CN110312947B - 用于检测对象的激光雷达传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测周围环境中的对象的激光雷达传感器，以及一种用于控制激光雷达传感器的方法，其中，所述激光雷达传感器具有光源(101)、偏转镜(104)和光学接收器(102)，所述光源用于发射电磁辐射，所述偏转镜用于将所发射的电磁辐射(105)偏转至少一个角(109)作为经偏转的所发射的电磁辐射(105‑1)到所述周围环境中，所述光学接收器用于接收已经由对象反射的电磁辐射(106)。本发明的核心在于，所述光学接收器(107)具有留空区域(103)，其中，所述留空区域(103)布置在所述光源(101)的主射束轴线(108)上。

Description

用于检测对象的激光雷达传感器

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的一种激光雷达传感器和一种用于控制激光雷达传感器的方法。

背景技术

由现有技术中已知不同的传感器装置，其能够实现例如车辆的周围环境中的扫描空间内的对象的检测。用于扫描车辆的周围环境的激光雷达传感器(LIDAR，LightDetection and Ranging：光探测与测距)属于所述传感器装置。由激光雷达传感器发射的电磁辐射由周围环境中的对象反射或散射回并且由激光雷达传感器的光学接收器接收。根据所接收的辐射可以确定对象在周围环境中的位置和距离。

由DE102008055159A1已知一种用于借助通过进行摆动的微机械镜进行偏转的激光射束的激光扫描在探测区域中记录设备的周围环境的几何形状的设备。在此，在垂直方向和水平方向上通过匹配微机械镜的摆动幅度和/或摆动频率可以预给定探测区域。

为了将激光雷达传感器节省位置地安装在车辆的确定区域中或确定区域处，具有比迄今已知的解决方案更小的结构体积或更小的结构高度的激光雷达传感器将是有利的。此外，尤其对于车辆中的应用存在机械稳健的激光雷达传感器。

发明内容

本发明从一种用于检测周围环境中的对象的激光雷达传感器出发，该激光雷达传感器具有至少一个光源、至少一个偏转镜和至少一个光学接收器，所述至少一个光源用于发射电磁辐射，所述至少一个偏转镜用于将所发射的电磁辐射偏转至少一个角作为经偏转的所发射的电磁辐射到周围环境中，所述至少一个光学接收器用于接收已经由对象反射的电磁辐射。

根据本发明，光学接收器具有留空区域(Aussparungsbereich)，其中，该留空区域布置在光源的主射束轴线上。

偏转镜可以沿轴线进行振荡地运动。在这种情况下，涉及一维的偏转镜。替代地，偏转镜可以沿两个轴线进行振荡地运动。在这种情况下，涉及二维的偏转镜。

根据在光学接收器上接收到的电磁辐射的位置和功率，可以对在周围环境中检测到的对象的测量距离执行可信度检验。通过以下方式得出该可能性：偏转镜引起所接收的电磁辐射的相应于电磁辐射的传播时间的移位。

本发明的优点在于可以实现具有小的结构体积、尤其小的结构高度的激光雷达传感器。所发射的电磁辐射的射束路径和所接收的电磁辐射的射束路径可以彼此同轴地延伸，其方式是，留空区域布置在光源的主射束轴线上。可以在最大程度上避免在所发射的和所接收的电磁辐射的射束路径中的光学损耗。主要是，可以由光学接收器在最大程度上无损耗地接收到所接收的电磁辐射。光学接收器可以足够大并且足够灵敏。

在本发明的一种有利的构型中设置，光学接收器具有至少一个探测器元件，所述至少一个探测器元件至少部分地包围留空区域。光学接收器可以例如构造为单个环状的探测器元件。光学接收器可以例如构造为单个半环状的探测器元件。此外，光学接收器可以构造为单个的、多边形的探测器元件。这种探测器元件在其制造中可以简单地实现。

在本发明的另一有利的实施例中设置，光学接收器具有至少两个探测器元件，所述至少两个探测器元件布置在光学接收器的周边的至少一部分上。这种构型的优点在于，可以根据对激光雷达传感器的要求实现光学接收器的不同的结构方式和几何形状。

在本发明的一种优选的构型中设置，留空区域构造为通道。通道可以涉及孔。替代地，通道可以涉及对于所发射的电磁辐射在最大程度上可通过的材料。

在本发明的一种特别优选的构型中设置，光源布置在光学接收器的背向周围环境的一侧。该构型的优点在于，可以实现非常紧凑的同轴的激光雷达传感器。

在本发明的另一优选的实施例中，留空区域构造为镜。该构型的优点在于，可以根据对激光雷达传感器的要求实现射束路径的另外的几何形状。

在本发明的一种特别优选的构型中设置，光源布置在光学接收器的面向周围环境的一侧。该构型的优点在于，可以实现非常紧凑的同轴的激光雷达传感器。

在本发明的另一构型中设置，偏转镜构造为微机械的偏转镜。不仅射到偏转镜上的所发射的电磁辐射而且射到偏转镜上的所接收的电磁辐射都可以具有小的射束直径。由此，可以使用具有相应高的采样频率的小地构造的偏转镜。可以实现足够机械稳健的激光雷达传感器。

在本发明的一种有利的构型中设置，激光雷达传感器还具有微光学元件的场。偏转镜和场如此布置，使得至少一个角中的每一个分配给恰恰一个微光学元件。可以给每个元件分配不同量值的多个角。

在本发明的一种优选的构型中，激光雷达传感器还具有光聚束元件，该光聚束元件布置在距微光学元件的场一间距处。微光学元件中的每一个当其由经偏转的所发射的电磁辐射射到时将经偏转的所发射的电磁辐射扩展成发散射束。光聚束元件将发散射束变形成扫描射束(Taststrahl)。该构型的优点在于，即使在提高所发射的电磁辐射的总功率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。可以使相对于散射颗粒的敏感度保持得低。

在偏转镜上偏转的所发射的电磁辐射不直接扫描周围环境，而是扫描微光学元件的场。发射扫描射束的方向与分别被射到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，激光雷达传感器的张角可以明显大于电磁辐射在偏转镜上最大偏转的角。通过这种方式能够实现以大的张角进行扫描。

在本发明的另一优选的构型中设置，微光学元件是微透镜或反射元件或光衍射元件。

聚束元件可以是以下光学透镜：微光学元件的场处在该光学透镜的焦平面中。由此，将发散射束变形成以下扫描射束：在所述扫描射束中，射束几乎平行。替代地，替代透镜可以考虑凹面镜。

在本发明的另一优选的构型中设置，光聚束元件同时形成光学接收器的镜头。由此，所接收的电磁辐射可以与所发射的电磁辐射同轴。由此，在分析处理所接收的电磁辐射时不需要考虑悖论误差(Paradoxenfehler)。

在本发明的另一优选的构型中设置，在光聚束元件的光学轴线上布置有镜单元，该镜单元将经偏转的所发射的电磁辐射转向到微光学元件的场上。借助该镜单元同样可以将所接收的电磁辐射转向到偏转镜。该构型的优点在于，可以匹配激光雷达传感器的射束路径。

在本发明的一种特别优选的构型中，镜单元拱形地构造。该构型的优点在于，可以补偿成像误差。

此外，根据本发明要求保护一种用于对用于检测周围环境中的对象的激光雷达传感器进行控制的方法。该方法具有以下步骤：控制光源用以发射电磁辐射，控制偏转镜用以将所发射的电磁辐射偏转至少一个角作为经偏转的所发射的电磁辐射到周围环境中，以及借助光学接收器接收已经由对象反射的电磁辐射。在此，光学接收器具有留空区域，其中，留空区域布置在光源的主射束轴线上。

附图说明

以下根据附图更详细地阐述本发明的四个实施例。在此，

图1示出根据本发明的激光雷达传感器的草图；

图2示出根据第二实施方式的激光雷达传感器的草图；

图3示出根据第三实施方式的激光雷达传感器的草图；

图4示出根据第四实施方式的激光雷达传感器的草图。

具体实施方式

图1中示出的激光雷达传感器具有激光器作为光源101，该激光器发射在光谱的可见区域中的或者可选地也在红外区域中的电磁辐射105。此外，激光雷达传感器具有光学接收器102。在该示例中，光学接收器102构造为环状的探测器元件107。光学接收器102具有探测器元件107，该探测器元件至少部分地包围留空区域103。探测器元件的敏感面也可以完全地或部分地围绕留空区域103存在。探测器元件107在其中心具有留空区域103。留空区域103构造为通道。光源101布置在光学接收器102的背向周围环境的一侧。光学接收器102如此布置，使得通道103布置在光源101的主射束轴线108上。由光源101沿主射束轴线108发射的电磁辐射105通过通道103在最大程度上无损耗地定向到偏转镜104上。在图1中示例性地示出自由射束光学器件。替代地，所发射的电磁辐射105也可以借助光导纤维通过通道103定向到偏转镜104上。

偏转镜104是微机械的偏转镜。如通过双箭头所示的那样，使偏转镜104沿轴线进行振荡地或静态地运动。此外可能的是，使偏转镜104绕着垂直于第一轴线延伸的第二轴线进行振荡地或静态地运动。偏转镜104将所发射的电磁辐射105作为经偏转的所发射的电磁辐射105-1偏转到周围环境中。在此，对偏转镜104如此进行控制，使得所发射的电磁辐射105在第一取向的情况下偏转至少一个角作为经偏转的所发射的电磁辐射105-1到周围环境中。在图1中标记这一个角109。在偏转镜的第二取向的情况下，可以使所发射的电磁辐射105偏转与第一角不同的至少一个另外的角作为经偏转的电磁辐射105-1到周围环境中。

如果经偏转的所发射的电磁辐射105-1在周围环境中射到对象上，则电磁辐射由对象反射和/或由对象散射回。反射和/或散射回的电磁辐射106由激光雷达传感器接收。电磁辐射106经由偏转镜104射到光学接收器102上。

图2作为修改的实施例示出一种激光雷达传感器，其具有与图1中的激光雷达传感器相同的基本结构。其不同之处在于：光学接收器102具有探测器元件107-1至107-4，所述探测器元件布置在光学接收器102的周边的至少一部分上。探测器元件107-1至107-4环绕留空区域103地布置。也可能的是，光学接收器102例如仅仅具有三个探测器元件。例如也可能的是，光学接收器102仅仅具有探测器元件107-1至107-3。在这种情况下，在光学接收器102的周边的一部分上未布置有探测器元件。同样可能的是，光学接收器102仅仅具有两个探测器元件或仅仅具有一个探测器元件。探测器元件的敏感面可以完全地或部分地围绕留空区域103存在。

图3作为另一实施例示出一种激光雷达传感器，其同样具有光源101、光学接收器102和偏转镜104。这些部件的特征相应于已经描述的实施例的相同部件的特征。在此，光学接收器尤其可以如对于图1和图2的示例已经示出的那样地构造。光学接收器102在该示例中构造为环状的探测器元件107。光学接收器102具有探测器元件107，该探测器元件至少部分地包围留空区域301。

探测器元件107在其中心具有留空区域301。留空部分301构造为镜。光源101布置在光学接收器102的面向周围环境的一侧。光学接收器102如此布置，使得镜301布置在光源101的主射束轴线108上。

由光源101沿主射束轴线108发射的电磁辐射105在最大程度上无损耗地由镜301转向到偏转镜104上。在图3中示例性地示出一种自由射束光学器件。替代地，所发射的电磁辐射105也可以借助光导纤维定向到镜301上并且转向到偏转镜104上。

图4示出根据另一实施方式的激光雷达传感器，其同样具有光源101、光学接收器102和偏转镜104。这些部件的特征相应于已经描述的实施例的相同部件的特征。在此，光学接收器尤其可以如对于图1、图2和图3的示例已经示出的那样地构造。光学接收器102具有探测器元件107。探测器元件107在其中心具有留空区域301。留空区域301构造为镜。此外，光学接收器102具有用于限制/减少所不期望的电磁辐射的光学滤波器401。此外，光学接收器102具有自由形状塑料光学器件402。该自由形状塑料光学器件用于将所接收的光聚束到探测器的敏感面上。

在图4中示出的激光雷达传感器的情况下，由光源101沿主射束轴线108定向到镜301上并且在最大程度上无损耗地转向到激光雷达传感器的偏转镜104的、所发射的电磁辐射105借助偏转镜104引导到微光学元件408的场404上作为经偏转的所发射的电磁辐射105-1。在该示例中设置光衍射元件408作为微光学元件。然而，也可以选择性地设置光折射元件或光反射元件。

所发射的电磁辐射105作为经偏转的所发射的电磁辐射105-1偏转的至少一个角分配给恰恰一个微光学元件408-1、408-2。图4中绘出的角109分配给微光学元件408-1。每个元件408可以分配有不同量值的多个角。如果例如所发射的电磁辐射105由偏转镜104偏转其量值与角109的量值略微不同的角，则经偏转的所发射的电磁辐射105-1同样射到微光学元件408-1上。如果角109的量值与另一偏转角的量值的差超过预给定的值，则经偏转的所发射的电磁辐射105-1例如射到相邻的微光学元件408-2上。

这些光衍射元件408中的由经偏转的电磁辐射105-1射到的光衍射元件将经偏转的所发射的电磁辐射105-1扩展成发散射束406。发散射束406射到以透镜405的形式的光聚束元件上。在场404与透镜405之间的间距y大致相应于透镜405的焦距。透镜405将发散射束406变形成近似平行的扫描射束407。扫描射束407的射束直径大于所发射的电磁辐射105的射束的射束直径。扫描射束407的射束直径大于经偏转的所发射的电磁辐射105-1的射束的射束直径。

扫描射束407的辐射方向与微光学元件408相对于光聚束元件405的光学轴线的位置有关，使得恰恰由经偏转的所发射的电磁辐射105-1射到。通过这种方式，偏转镜104间接地也引起扫描射束407的偏转。扫描射束407扫过(überstreicht)激光雷达传感器的周围环境。由扫描射束407扫过的角范围与透镜405的焦距相关。该角范围可以明显大于偏转镜104运动的角范围的两倍。

在偏转镜104与场404之间设有另一镜单元403。镜单元403布置在距场404一间距x处。为了补偿成像误差，该另一镜单元403构造为拱形的镜。镜单元403将由偏转镜104偏转的电磁辐射105如此偏转，使得该电磁辐射沿着透镜405的光学轴线落到场404上。借助镜单元403也可以将所接收的电磁辐射106转向到偏转镜104上。

Claims (13)

1.一种用于检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)，所述至少一个光源用于发射电磁辐射；

至少一个偏转镜(104)，所述至少一个偏转镜用于将所发射的电磁辐射(105)偏转至少一个角(109)作为经偏转的所发射的电磁辐射(105-1)到所述周围环境中；和

至少一个光学接收器(102)，所述至少一个光学接收器用于接收已经由对象反射的电磁辐射(106)；

其中，所述光学接收器(102)具有留空区域(103，301)，

其中，所述留空区域布置在所述光源(101)的主射束轴线(108)上，从而所发射的电磁辐射的射束路径和所接收的电磁辐射的射束路径彼此同轴地延伸，

其特征在于，

所述光学接收器(102)构造为单个环状的探测器元件，或单个半环状的探测器元件，或单个的、多边形的探测器元件。

2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述留空区域构造为通道(103)。

3.根据权利要求2所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述光源(101)布置在所述光学接收器(102)的背向所述周围环境的一侧。

4.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述留空区域构造为镜(301)。

5.根据权利要求4所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述光源(101)布置在所述光学接收器(102)的面向所述周围环境的一侧。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述偏转镜(104)构造为微机械的偏转镜。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光雷达传感器，所述激光雷达传感器还具有：

微光学元件(408-1，408-2)的场(404)；其中，

所述偏转镜(104)和所述场(404)如此布置，使得所述至少一个角(109)分配给恰恰一个微光学元件(408-1，408-2)。

8.根据权利要求7所述的激光雷达传感器，所述激光雷达传感器还具有：

光聚束元件(405)，所述光聚束元件布置在距微光学元件(408-1，408-2)的场(404)一间距(y)处；其中，

所述微光学元件(408-1，408-2)的每一个当其由经偏转的所发射的电磁辐射(105-1)射到时将所述经偏转的所发射的电磁辐射(105-1)扩展成发散射束(406)；其中，

所述光聚束元件(405)将所述发散射束(406)变形成扫描射束(407)。

9.根据权利要求7或8所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述微光学元件(408-1，408-2)是微透镜或反射元件或光衍射元件。

10.根据权利要求7或8所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述光聚束元件(405)同时形成所述光学接收器(102)的镜头。

11.根据权利要求7至10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(405)的光学轴线上布置有镜单元(403)，所述镜单元将所述经偏转的所发射的电磁辐射(105-1)转向到所述微光学元件(408-1，408-2)的场(404)上。

12.根据权利要求11所述的激光雷达传感器，其特征在于，所述镜单元(403)拱形地构造。

13.一种用于控制用于检测周围环境中的对象的激光雷达传感器的方法，所述方法具有以下步骤：

控制光源(101)用以发射电磁辐射(105)；

控制偏转镜(104)用以将所发射的电磁辐射(105)偏转至少一个角(109)作为经偏转的所发射的电磁辐射(105-1)到所述周围环境中；以及

借助光学接收器(102)接收已经由对象反射的电磁辐射(106)；

其中，所述光学接收器(102)具有留空区域(103，301)，

其中，所述留空区域布置在所述光源(101)的主射束轴线(108)上，从而所发射的电磁辐射的射束路径和所接收的电磁辐射的射束路径彼此同轴地延伸，

其特征在于，

所述光学接收器(102)构造为单个环状的探测器元件，或单个半环状的探测器元件，或单个的、多边形的探测器元件。