CN113189604A - 激光雷达*** - Google Patents

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Abstract

本发明一种激光雷达***，其具有：用于沿着光轴发射光脉冲的光源；用于在第一方向和第二方向上偏转光轴的转向装置；用于激活和停用光源的控制单元，转向装置构造用于在第一空间方向以及第二空间方向上振荡地偏转光轴，使得光轴重复遍历二维的扫描模式，其中，第一空间方向上的振荡偏转通过第一子运动以及与之相反的第二子运动来实现，其中，第二空间方向上的振荡偏转通过第三子运动以及与之相反的第四子运动来实现，其中，控制单元构造用于，在扫描图案的预定义的位置(即像素)处操控光源分别发射一个光脉冲，控制单元还构造用于，在第一子运动和/或第三子运动期间与在第二子运动和/或第四子运动期间不同的像素处操控光源分别发射光脉冲。

Description

激光雷达***
技术领域
本发明涉及一种激光雷达***。本发明尤其涉及一种具有这类激光雷达***的车辆。
背景技术
从现有技术中已知用于间距测量的激光雷达***。这种激光雷达***的基本核心是光源，例如激光光源，该光源发射在时间上结构化的光信号。该光信号在对象处发生反射并由接收单元探测到。通过接收所反射的信号，例如能够基于信号传播时间来求取对象(在该对象处发生反射)到激光雷达***的距离。激光雷达***可以实施一维测量，即，所述光脉冲仅在唯一的位置处发射。同样地，能够实现二维测量，在该二维测量中，光脉冲照射(beleuchten)二维测量区域
Figure BDA0002899138720000011
的不同区域。在任何情况下都必须遵守关于眼睛安全的预先规定。这意味着，最大限度仅允许预定义的量的光进入到人的眼睛中。为了避免由于过高的光能而引起的眼睛损伤，这尤其是在激光设备中是重要相关的。
发明内容
根据本发明的激光雷达***构造为二维测量***。在此设置，实现以下扫描模式(Scanmuster)：该扫描模式一方面覆盖尽可能大的测量区域，另一方面满足对眼睛安全的预先规定。尤其实现：所述激光雷达***可以发射具有高能量的光脉冲，但是同时绝对不存在眼睛损伤的危险。这通过以下方式实现：在不同的时刻照射扫描模式的不同像素。
根据本发明的激光雷达***具有用于发射光脉冲的至少一个光源。光脉冲沿着激光雷达***的光轴发射。所述光轴能够由激光雷达***的转向装置偏转。转向装置构造用于在至少一个第一空间方向和第二空间方向上偏转光轴。在此，空间方向优选地彼此独立，即，尤其是彼此垂直地定向，但是至少不是彼此平行地定向。以这种方式能够实现二维扫描，因为通过转向装置能够照射二维测量区域中的每个点，其中，所述测量区域由两个空间方向展开(aufgespannt)。最后，激光雷达***具有控制单元。该控制单元用于激活和停用(deaktivieren)光源，从而可以借助控制单元来操控用于发射光脉冲的光源。
转向装置构造用于在第一空间方向和第二空间方向上振荡地偏转光轴。这意味着光轴遍历(durchlaufen)二维扫描模式。扫描模式尤其如此构造，使得以正弦形(Sinusform)或锯齿形(Zickzackform)覆盖测量区域的所有区域。
光轴在第一空间方向上的振荡偏转是通过重复的第一子运动和与第一子运动相反的第二子运动来实现的。第一子运动和第二子运动尤其是仅在运动方向上不同，而在偏转距离(Ablenkweite)上没有不同。同样地，光轴在第二空间方向上的振荡偏转是通过重复的第三子运动和与第三子运动相反的第四子运动(8)来实现的。再次，第三子运动与第四子运动之间的差异尤其仅是方向，而不是偏转距离。
控制单元构造用于，在扫描模式的预定义的位置处操控光源分别发射光脉冲。扫描模式的预定义的位置在下文中也称为像素。尤其如此预定义像素，使得通过像素覆盖待检查的整个测量区域。因此，控制单元可以检测整个测量区域，其方式为：在扫描模式的相应的预定义的位置处发射光脉冲。像素处的光脉冲尤其如此选择，使得这些光脉冲满足针对眼睛安全的预先规定并且尽可能好地降低眼睛处的负担(Belastung)。
控制单元如此构造：使得在第一子运动和/或第三子运动期间，在与在第二子运动和/或第四子运动期间不同的像素处操控光源发射光脉冲。因此，实现第一像素处的光脉冲的发射与第二像素处的光脉冲的发射之间的时间间隔。特别优选地，以这种方式能够操控光源来照射测量区域的所有像素，其中，所述照射以增大的时间和空间间隔、尤其以最大的时间和空间间隔进行。
以下示出本发明的优选扩展方案。
转向装置优选地构造用于，在前向运动(Hinbewegung)和反向运动(Rückbewegung)中沿着扫描模式偏转光轴，其中，前向运动和反向运动为相反地定向。因此，前向运动期间的扫描模式与反向运动期间的扫描模式相同。换句话说，存在唯一的扫描模式，不仅在前向运动期间而且在反向运动期间都遍历该唯一的扫描模式，从而运动是相同的，仅仅方向不同。前向运动是多个第一子运动以及多个第二子运动与单个第三子运动的叠加。以这种方式，前向运动尤其构造为正弦形或锯齿形。反向运动是多个第一子运动和多个第二子运动与单个第四子运动的叠加。优选地，控制单元附加地如此构造，使得在前向运动期间仅在第一像素处发射光脉冲。这意味着，控制单元构造用于如此操控光源，使得这些光源在前向运动期间仅在所述第一像素处发射光脉冲。相反，在第二像素处不发射任何光脉冲，从而控制单元构造为，在前向运动期间在发射光脉冲时跳过第二像素。相反，在反向运动期间进行相反的操控。因此，控制单元构造为，在反向运动期间在第二像素处操控光源发射光脉冲。在这种情况下，跳过第一像素，从而在第一像素处不发射任何光脉冲。特别有利地，第一像素和第二像素的整体形成整个测量区域。因此，特别有利地，在第一子运动和第二子运动期间在第一空间方向上始终仅照射每第二个扫过的(überstreichen)像素。为了仍然照射所有像素，在从第二空间方向上的第三子运动切换到第二空间方向上的第四子运动时，进行所照射的像素的切换。以这种方式实现，在前向运动期间仅照射第一像素，而在反向运动期间仅照射第二像素。
优选地，第一像素和第二像素在空间上紧邻地布置。这尤其意味着，第一像素和第二像素有利地沿着扫描模式紧邻地布置。因此，在不同的时刻照射相邻的像素，其中，尤其存在相邻像素的照射时刻之间的最大可能的间隔。因此实现所出现的眼睛负担显著降低，从而避免眼睛损伤。
此外，控制单元优选地构造为，在第一子运动和/或第三子运动期间仅在第一组像素处操控光源发射光脉冲。相反，在第二子运动和/或第四子运动期间，控制单元仅在第二组像素处操控光源发射光脉冲。第一组的像素和第二组的像素彼此错开地、尤其是紧邻地布置。通过这类操控尤其实现：在实施组合的第一子运动和第二子运动或者组合的第三子运动和第四子运动之后，通过这些运动所扫过的所有像素都已经被照射，其中，实现照射的时间偏移和空间偏移(Versatz)。特别地，相邻的像素不是直接依次地被照射，而是在初始的子运动期间，仅照射若干像素、尤其是每第二个像素。在随后的相反的子运动期间，照射所跳过的像素。由此能够延长光脉冲之间的时间间隔，并且因此能够降低短时间内到达眼睛的功率。
优选地设置，光源具有第一子单元和第二子单元。优选地，第一子单元和第二子单元能够由控制单元彼此独立地操控。此外，优选地设置，第一子单元和第二子单元的照射通过同一转向装置进行，这意味着，第一子单元和第二子单元的光轴能够通过同一转向装置进行偏转。因此，第一子单元和第二子单元优选彼此独立地构造为照射两个像素。因此，尤其能够彼此独立地照射两个相邻的像素。因此，特别地，在不同的子运动期间沿着扫描模式始终能够同时照射两个像素的组。由此，在第一空间方向和第二空间方向上需要更少的振荡运动来完全覆盖预给定的测量区域。因此，对转向装置的动态性提出的要求更低。
特别有利地，通过第一子单元和第二子单元的照射在光轴的不同运动期间进行。这意味着，控制单元构造成仅在第一子运动和/或第三子运动期间操控第一子单元发射光脉冲。此外，控制单元构造成仅在第二子运动和/或第四子运动期间操控第二子单元发射光脉冲。因此实现像素的照射的进一步的时间和空间分离。
转向装置有利地构造为微镜致动器(Mikrospiegelaktor)。微镜致动器允许通过倾斜镜面来进行转向。因此能够实现光源的光轴的偏转。特别地，还可以容易地且低开销地操控微镜致动器，其中，在操控所述微镜致动器时尤其能够实现高动态性。
在另一有利的构型中设置，转向装置构造为围绕两个不同的轴可倾斜的单个镜。因此，借助单个镜能够实现第一空间方向上的偏转和第二空间方向上的偏转。
在一种替代的构型中设置，转向装置具有第一镜和第二镜。在此，通过第一镜能够在第一空间方向上偏转光轴，而通过第二镜能够在第二空间方向上偏转光轴。第一镜和第二镜尤其彼此相继地(hintereinander)布置，从而由光源发射的光脉冲首先射(treffen)到第一镜上，接着射到第二镜上，或者替代地，首先射到第二镜上，然后射到第一镜上。因此又能够实现，能够在两个空间方向上进行光轴的偏转。
光源有利地是激光光源。由此，光脉冲是激光脉冲。因此，能够有效且可靠地测量距离。
有利地，所有像素彼此紧靠。由此实现：所有像素形成连通的
Figure BDA0002899138720000051
二维测量区域。因此，该测量区域可以通过光源的光脉冲进行照射。
本发明还涉及一种车辆。该车辆具有如上所述的激光雷达***。因此，尤其使得车辆能够确定至周围环境中的对象的间距。特别有利地，车辆能够求取至在车辆前方的行驶方向上的对象的间距，尤其是以便识别前方行驶的交通。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明的实施例。在附图中示出：
图1示出根据本发明的一种实施例的激光雷达***的示意图；
图2示出根据本发明的一种实施例的激光雷达***的替代的转向装置的示意图；
图3示出在第一空间方向上的偏转的时间变化过程的示意视图；
图4示出在第二空间方向上的偏转的时间变化过程的示意视图；
图5示出借助根据本发明的实施例的激光雷达***在第一运行模式期间能够生成的脉冲模式的示意视图；
图6示出通过来自图5的扫描模式对测量区域的逐像素的覆盖的示意视图；
图7示出借助根据本发明的实施例的激光雷达***在第二运行模式期间能够生成的扫描模式的示意视图；
图8示出通过来自图7的扫描模式对测量区域的逐像素的覆盖的示意视图；
图9示出具有根据本发明的实施例的激光雷达***的车辆的示意视图。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的一种实施例的激光雷达***1。激光雷达***1具有光源2、转向装置3和控制单元4。光源2用于沿光轴100发射光。在所示出的实施例中，光源2具有第一子单元2a和第二子单元2b，其中，第一子单元2a沿第一光轴100a发射光脉冲。第二子单元2b沿第二光轴100b发射光脉冲。在一种替代的构型中，可能仅存在一个光源2，该光源沿着唯一的光轴100发射唯一的光脉冲。通过使用两个子单元2a、2b，能够彼此独立地照射两个相邻的位置，其中，为此可使用唯一的转向装置3。因为第一光轴100a和第二光轴100b因此在它们的偏转上耦合，并且因此相对于彼此不可改变，所以以下为了描述偏转而仅使用光轴100，以便覆盖以下多个情况：在这些情况中，由光源2能够照射仅一个像素12、13，由光源2能够照射两个像素12、13。
转向装置3用于光轴100或光轴100a、100b在第一空间方向X以及第二空间方向Y上的偏转。空间方向X、Y彼此垂直地定向，并且尤其相应于笛卡尔坐标系中的坐标轴。
在图1中示意性地示出，转向装置3具有第一镜3a和第二镜3b。第一镜3a使得能够实现在第一空间方向X上的偏转，而第二镜3b使得能够实现在第二空间方向Y上的偏转。作为替代，可以使用在图2中示例性示出的镜元件，在该镜元件中转向装置3构造为围绕两个不同的轴可倾斜的单个的镜。以这种方式同样能够实现第一空间方向X和第二空间方向Y上的变化。
转向装置3允许通过相应地操控所使用的镜来实现光轴100的偏转运动。为此，尤其使用这种操控模式：光轴在第一空间方向X以及第二空间方向Y上都振荡地(oszillierend)偏转。在图3和图4中示出相应的操控模式。如此，图3示意性地示出在第一空间方向X上的偏转随时间t的变化过程。在此尤其是在正弦形状的偏转。如图4中示意性所示，优选地，在第二空间方向Y上存在随时间的锯齿形变化过程。因此，在任意情况下在第一空间方向X和第二空间方向Y上的偏转都由振荡运动组成。在第一空间方向X上存在第一子运动5，其中，随后实施第二子运动6。该第一空间方向X中的第一子运动5和第二子运动6相反地定向。这同样适用于第二空间方向Y。在此也存在相反的子运动，其中，实施多个第三子运动7和相反的第四子运动8。通过这些子运动5、6、7、8的叠加能够实现扫描模式9，这在图5至8中示意性地示出。
图5和6示出根据本发明的实施例的激光雷达***1的第一示例性运行模式。通过上述子运动5、6、7、8的叠加实现正弦曲线形式的扫描模式9，其中，光轴100沿着该扫描模式9运动，该扫描模式9具有前向运动10和反向运动11。这尤其通过以下方式实现：在第一空间方向X上的振荡运动比在第二空间方向Y上的振荡运动具有更高的频率。因此，同一扫描模式9首先沿着前向运动10、随后沿着反向运动11来回运动(durchlaufen)。
控制单元4设置用于，在扫描图案上的预定义的位置处通过光源3发射光脉冲。这些预定义的位置以下也称为像素12、13。通过照射像素12、13尤其能够实现通过激光雷达***1完全覆盖二维的测量区域。
为了能实现单个像素12、13的照射的尽可能大的空间和时间分离，设置：在前向运动10上仅在第一像素12处发射光脉冲，而第二像素13不被照射。相反，在反向运动11上照射第二像素13，而第一像素12不被照射。第一像素12和第二像素13沿着扫描模式9交替地布置，使得在前向运动和反向运动中实现跳过每第二个像素。由此，一方面实现照射全部存在的像素12、13，其中同时实现，照射具有增大的时间和空间间隔。以这种方式能够提高激光雷达***1的眼睛安全性。
扫描模式9既可以借助光源2也可以借助光源3实现，所述光源2仅发送单个光脉冲，所述光源3具有上述子单元2a、2b并因此能够发射两个光脉冲。在图5中示意性地示出如何仅发射单个光脉冲。在图6中示意性地示出两个子单元2a、2b如何同时发射光脉冲以用于更好的覆盖。在图5中，在第一子运动5以及第二子运动6期间均进行像素12、13的照射，也就是说，在同时的第三子运动7期间照射第一像素12，并且在同时的第四运动8期间照射像素13，然而，在如图6所示使用两个子单元2a、2b时，仅在第一子运动5期间进行照射，但在第二子运动6期间不进行照射。因为在第一子运动5期间总是照射在第二空间方向Y上相邻的两个像素12、13，所以在第二子运动6期间不再需要这种照射。以这种方式尤其产生测量区域的全区域照射，其中，各个像素12、13在空间上和时间上不同的时刻被照射。
图7和图8示出图1中示出的激光雷达***1的第二运行模式。在该运行模式中设置，控制单元4彼此独立地操控光源2的第一子单元2a和第二子单元2b。因此设置，在前向运动期间仅第一子单元2a发射光脉冲，其中，这又只适用于第一像素12。第二子单元2b在前向运动10期间保持完全未激活。相反，在反向运动11期间仅使用光源2的第二子单元2b来照射像素12、13，其中，在此如上所述仅照射第二像素13。此外，在第一子运动5期间和第二子运动6期间均进行照射。如此，在图7中示意性地示出，如果同时叠加第三子运动7，则在第一子运动5期间照射第一像素的第一子组12a，而在第二子运动6期间照射第一像素的第二子组12b。相反，如果叠加第二子运动8，则在第一子运动5上进行第二像素的第一组13a的照射，而在第二子运动6期间进行第二像素的第二组13b的照射。所有这些像素组12a、12b、13a、13b错开地布置，并且其整体完全覆盖待检测的测量区域。然而，由于第一子单元2a和第二子单元2b的不同的操控时刻，实现存在照射的最大时间和空间间隔。
最后，图9示出车辆14。车辆14具有据本发明的实施例的激光雷达***1。因此，激光雷达***1能够沿着可偏转的光轴100发射光脉冲。由于上述运行模式，能够实现改善激光雷达***1的眼睛安全性。

Claims (12)

1.一种激光雷达***(1)，所述激光雷达***具有：
至少一个光源(2)，所述至少一个光源用于沿着光轴(100)发射光脉冲，
至少一个转向装置(3)，所述至少一个转向装置构造用于在至少一个第一方向(X)和第二方向(Y)上偏转所述光轴(100)，
控制单元(4)，所述控制单元用于激活和停用所述光源(2)，
其中，所述转向装置(3)构造用于，在所述第一空间方向(X)以及所述第二空间方向(Y)上振荡地偏转所述光轴(100)，使得所述光轴(100)重复遍历二维的扫描模式(9)，
其中，所述光轴(100)在所述第一空间方向(X)上的振荡偏转通过重复的第一子运动(5)以及与所述第一子运动(5)相反的第二子运动(6)来实现，
其中，所述光轴(100)在所述第二空间方向(Y)上的振荡偏转通过重复的第三子运动(7)以及与所述第三子运动(7)相反的第四子运动(8)来实现，
其中，所述控制单元(4)构造用于，在所述扫描图案(9)的预定义的位置处操控所述光源(2)分别发射光脉冲，所述预定义的位置以下称为像素(12，13)，
其中，所述控制单元(4)构造用于，在所述第一子运动(5)和/或第三子运动(7)期间，在与在所述第二子运动(6)和/或第四子运动(8)期间不同的像素(12，13)处操控所述光源(2)分别发射光脉冲。
2.根据权利要求1所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述转向装置(3)构造用于，在前向运动(10)和反向运动(11)中沿着所述扫描模式(9)偏转所述光轴(100)，
其中，所述前向运动(10)是多个第一子运动(5)以及多个第二子运动(6)与单个第三子运动(7)的叠加，
其中，所述反向运动(11)是多个第一子运动(5)以及多个第二子运动(6)与单个第四子运动(8)的叠加，
其中，所述控制单元(4)构造用于，在所述前向运动(10)期间仅在第一像素(12)处操控所述光源(2)发射光脉冲，并且跳过第二像素(13)，而在所述反向运动(11)期间仅在所述第二像素(13)处操控所述光源(2)发射光脉冲，并且跳过所述第一像素(12)。
3.根据权利要求2所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述第一像素(12)和所述第二像素(13)在空间上尤其沿着所述扫描模式(9)紧邻地布置。
4.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述控制单元(4)构造用于，在所述第一子运动(5)和/或第三子运动(7)期间仅在第一组像素(12a，13a)处操控所述光源(2)发送光脉冲，而在所述第二子运动(6)和/或第四子运动(8)期间仅在第二组像素(12b，13b)处操控所述光源(2)发送光脉冲，其中，所述第一组像素(12a，13a)和所述第二组像素(12b，13b)彼此错开地布置，尤其是紧邻地布置。
5.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述光源(2)具有第一子单元(2a)和第二子单元(2b)，其中，所述第一子单元(2a)和所述第二子单元(2b)构造用于彼此独立地照射两个像素，尤其是两个相邻的像素。
6.根据权利要求5所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述控制单元(4)构造用于，仅在所述第一子运动(5)和/或所述第三子运动(7)期间操控所述第一子单元(2a)发射光脉冲，并且仅在所述第二子运动(6)和/或第四子运动(8)期间操控所述第二子单元(2b)发射光脉冲。
7.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述转向装置(3)构造成微镜致动器。
8.根据权利要求7所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述转向装置(3)构造成围绕两个不同的轴可倾斜的单个的镜。
9.根据权利要求7所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述转向装置(3)具有第一镜(3a)和第二镜(3b)，其中，所述光轴(100)通过所述第一镜(3a)能够在所述第一方向(X)上偏转，并且所述光轴(100)通过所述第二镜(3B)能够在所述第二方向(Y)上偏转。
10.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所述光源(2)是激光光源，使得所述光脉冲是激光脉冲。
11.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达***(1)，其特征在于，所有像素(12，13)彼此紧靠，使得所有像素(12)形成连通的二维测量区域。
12.一种车辆(14)，所述车辆具有根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达***(1)。
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