CN110662980A - 用于扫描空间角度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于借助至少两个电磁射束扫描空间角度的方法，其中，产生至少一个电磁射束，接着通过能旋转的反射镜将其沿着水平角度和/或沿着竖直角度转向，将空间角度借助所述至少一个电磁射束扫描和当在一对象上反射之后将至少一个被反射的电磁射束通过可与反射镜同步地沿着水平角度旋转的接收光具接收。此外公开了一种用于执行该方法的激光雷达设备。

Description

用于扫描空间角度的方法和设备
技术领域
一种用于借助至少一个电磁射束扫描空间角度的方法，以及一种激光雷达设备。
背景技术
已知转动的3D扫描器，其按激光雷达(Light Detection And Ranging)原理运行。在此通常将激光射束蜿蜒形转向，使得可扫描空间角度。除了沿着竖直延伸的转动轴线转向，还存在激光射束沿着水平转动轴线或者说枢转轴线的附加的转向。激光射束通常被线形转向，使得将整个空间角度以限定的分辨率扫描。关键的尤其是激光射束的扫描路径之间的间距。因而必须达到这种设备的分辨率和扫描频率之间的折中。为了弥补激光射束的扫描路径之间的空缺并且提高3D扫描器的分辨能力，例如已知交错-方法，该方法可类似于跳行方法通过分别在整个空间角度上的多个扫描过程或者说附加扫描将扫描路径之间的可能的间距减小。但在此扫描频率以附加扫描的数量减小。
发明内容
本发明的任务可视为，提供一种用于在扫描频率至少保持不变的同时以提高的分辨率扫描一区域或者说空间角度的激光雷达设备和方法。
该任务借助独立权利要求的主题解决。本发明的有利的构型是从属权利要求的主题。
按照本发明的一个方面，提供一种用于借助至少一个电磁射束扫描空间角度的方法。在第一步骤中产生至少一个电磁射束和接着通过能旋转的或者说能枢转的反射镜将其转向一水平角度和/或一竖直角度。所述至少一个电磁射束通过复制单元、例如分束器分成具有不同的空间角度的至少两个子射束，其中，空间角度的扫描借助所述至少两个电磁射束发生。所述至少两个电磁射束可被空间中的对象反射或散射。通过可与反射镜同步地沿着水平角度旋转的接收光具接收至少一个被反射的电磁射束。反射镜的整个枢转区域并从而电磁射束在空间中覆盖的整个角度区域可成像到相对应的探测器元件上。
由此可将扫描器或者说激光雷达设备的测量率——该测量率是每一圈或者说每角度区域的测量点的数量——至少翻倍。帧速率或者说扫描频率在此可保持不变或提高。所述至少一个电磁射束优选通过激光器或其他光源例如强聚焦的LED产生。激光器可固定地或者说不能旋转地定位并且沿竖直延伸的转动轴线的方向射到反射镜或微反射镜上。这可将激光器的热附接简化。水平角度和竖直角度在此展开一空间角度，该空间角度可以是圆锥形的或棱锥形的。所述至少两个射束在此可水平并排布置，使得由每个扫描路径形成可并排布置的至少两个扫描路径。由此可在扫描频率保持不变的情况下扫描较大的水平角度或在水平角度保持不变的情况下使得能提高扫描频率。在水平角度保持不变且扫描频率保持不变的情况下可实现水平分辨率的提高。每个扫描路径包括相对彼此具有时间上的间隔的多个测量点或者说射束脉冲。通过该时间上的间隔，可在分析处理所接收的反射的测量点时将产生的每个测量点单义地配属给产生的测量点。所述至少两个射束替代地可竖直并排地布置，使得类似于水平布置，可增大竖直角度、扫描频率或竖直分辨率。这些特性的组合是可能的。替代地或附加地可使用对可能的最大枢转区域要求较小的相应的转向反射镜。由此形成在设计反射镜或者说μ反射镜方面的更大设计自由度。此外可防止或至少减少散辉，因为基于接收光具，对应的射束被成像到分开的探测器元件上。因为产生的所述至少一个电磁射束分成具有不同空间角度的至少两个子射束，所以接收的至少两个射束到探测器元件上的相遇点还在空间上相互远离。因而一个探测器元件的过渡照亮不会导致或仅有限地导致相邻探测器元件的过渡照亮。
按照所述方法的一实施例，所述至少两个电磁射束通过在角度上错开的至少两个射束源产生。在此，两个或更多个相邻的射束源、例如激光器可并排布置并且分别向反射镜发出一个射束。所述至少两个射束源在此可在角度上错开，使得在通过反射镜进行的转向过程之后这些射束同样具有相对彼此的角度错开量。替代地，所述至少两个射束源也可相互平行地定向并从而产生平行射束。角度错开量在此可通过反射镜拱起实现。此外可通过反射镜拱起将所述至少两个射束的角度错开量增大或减小。
按照所述方法的另一实施例，通过至少一个射束源产生至少一个电磁射束，其中，将所述至少一个电磁射束通过后接于能旋转的所述反射镜的分束器分成至少两个电磁射束。分束器可例如通过多个对于电磁射束可部分透过的反射镜实现。根据反射镜的定向或者说角度位态而定，分出的各射束可具有相对彼此个体化的角度。这些射束可例如相互平行地定向或相对彼此具有变化的角度错开量。替代地，产生的射束也可通过棱柱、分束器立方体或衍射光学元件均匀地或不均匀地分成或者说分解成至少两个射束。分束器优选布置在所述至少一个电磁射束的光学路径中。
在所述方法的另一实施例中，将产生的所述至少两个电磁射束相互间隔开地产生。由此，产生的这些电磁射束具有相对彼此的限定的间距，该间距与要扫描的对象或目标无关。这可将扫描的区域的分析处理简化。
按照所述方法的另一实施例，将产生的所述至少两个电磁射束与彼此在角度上错开地产生。由此，产生的这些射束具有相对彼此的角度错开量，使得这些射束随着与至少一个射束产生器的增大的距离而与彼此远离。由此可扫描更大的角度区域。
在所述方法的优选实施例中，将各至少两个平行的电磁射束组合成各一射束组。由此，一个射束组的所有射束具有相对于共同的光学轴线的相同的角度。其他的或者说另外的射束组具有不同的角度。由此可将产生的至少两个并接着从所扫描的对象点反射的射束通过接收光具这样转向，使得各一射束组的射束射到一探测器元件上。这有利地影响在近场区域中的眼睛安全性。在近场区域中，所需的光能量被分到在射束组中包含的射束的数量上。因为不再使用唯一的射束而是使用至少两个射束用于扫描空间角度，所以每个射束可实施得较弱，使得可改善眼睛安全性，因为可能与眼睛接触的射束不那么强地集中或者说强度不那么高地存在。在远场中，射束组的单射束彼此叠加，使得射束中的光能量集束地射到对象点。与基于单个电磁发送射束的***相比，在此可在眼睛安全性方面实现提高的测量区域。
按照所述方法的另一实施例，将至少一个射束组的至少两个电磁射束以相互平行地定向的方式产生。由此，一个射束组的多个射束可具有相对于共同的光学轴线的相同的角度。其他或者说另外的射束组可具有不同的角度。通过一个射束组的所有射束的相同的角度可将射束组在技术上简单地实现。
按照所述方法的另一实施例，将通过接收光具接收的至少一个被反射的电磁射束传导到至少一个探测器组上。在此可给产生的每个射束组配属一个探测器组。接收光具在此可将被反射的射束根据与接收光具的光学轴线的角度或偏差而定转向或者说传导到确定的探测器组上。
在所述方法的另一实施例中，将至少一个探测器元件基于间距或角度错开量配属给产生的至少一个电磁射束或射束组。探测器元件可相对于产生的射束组的射出角度或定向布置，使得限定的射束组的被反射的射束可尽可能射到为此所设的探测器元件上。
根据本发明的另一方面，提供一种用于按照本发明的一个方面的方法借助至少一个电磁射束扫描空间角度的激光雷达设备。激光雷达设备具有至少一个射束源用于产生至少一个电磁射束。产生的所述至少一个电磁射束可通过反射镜沿着水平角度和/或沿着竖直角度转向。所述设备具有可与反射镜同步旋转的接收光具，用于接收至少一个在一对象上被反射的电磁射束，其中，产生至少两个电磁射束。
由此可取代一个扫描路径产生至少两个并排布置的扫描路径。可将扫描路径之间的可能的空缺减小，以便提高激光雷达设备的分辨率，因为已在反射镜的枢转运动期间产生至少两个扫描路径。替代地可在扫描路径之间的间距保持不变的情况下根据所产生的射束的数量而定将用于扫描限定的空间角度或角度的时间减少并从而提高扫描频率。扫描路径在此可直线地沿竖直或水平方向延伸或蜿蜒形延伸。
按照激光雷达设备的一实施例，反射镜、接收光具和所述至少一个探测器元件可与彼此相关或无关地沿着竖直延伸的转动轴线旋转。在此，接收光具可与反射镜同时旋转或枢转或具有时间上的延迟。所述至少一个探测器元件或者说探测器排列在此可耦合到接收光具上或固定地或者说独立于所述设备的能旋转的其他构件布置。优选，反射镜或微反射镜、接收光具和所述至少一个探测器元件完成一致的运动。
在激光雷达设备的优选实施例中，反射镜可正交于转动轴线地枢转。这种反射镜可在技术上特别简单实施。在此有利地，转动轴线可与通过射束源产生的至少一个电磁射束在该射束通过反射镜转向之前重合。射束源因而可固定地实施，使得射束源在激光雷达设备的运行中经受较小的机械应力。此外，可将固定的射束源最佳地热调制和在技术上简单地附接到后接的分析处理单元上。
附图说明
在后面根据强烈简化的示例图详细解释本发明的优选实施例。在此示出：
图1a按照第一实施例的激光雷达设备的示意图，
图1b按照第一实施例的激光雷达设备的示意图，其中，反射镜不同地偏转，
图2按照第二实施例的激光雷达设备的示意图，
图3按照第三实施例的激光雷达设备的示意图，
图4按照第四实施例的激光雷达设备的示意图。
在附图中，相同的结构元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1a和1b示出激光雷达设备1的第一实施例。该激光雷达设备1具有射束源2，其按照本实施例是激光器2。激光器2固定地布置在设备1中并且产生电磁射束4。产生的射束4竖直地从激光器2延伸至反射镜6并限定出设备1的竖直转动轴线V。反射镜6这样布置在设备1中，使得竖直转动轴线V居中地穿过反射镜6。反射镜6将所产生的射束4反射并且将射束4转向到限定的方向。反射镜6可沿着转动轴线V旋转地受支承并且例如可自由地在任意限定的区域中转动或枢转。在转动中，反射镜6完成沿一旋转方向指向的无中断的运动。在枢转过程中，反射镜在到达确定的角度或者说水平角度或竖直角度时变换其枢转或者说旋转方向。在转动或枢转中，反射镜6将产生的射束4相应于反射镜6的定向连续地进行转向。反射镜6具有附加的水平转动轴线H。沿着水平转动轴线H，反射镜6完成在限定的竖直角度中的枢转运动。按照该实施例，在电磁射束4的光路中在反射镜6后接有一分束器8。分束器8可包括多个可部分透过的反射镜10，它们优选将产生的射束4部分透过和部分反射。替代地，分束器8也可以是分束器棱柱。分束器10可绕竖直转动轴线转动并且与反射镜6连接，使得产生的射束4最佳地传导到分束器8上。部分地反射的射束12被传导到可部分透过的另外的反射镜10上并且在那里重新部分透过和部分反射。由此可产生多个射束4，12。射束4，12在此沿着设备1的竖直定向相互间隔开。分出的射束12具有与原始射束4不同的射出角度，使得可扫描较大的竖直角度。竖直角度和水平角度展开一空间角度，该空间角度可以是圆锥形的或棱锥形的。产生的射束4，12脉冲式运行并且相应于反射镜6的运动沿着整个空间角度蜿蜒形转向。因而激光雷达设备1可借助射束4扫描所述空间角度。由于产生的射束4，12的更高的数量，设备1具有多个探测器元件14，其与射束4，12的数量和定向相匹配。为了反射镜6可在机械上简单实施，其也可以沿着竖直转动轴线V朝一旋转方向转动并且在确定的角度区域中被屏蔽，使得射束4，12仅仅可在限定的水平角度中离开设备1。为了接收在对象17上被反射的射束16，设备1具有同样可与反射镜6同步转动或枢转的接收设备18或者说接收光具18，其将经反射的射束16聚焦和转向到限定的探测器元件14上。因而可给确定的射束4，12，16配属限定的探测器元件14，使得整个枢转角度或至少部分枢转角度可在探测器上成像。在图1b中，反射镜6具有相对于图1a沿着水平转动轴线H改变的枢转角度。按照本实施例，分束器8在竖直定向方面静态实施。分束器8虽然能够与反射镜6同步地转动，但可部分透过的反射镜10按照本实施例并不补充调节。但这在技术上同样可实现。
图2示出按照第二实施例的激光雷达设备1。与第一实施例不同，该激光雷达设备1具有一分束器8，该分束器将产生的射束4，12这样分开及转向，使得射束4，12可组合成三个射束组20，22，24，其中，在一个射束组20，22，24中的射束4，12相互平行延伸。不同的射束组20，22，24的射束4，12在此具有相对彼此的角度错开量。按照本实施例，各两个相邻的射束4，12组合成一个射束组20，22，24。
图3示出按照第三实施例的激光雷达设备1。与第二实施例不同，在第三实施例中，并不是产生的相邻射束4，12组合成各一射束组20，22，24，而是各多个被一个或多个另外的射束12相互分开的射束4，12组合成各一个射束组。
在图4中示出按照第四实施例的激光雷达设备1。与之前所示的实施例不同，激光雷达设备1在此不具有分束器8。多个射束4在此通过多个射束源2或者说独立的激光器2产生。这些激光器2具有相对彼此的角度错开量。这些激光器2这样定位，使得产生的所有射束4与反射镜6在与竖直转动轴线V的交点相遇。产生的这些射束4同样具有角度错开量，其相应于激光器2的角度错开量。因而产生的射束4也在通过反射镜6转向之后按照通过激光器2限定的角度扩宽。

Claims (12)

1.一种用于借助至少一个电磁射束(4，12)扫描空间角度的方法，具有以下步骤；
-产生至少一个电磁射束(4)，
-通过能旋转的或能枢转的反射镜(6)将所述至少一个电磁射束(4)沿着水平角度和/或沿着竖直角度转向，
-借助所述至少一个电磁射束(4，12)扫描所述空间角度，
-将至少一个被反射的电磁射束(16)通过接收光具(18)接收，该接收光具能与所述反射镜(6)同步地沿着所述水平角度旋转，
其特征在于，
扫描通过至少两个电磁射束(4，12)发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个电磁射束(4)通过在角度上错开的至少两个射束源(2)产生。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过至少一个射束源(2)产生至少一个电磁射束(4)并且所述至少一个电磁射束(4)通过后接于能旋转的所述反射镜(6)的分束器(8)分成至少两个电磁射束(12)。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，产生的所述至少两个电磁射束(4)相互隔开间距地被产生。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，产生的所述至少两个电磁射束(4)与彼此在角度上错开地被产生。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，平行的至少两个电磁射束(4，12)被组合成至少一个射束组(20，22，24)。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，至少一个射束组(20，22，24)的至少两个电磁射束(4，12)以相互平行地定向的方式被产生。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，通过所述接收光具(18)接收的至少两个被反射的电磁射束(16)被传导到至少两个探测器元件(14)上。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，至少一个探测器元件(14)基于间距或角度错开量被配属给产生的至少一个电磁射束(4，12)或射束组(20，22，24)。
10.一种用于按前述权利要求中任一项所述的方法借助至少一个电磁射束(4，12)扫描空间角度的激光雷达设备(1)，该激光雷达设备具有：至少一个射束源(2)，用于产生至少一个电磁射束(4)；能枢转的反射镜(6)，用于将所产生的至少一个电磁射束(4)沿着水平角度和/或沿着竖直角度转向；和，能与所述反射镜(6)同步地旋转的接收光具(18)，用于接收至少一个在一对象(17)上被反射的电磁射束(16)，其特征在于，所述扫描通过至少一个电磁射束(4)发生，所述至少一个电磁射束被分成在角度上错开和/或侧向错开的至少两个子射束(12)。
11.根据权利要求10所述的激光雷达设备，其中，所述反射镜(6)、所述接收光具(18)和所述探测器元件(14)能与彼此相关地或与彼此独立地沿着竖直延伸的转动轴线(V)旋转。
12.根据权利要求10或11所述的激光雷达设备，其中，所述反射镜(6)能正交于竖直转动轴线(V)地枢转。
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