CN110691989B - 激光雷达设备和用于运行激光雷达设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备用于以至少一个射束(16)对扫描角进行扫描，所述激光雷达设备具有至少一个射束源(2)、能够旋转的偏转单元(18)并且具有探测器，所述至少一个射束源用于产生所产生的至少一个射束(4)，所述能够旋转的偏转单元用于使所产生的至少一个射束(4)偏转，所述探测器用于接收在对象上反射的至少一个射束，其中，在至少一个射束(8)的光路中在所述射束源(2)与所述偏转单元(18)之间布置有至少两个柱形透镜(12，14)，其中，至少一个柱形透镜(12，14)是能够旋转的。此外，公开一种用于运行激光雷达设备(1)的方法。

Description

激光雷达设备和用于运行激光雷达设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于以至少一个射束对扫描角进行扫描的激光雷达设备以及一种用于运行激光雷达设备的方法。

背景技术

当前的激光雷达(light detection and ranging：光检测和测距)设备利用激光器或射束源来产生激光射束，接着可以通过偏转单元——例如可旋转的镜并且通过扫描区域来使激光射束偏转。通常，由射束源如此产生射束，使得射束延伸穿过偏转单元的旋转轴线并垂直于旋转轴线偏转大约45°的角。通过旋转可以以环绕激光雷达设备360°的水平角对扫描区域进行扫描。探测器可以接收和分析处理所反射的射束。在此，不仅激光源而且探测器可以位置固定地布置。然而，在这样的激光雷达设备中，由偏转单元反射的射束通过偏转单元的旋转例如将其取向改变例如360°的水平角。如果例如产生线形的射束，则在线取向不旋转通过大的空间角的情况下不可以实现线照明。在较大的水平角的情况下，通过偏转单元在其旋转时如此旋转最初竖直定向的线形射束，使得可以将该线形射束水平定向地或对角线定向地发射到扫描区域中。

发明内容

本发明所基于的任务可以在于，提供用于以至少一个射束对扫描区域进行扫描的一种方法和一种激光雷达设备，所述至少一个射束在整个扫描范围上具有恒定的取向。

所述任务借助独立权利要求的相应的主题来解决。本发明的有利的构型是各个从属权利要求的主题。

根据本发明的一方面，提供一种用于以至少一个射束对扫描角进行扫描的激光雷达设备。所述激光雷达设备具有：至少一个射束源，其用于产生至少一个射束；可选的产生光学器件，其用于对所产生的至少一个射束进行成形；和可旋转的偏转单元，其用于使所产生的至少一个射束偏转。此外，激光雷达设备具有用于接收在对象上反射的至少一个射束的探测器，其中，在至少一个射束的射束路径中在可选的产生光学器件或射束源与偏转单元之间布置有至少两个柱形透镜(Zylinderlinse)，其中，至少一个柱形透镜是可旋转的。

在此，可以通过至少一个射束源产生至少一个电磁射束。射束源可以是例如激光器。通过可选的产生光学器件可以成形至少一个射束。点状或圆形地实施的射束例如可以聚焦成线。因此，可选的产生光学器件可以是例如柱形透镜、菲涅耳透镜、衍射光学元件、串列式柱形透镜(Tandemzylinderlinse)等。替代地或附加地，所产生的至少一个射束可以成形为点网格(Punktraster)。在此，可选的产生光学器件具有附加的分束器或者通过多个射束源产生多个射束。在点网格中，各个点分别由所产生的射束成形。点网格例如可以成形为线、圆、矩形等。通过在可旋转的偏转单元前***合适的射束偏转，可以在保持线取向的情况下将线或点网格越过所有空间方向发射到周围环境或扫描区域中。因此，可以与所产生的并且通过偏转单元偏转的射束的取向的旋转起反作用。这可以类似地应用在所产生的点网格的情况下。在此，在偏转单元旋转例如360°期间，将点网格的所产生的点在其顺序方面调换两次。所产生的至少一个射束的倾斜或旋转引起所产生并且成形的至少一个射束的面积的持续变化，并且因此也引起激光雷达设备的扫描范围的变化或激光雷达设备的竖直扫描角的变化。至少两个经组合的柱形透镜布置成以一角度彼此旋转。柱形透镜彼此具有小于柱形透镜的焦距的间距。有利地，柱形透镜具有相同的光学特性，例如焦距、几何尺寸和折射率。替代地，柱形透镜在其光学特性方面可以彼此不同。在此，至少一个柱形透镜布置成可以绕其光学轴线旋转。在此，多个柱形透镜也可以作为复合体可共同旋转地布置。在复合体中，柱形透镜可以彼此具有限定的恒定的或可变的角度偏移(Winkelversatz)。柱形透镜的光学轴线优选地同时是所产生的至少一个射束的光学轴线。在此，至少一个柱形透镜或至少两个柱形透镜的复合体可以与偏转单元的旋转同步地旋转。替代地或附加地，可以根据激光雷达设备的应用领域来降低或提高转速。由此，例如可以改变竖直的扫描角度并且例如可以减小或增大扫描区域的竖直扫描宽度。因为至少一个射束在整个旋转期间以相同的定向射到偏转单元上，所以至少一个射束的取向和分布在偏转设备的所有辐射角的情况下不变化或以限定的方式变化。通过使用彼此旋转地布置的至少两个柱形透镜使所产生的并且已经成形的至少一个射束在至少两个步骤中旋转。由此，所产生和成形的射束的尽可能多的光学信息被传输通过柱形透镜并且损耗被最小化。

根据激光雷达设备的一个实施例，偏转单元具有至与偏转单元相邻的柱形透镜的如下间距：所述间距相应于相邻的柱形透镜的焦距。由此，将通过与偏转单元相邻的柱形透镜聚束的射束聚焦到偏转单元上。因此，偏转单元位于相邻的柱形透镜的焦点处并且能够实现射束通过偏转单元在扫描区域中的最佳成像。

根据激光雷达设备的另一实施例，至少两个柱形透镜在此彼此旋转45°角地布置。由射束源产生的原来圆形的射束通过可选的生成光学器件或第一柱形透镜成形为线。通过布置成彼此旋转45°的两个另外的柱形透镜，可以使线形射束在偏转单元上旋转。偏转单元例如可以是可旋转的镜。

根据设备的另一实施例，偏转单元具有至与所述偏转单元相邻的柱形透镜的如下间距：所述间距大于所述相邻的柱形透镜的焦距。由此，偏转单元可以具有至柱形透镜的以下间距：所述间距大于至最靠近偏转单元地布置的柱形透镜的焦距。由此，可以灵活地构建激光雷达设备并且激光雷达设备不受柱形透镜的光学特性的限制。在此，至少两个柱形透镜优选彼此旋转90°角地布置。由于偏转单元离与偏转单元相邻的柱形透镜比其焦距更远，所以柱形透镜必须布置成彼此旋转90°的角，以便使射束的旋转可以在偏转单元上成像。

根据激光雷达设备的一个优选的实施例，至少一个柱形透镜可以与偏转单元同步地旋转。为此，至少两个柱形透镜可以例如与偏转单元机械地或电子地连接。因此，柱形透镜可以作为复合体与偏转单元以相同的角速度进行旋转。偏转单元尤其可以用作用于至少两个柱形透镜的复合体的机械驱动器或者用于单个柱形透镜的机械驱动器。替代地，至少两个柱形透镜可以作为复合体地或者所述柱形透镜中的一个可以单独地配备有适用于旋转的单独的驱动器，从而可以相应于偏转单元的电子信号使柱形透镜旋转或同步。

根据另一实施例，至少一个柱形透镜固定地布置。因此，至少一个柱形透镜与射束源和探测器共同固定地布置并且不一同旋转。因此，至少一个柱形透镜进一步实施成可旋转的，以便能够校正射束的取向。由此，仅仅必须使一个柱形透镜一同旋转，从而可以减小旋转质量。

根据另一实施例，所产生的至少一个射束具有线形。所产生的射束可以根据应用领域和由此得出的要求、通过可选的产生光学器件任意成形。射束例如可以实施成线性。优选地，射束具有二维线形，借助该二维线形可以对扫描区域进行扫描。有利地，在这种情况下，可选的产生光学器件是柱形透镜或者是由柱形透镜与另外的光学元件构成的组合。因此，可选的产生光学器件可以在技术上简单地以唯一的柱形透镜的形式实施。

根据激光雷达设备的另一实施方式，所产生的至少一个射束具有点形。由此，可选的生成光学器件可以具有分束器、衍射光学元件等，其可以将由射束源产生的至少一个射束进行划分或呈扇形扩展成多个射束。在此优选地，各个射束形成可以用于照射扫描区域的各个射束点。可以通过点网格脉冲式地或连续地照射扫描区域。由此，激光雷达设备也可以同轴地构造并且同时发送所产生的射束并且接收所反射的射束。为此，所产生的射束和所反射的射束可以彼此具有至少一个微小的偏移并且优选射到偏转单元上的不同区域上。因为至少一个柱形透镜实施成可旋转，所以所产生的具有各个射束的点网格与偏转单元的定向无关地保持该点网格的取向。由此，各个射束的顺序保持恒定。

根据激光雷达设备的另一实施例，偏转单元具有平面镜或曲面镜。在技术上简单的实施中，偏转单元可以以可旋转的或可摆动的平面镜的形式实施。替代地，镜可以具有弯曲的或轮廓化的表面，其可以构型用于校正柱形透镜的像差。

根据本发明的另一方面，提供一种用于运行激光雷达设备的方法，所述激光雷达设备用于以至少一个射束对扫描角进行扫描。产生至少一个射束并且通过可选的产生光学器件对至少一个射束进行成形。接着，通过至少一个可旋转的柱形透镜使至少一个射束绕光学轴线进行旋转并且成像到偏转单元上。通过偏转单元可以使至少一个射束沿着扫描角偏转。如果对象位于扫描区域中，则在所述对象上反射的至少一个射束由探测器通过可选的接收光学***接收并且转换成电信号。接着可以处理和分析处理电信号。

通过至少一个可旋转的柱形透镜可以使所产生和成形的射束或多个射束直接或间接地根据偏转单元进行旋转。因此，至少一个射束的取向可以在照射扫描区域时被校正、影响或恒定地定向。优选地，通过至少两个柱形透镜使所产生的并且通过可选的产生光学器件成形的至少一个射束进行旋转。由此，使至少一个射束以多个阶段绕其光学轴线旋转并且相应于偏转单元的定向地被调准。

附图说明

以下根据强烈简化的示意图详细阐述本发明的优选实施例。在此，

图1示出根据第一实施例的激光雷达设备的示意图；

图2示出在根据第一实施例的激光雷达设备的柱形透镜复合体(Zylinderlinsenverbund)的不同旋转角位置的情况下射束在偏转单元上的成像；

图3示出根据第二实施例的激光雷达设备的示意图；

图4示出在根据第二实施例的激光雷达设备的柱形透镜复合体的不同旋转角位置的情况下射束在偏转单元上的成像；

图5示出根据第三实施例的激光雷达设备的示意图；

图6示出在根据第一实施例的激光雷达设备的柱形透镜复合体的不同旋转角位置的情况下射束在偏转单元上的成像；

图7示出根据第一实施例的用于对扫描区域进行扫描的方法。

在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。为了清楚起见，在附图中仅仅对理解本发明主要的结构元件进行编号。

具体实施方式

图1示出根据第一实施方式的激光雷达设备1的示意图。在此，激光雷达设备1具有用于产生至少一个电磁射束4的射束源2。根据该实施例，射束源2是产生激光射束4的激光器2。所产生的射束4射到产生光学器件6上。产生光学器件6是柱形透镜6，其将所产生的射束4在竖直方向V上聚焦并且在柱形透镜6的焦点后呈扇形扩展成线形射束8。接着，线形射束射到柱形透镜复合体10上，柱形透镜复合体由两个柱形透镜12、14组成。柱形透镜复合体10实施为可以作为整体进行旋转。在此，激光雷达设备1的光学轴线A用作旋转轴线。根据该实施例，这两个柱形透镜12、14布置成彼此旋转45°的恒定角度。在两个步骤中，通过可旋转的柱形透镜复合体10将射束8绕光学轴线A旋转。接着，可以将经旋转的射束16成像到可旋转的偏转单元18上。偏转单元18沿着扫描区域反射经旋转的射束16。偏转单元18例如可以是可旋转的镜18。根据该实施例，偏转单元18具有至其相邻的柱形透镜14的如下间距：所述间距相应于柱形透镜14的焦距。在此，柱形透镜复合体10与偏转单元18同步旋转并且使射束8如此定向，使得经旋转的射束16以恒定的取向射到偏转单元18上并且因此以恒定的取向反射到扫描区域中。

图2示出在根据第一实施例的激光雷达设备1的整个柱形透镜复合体10的不同旋转角的情况下，经旋转的射束16在偏转单元18上的成像20。在此，柱形透镜复合体10的旋转角相对于根据图1的柱形透镜复合体10的定向示出，其示出90°的旋转角。

在图3中示出根据第二实施例的激光雷达设备1的示意图。与第一实施例不同，激光雷达设备1具有偏转单元18，所述偏转单元18以距相邻的柱形透镜14一间距地布置。在此，所述间距大于柱形透镜14的焦距。为了可以使经旋转的射束16在偏转单元18上最佳地成像，柱形透镜复合体10的柱形透镜12、14彼此成90°角地旋转。

图4在此示出在根据第二实施例的激光雷达设备1的柱形透镜复合体10的不同旋转角位置的情况下，经旋转的射束16在偏转单元18上的成像20。根据图3，柱形透镜复合体10具有0°的旋转角。成像20示出为校准目的而旋转的射束16在柱形透镜复合体10的不同旋转角位置的情况下在射到偏转单元18上时的形状。

图5示出根据第三实施例的激光雷达设备1的示意图。与已经示出的实施例不同，激光雷达设备1不具有以整体旋转的柱形透镜复合体。在此，柱形透镜12连同产生光学器件6实施成固定的或不可旋转的。根据该实施例，与偏转单元18相邻布置的柱形透镜14绕光学轴线A可旋转地支承。在此，柱形透镜14实施成与偏转单元18可同步地旋转，并且相对于可旋转的偏转单元18的定向来调准成形的射束8。类似于第二实施例，偏转单元18布置在相邻的柱形透镜14的焦距之外。

在图6中示出在根据第三实施例的激光雷达设备1的柱形透镜14的不同旋转角位置的情况下旋转射束16在偏转单元18上的成像20。在此，柱形透镜14在图5中具有0°的旋转角。在此，尤其明显的是，在单个柱形透镜14旋转时，旋转的射束16的线形转变到椭圆形并且因此与可旋转的柱形透镜复合体10相比，降低射束16的成像质量。

图7示出根据第一实施例的用于对扫描区域进行扫描的方法22。在此，产生24至少一个射束4并且由生产光学器件6对其进行成形26。接着，通过至少一个可旋转的柱形透镜12、14使成形的射束8进行旋转或定向28，并且将其投射到偏转单元18上。偏转单元18对射束16进行反射并且以射束16照射30扫描区域。将射束16如此旋转，使得射束16的取向在偏转单元的旋转范围上保持恒定。在对象上反射的射束32可以由探测器和可选的接收光学器件接收和探测。

Claims (11)

1.一种激光雷达设备(1)，所述激光雷达设备用于以至少一个射束对扫描角进行扫描，所述激光雷达设备具有至少一个射束源(2)、能够旋转的偏转单元(18)并且具有探测器，所述至少一个射束源用于产生至少一个射束，所述能够旋转的偏转单元用于使所产生的至少一个射束偏转，所述探测器用于接收在对象上反射的至少一个射束，其特征在于，在至少一个射束的光路中在所述射束源(2)与所述偏转单元(18)之间布置有至少两个以一角度彼此旋转的柱形透镜(12，14)，其中，至少一个柱形透镜(12，14)是能够绕其光学轴线旋转的。

2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述偏转单元(18)具有至与所述偏转单元(18)相邻的柱形透镜(14)的如下间距：所述间距相应于所述相邻的柱形透镜(14)的焦距。

3.根据权利要求2所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个柱形透镜(12，14)彼此旋转45°角地布置。

4.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中，所述偏转单元(18)具有至与所述偏转单元(18)相邻的柱形透镜(14)的如下间距：所述间距大于所述相邻的柱形透镜(14)的焦距。

5.根据权利要求4所述的激光雷达设备，其中，所述至少两个柱形透镜(12，14)彼此旋转90°角地布置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，至少一个柱形透镜(12，14)能够与所述偏转单元同步地旋转。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，至少一个柱形透镜(12)固定地布置。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，所产生的至少一个射束具有线形。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，所产生的至少一个射束具有点形。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达设备，其中，所述偏转单元(18)具有平面镜或曲面镜。

11.一种用于运行根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达设备(1)的方法(22)，所述激光雷达设备用于以至少一个射束对扫描角进行扫描，其中，

产生至少一个射束；

通过产生光学器件(6)来匹配至少一个射束；

通过至少一个能够旋转的柱形透镜(12，14)使至少一个射束围绕光学轴线(A)旋转；

通过能够旋转的偏转单元(18)使至少一个射束沿扫描角偏转；

由探测器接收并且记录在对象上反射的至少一个射束。