达传感器接收。电磁辐射106经由偏转镜104和上面已经所说明的镜103落到光学接收器102上。镜103沿着接收到的电磁辐射的光束路径布置在偏转镜104和光学接收器102之间。光学接收器102例如具有行状地或作为矩阵布置的探测器元件。
图2示出根据另一实施方式的激光雷达传感器。在该激光雷达传感器中，从光源101沿着主射束轴线108发射的并且最大程度上无损地穿过孔107指向激光雷达传感器的偏转镜104上的电磁辐射105借助偏转镜104作为偏转地发射出的电磁辐射105-1被引导到微光学元件203的场202上。在该实施例中，光衍射元件203设置为微光学元件。然而，可选地也可以设置光折射元件或光反射元件。
所述至少一个角度(发射出的电磁辐射105作为偏转地发射出的电磁辐射105-1被偏转该角度)配属于恰好一个微光学元件203-1,203-2。在图2中标出的角度109配属于微光学元件203-1。每个元件203可以配有多个不同量值的角度。例如，如果发射出的电磁辐射105被偏转镜104偏转一角度，该角度的量值与角度109的量值略微不同，则偏转地发射出的电磁辐射105-1同样照射到微光学元件203-1上。如果角度109和另一偏转角的量值的差超过预给定值，则偏转地发射出的电磁辐射105-1例如照射到相邻的微光学元件203-2上。
被偏转的电磁辐射105-1照射的光衍射元件203将偏转地发射出的电磁辐射105-1扩宽为扩散的射束205。该扩散的射束205照射到呈透镜204形式的光聚束元件上。场202和透镜204之间的距离y大约相当于透镜204的焦距。透镜204将扩散的射束205变换为近似平行的扫描射束206。扫描射束206的射束直径大于发射出的电磁辐射105的射束的射束直径。扫描射束206的射束直径大于偏转地发射出的电磁辐射105-1的射束的射束直径。
扫描射束206的发射方向与被偏转地发射出的电磁辐射105-1直线地照射的微光学元件203相对于光聚束元件的光学轴线的位置相关。以这种方式，偏转镜104也间接引起扫描射束206的偏转。扫描射束206扫过激光雷达传感器的周围环境。被扫描射束206扫过的角度范围与透镜204的焦距相关。该角度范围可以明显大于偏转镜104运动的角度范围的两倍。
在偏转镜104和场202之间设置有另一镜单元201。该镜单元201相对于场202隔开距离x地布置。所述另一镜单元201构造为曲面镜，用于补偿成像误差。镜单元201将被偏转镜104偏转的电磁辐射105这样地偏转，使得该电磁辐射沿着透镜204的光学轴线落到场202上。
Claims (9)
1.一种用于感测周围环境中的对象的激光雷达传感器，所述激光雷达传感器具有至少
·一个光源(101)，用于发射电磁辐射，
·一个偏转镜(104)，用于使发射出的所述电磁辐射(105)偏转至少一个角度(109)进入到所述周围环境中，其中，所述偏转镜(104)构造为微机械偏转镜，
·一个光学接收器(102)，用于接收被所述对象反射的电磁辐射(106)，和
·一个镜(103)，用于将接收到的所述电磁辐射(106)偏转到所述光学接收器(102)上，其中，所述镜(103)具有孔(107)，并且其中，
·所述孔(107)布置在所述光源(101)的主射束轴线(108)上，
其特征在于，
·微光学元件(203-1,203-2)的场(202)，其中，所述偏转镜(104)和所述场(202)这样地布置，使得所述至少一个角度(109)配属于恰好一个微光学元件(203-1,203-2)，
·光聚束元件(204)，其相对于微光学元件(203-1,203-2)的所述场(202)隔开距离(y)地布置，其中，每个所述微光学元件(203-1,203-2)在其被所述偏转地发射出的电磁辐射(105-1)照射时将该偏转地发射出的电磁辐射(105-1)扩宽为扩散的射束(205)，并且其中，所述光聚束元件(204)将所述扩散的射束(205)变换为扫描射束(206)。
2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其特征在于，由所述光源(101)沿着所述主射束轴线(108)发射出的电磁辐射(105)被所述偏转镜(104)偏转所述至少一个角度(109)作为偏转地发射出的电磁辐射(105-1)进入到所述周围环境中，其中，所述至少一个角度与所述偏转镜的定向相关。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述微光学元件(203-1,203-2)是微透镜或反射元件或光衍射元件。
4.根据权利要求1或2所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述光聚束元件(204)同时构成所述光学接收器(102)的物镜。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达传感器，其特征在于，在所述光聚束元件(204)的光学轴线上布置有镜单元(201)，所述镜单元将所述偏转地发射出的电磁辐射(105-1)偏转到微光学元件(203-1,203-2)的所述场(202)上。
6.根据权利要求5所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述镜单元(201)构造为拱曲的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述光学接收器(102)具有两个或多个探测器元件，其中，所述两个或多个探测器元件行状地布置或作为矩阵布置。
8.一种用于操控根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器方法，用于感测周围环境中的对象，所述方法具有以下步骤：
·操控光源(101)，用于将电磁辐射(105)穿过镜(103)的孔(107)发射；
·操控偏转镜(104)，用于使发射出的所述电磁辐射(105)偏转至少一个角度(109)进入到所述周围环境中；和
·借助光学接收器(102)接收被所述对象反射的电磁辐射(106)；
其特征在于，
所述偏转镜(104)构造为微机械偏转镜。
9.根据权利要求8所述的用于操控激光雷达传感器的方法，其特征在于，这样地进行所述偏转镜(104)的操控，使得偏转所述至少一个角度(109)地发射出的电磁辐射(105)照射到场(202)的恰好一个微光学元件(203-1,203-2)上。
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