具有用于发射子射束的弯曲的透镜阵列的激光雷达设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于对扫描区域进行扫描的激光雷达设备，该激光雷达设备具有发送单元，该发送单元具有用于产生电磁辐射的至少一个射束源，并且该激光雷达设备具有接收单元，该接收单元具有用于接收从扫描区域中散射回的和/或反射的射束的至少一个探测器。本发明还涉及一种用于运行具有至少一个弯曲的透镜阵列的激光雷达设备的方法。


背景技术：

2.能够自动化运行的车辆和行驶功能在公共道路交通中变得越来越重要。为了在技术上实现这种类型的车辆和行驶功能，需要传感器，例如摄像机传感器、雷达传感器和激光雷达传感器。
3.在此，激光雷达传感器产生电磁射束、例如激光射束，并且利用所述射束对扫描区域进行扫描。基于飞行时间分析能够求取激光雷达传感器与扫描区域中的对象之间的距离。自动化驾驶功能需要具有每秒钟大于1百万个点的扫描率的激光雷达传感器。然而，为了对距离为300米的对象进行扫描，需要至少两微秒的测量持续时间。在使用所谓的fmcw或者说频率调制连续波激光雷达传感器的情况下，需要高达十微秒的测量持续时间。因此，该测量持续时间需要激光雷达传感器的最大可能的扫描率。
4.具有多个射束源的脉冲式激光雷达传感器是已知的。然而，对于fmcw激光雷达传感器，这种处理方式伴随着显著的成本花费，因为频率调制的激光源是大的成本因素。


技术实现要素：

5.本发明所基于的任务能够视为，提出一种激光雷达设备，该激光雷达设备能够在所使用的射束源的情况下辐射多个经准直的射束。
6.该任务借助独立权利要求的相应的主题来解决。本发明的有利构型是相应从属权利要求的主题。
7.根据本发明的一个方面，提供一种用于对扫描区域进行扫描的激光雷达设备。该激光雷达设备具有发送单元，该发送单元具有用于产生电磁辐射的至少一个射束源，并且该激光雷达设备具有接收单元，该接收单元具有用于接收从扫描区域中散射回的和/或反射的射束的至少一个探测器。
8.优选地，发送单元和/或接收单元实施为不可运动的、可旋转或可摆动的。根据本发明，发送单元具有弯曲的透镜阵列，该弯曲的透镜阵列用于将由射束源产生的射束分成子射束并且用于将所述子射束发射到扫描区域中。
9.至少一个射束源优选能够是激光器、led和类似物。至少一个射束源尤其能够是频率调制的射束源，其具有低的发散度，使得所产生的射束是准直的。
10.通过使用弯曲的透镜阵列，能够将经准直的射束分成多个子射束，所述子射束同样本身是准直的并且因此能够实现最大的扫描作用范围。因此，能够提供多个单独的且发
散得弱的子射束，用以对空间扫描区域进行扫描。通过将经准直的射束划分成多个子射束的可能性，能够将激光雷达设备中的所使用的射束源的数量最小化，并且能够提高扫描率或者说用于对扫描区域进行扫描的可用的子射束的数量。根据弯曲的透镜阵列的曲率半径以不同的辐射角度将子射束发射到扫描区域中。
11.视弯曲的透镜阵列的构型而定，所产生的射束能够以准直的形式入射到弯曲的透镜阵列上或者提前(im vorfeld)通过上游布置的光学元件聚束到或者发散到弯曲的透镜阵列上。
12.弯曲的透镜阵列具有弯曲的载体表面，该载体表面具有至少两个透镜。弯曲的透镜阵列能够例如借助三维打印的铸模或者通过朗缪尔-布罗基特(langmuir-blodgett)沉积来制造。
13.激光雷达设备的接收单元通常能够构造得比发送单元更价廉，使得能够使用多个探测器。在此，接收单元同样能够具有弯曲的透镜阵列，该弯曲的透镜阵列能够接收从扫描区域中散射回的和/或反射的射束并且将它们转向到一个或者多个探测器上。
14.视激光雷达设备的构型而定，发送单元和接收单元能够使用共同的弯曲的透镜阵列或者能够分别具有发送侧的和接收侧的弯曲的透镜阵列。
15.另外，弯曲的透镜阵列的使用在激光雷达设备的模块性方面是有利的。尤其是，通过所使用的弯曲的透镜阵列能够设定定义的运行参数，所述运行参数例如是分辨率、用于扫描的子射束的数量、在无发送单元的附加运动的情况下的初始扫描角度，并且还能够事后通过更换弯曲的透镜阵列来改变。因此，降低构件多样性并且降低激光雷达设备的制造成本。
16.激光雷达设备不受限于频率调制连续波激光雷达设备的使用。尤其是，根据本发明的具有弯曲的透镜阵列的激光雷达设备能够与任意的射束源和功能原理一起使用。
17.另外，弯曲的透镜阵列能够实现测量的并行化，其中，所产生的子射束是经准直的并且因此适合用于fmcw激光雷达测量。另外，能够为更高的扫描率产生更多的子射束。通过使用射束源能够将产生的损耗热量和激光雷达设备的制造成本最小化。
18.除此之外，激光雷达设备能够用作扫描式激光雷达设备或者所谓的不具有可运动的部件的flash激光雷达。
19.根据一个实施例，弯曲的透镜阵列具有至少两个透镜，所述透镜构型为微透镜或者宏透镜。因此，不同构型的透镜能够用于该弯曲的透镜阵列。尤其是，通过选择透镜尺寸能够设定每个透镜阵列的透镜的最大可能的数量并且因此也能够设定激光雷达设备的最高分辨率。
20.根据另一实施方式，弯曲的透镜阵列的透镜集成到球形的载体结构中或者布置在球形的载体结构上。通过该措施，基于不同的制造方法，透镜能够布置在载体结构上或者集成到载体结构中。例如，在铸造方法的情况下，球形的载体结构能够与透镜构成整体地或者说一件式地实施。
21.替代地，透镜能够事后例如通过粘贴布置在已提供的球形的载体结构上。
22.根据另一个实施例，弯曲的透镜阵列的透镜具有相应于球形的载体结构的半径的焦距。由此能够如此设定球形的载体结构的或者说载体面的曲率半径，使得球形的载体结构的中心点与透镜的焦点一致。为此，球形的载体结构能够构型为具有定义的半径的半圆。
23.替代地，载体结构能够构型为半圆弧。另外，也能够使用成形为非球面的载体结构。
24.通过相应于载体结构的半径设定透镜的焦距，能够将传导到弯曲的透镜阵列上的射束划分成多个子射束并且能够同时通过透镜将其准直。相应的子射束在此在错位的辐射角度方面彼此不同。
25.根据另一种实施方式，弯曲的透镜阵列的透镜具有100μm至10cm的直径。因此，具有不同尺寸的透镜能够布置在该球形的载体结构上。尤其是，由此产生在构型弯曲的透镜阵列时的灵活性。与透镜的所使用的直径类似，能够相应地匹配球形的载体结构的尺寸。通过该措施，弯曲的透镜阵列能够在激光雷达设备的紧凑的尺寸和/或光敏性方面被优化。同时，在此能够遵守用于所发射的射束或子射束的必需的极限值，用以确保眼睛安全性。
26.根据另一个实施例，发送单元具有至少两个射束源，所述射束源设置用于将产生的射束以彼此平行的方式或者通过分束器投影到弯曲的透镜阵列上。尤其是，不同的射束源能够用于实现频率调制。为此，相应的射束源能够发射具有不同波长的和/或具有不同脉冲频率的射束，其中，执行对相应的射束源的交替的操控。由射束源产生的射束能够通过分束器耦合输入到光路中，该光路通向弯曲的透镜阵列。
27.根据另一种实施方式，所产生的射束能够通过至少一个光学元件辐射到弯曲的透镜阵列上。光学元件能够是例如凹透镜或者凸透镜。光学元件用于作用到所产生的射束上，并且因此改变所产生的射束的发散度，以便能够实现与弯曲的透镜阵列的优化的相互作用。
28.尤其是，光学元件能够这样设计，使得从弯曲的透镜阵列中发射的子射束是经准直的。为此，光学元件能够将所产生的射束在入射到弯曲的透镜阵列中之前进行定向并且进行准直或将所述射束的发散度最小化。
29.根据另一个实施例，接收单元具有至少两个探测器，所述探测器彼此平行地布置或者相对于彼此以一角度布置。探测器的角度能够例如相应于球形的载体结构上的透镜的角度来构造，以便能够实现从扫描区域中反射的射束的优化的入射。
30.在激光雷达设备的接收路径中使用弯曲的透镜阵列的情况下，一个或者多个探测器能够以不具有角度错位的方式布置。探测器在此也能够是平面探测器的像素，该平面探测器例如是cmos传感器或者ccd传感器。
31.根据本发明的另一方面，提供一种用于运行根据本发明的具有至少一个弯曲的透镜阵列的激光雷达设备的方法。弯曲的透镜阵列具有至少两个透镜，所述透镜彼此间隔开，所述透镜具有相对于彼此旋转的光学轴线。因此，尤其能够发射具有不同的辐射角度的子射束。在此，最大可能的辐射角度能够定义弯曲的透镜阵列的开口角。
32.为了补偿(ausgleichen)该透镜阵列的至少两个透镜的辐射角度或角度差，或者为了对比该阵列的开口角更大的扫描区域进行扫描，使发送单元和/或接收单元在至少一个空间方向上摆动。通过该措施，能够增大激光雷达设备的扫描区域和分辨率。
33.尤其是，能够使用发送单元的和/或接收单元的轻微运动以补偿楔形的透镜阵列的相应的透镜的角度差。替代地或者附加地，能够这样扩展发送单元的和/或接收单元的运动，使得对激光雷达设备的更大的扫描区域进行扫描。
附图说明
34.下面根据高度简化的示意图更详细地阐述本发明的优选实施例。在此示出：
35.图1示出根据一种实施方式的激光雷达设备的示意图，
36.图2示出弯曲的透镜阵列的所发射的子射束详细视图，
37.图3示出根据另一种实施方式的激光雷达设备的发送单元的示意图。
具体实施方式
38.图1示出根据一种实施方式的激光雷达设备1的示意图。激光雷达设备1具有发送单元2和接收单元4。
39.根据所示实施例，发送单元2具有射束源6，该射束源构型为红外激光器。射束源6用于产生电磁射束7。另外，发送单元2具有光学元件8和弯曲的透镜阵列10。
40.光学元件8构型为凸透镜，并且在所产生的射束7的光路中布置在射束源6与弯曲的透镜阵列10之间。
41.弯曲的透镜阵列10用于将所产生的射束7划分为多个子射束11，所述子射束被发射到扫描区域a中。
42.光学元件8能够将所产生的射束7这样发散或聚焦，使得由弯曲的透镜阵列10发射的子射束以准直的方式辐射到扫描区域a中。子射束11在此在不同的辐射方向中发射。
43.接收单元4同样具有弯曲的透镜阵列12，该弯曲的透镜阵列设置用于接收从扫描区域a中反射的和/或散射回的射束13。
44.随后，接收到的射束15被可选的接收光学器件聚焦到探测器16上。根据该实施例，探测器16构型为探测器阵列。
45.视激光雷达设备1的构型而定，发送单元2和接收单元4能够分别具有一弯曲的透镜阵列10、12，或者能够相互共享或者说共同使用唯一的弯曲的透镜阵列。
46.在图2中示出发送单元2的弯曲的透镜阵列10的所发射的子射束11的详细视图。弯曲的透镜阵列10具有多个透镜18，所述多个透镜布置在球形的载体结构20上或集成到球形的载体结构20中。
47.透镜18能够构型为宏透镜或者微透镜。优选地，透镜18这样匹配于球形的载体结构20和光学元件8，使得子射束11以准直的形式发射到扫描区域a中。由此，一个透镜18的所有子射束11相对于彼此以几乎相同的角度延伸。不同透镜18的子射束11能够具有不同的辐射角度b1-b3。
48.图3示出根据另一种实施方式的激光雷达设备1的发送单元2的示意图。与在图1中示出的激光雷达设备1不同，发送单元2具有弯曲的透镜阵列10，该弯曲的透镜阵列具有成形得更大的宏透镜18。
49.透镜18优选具有相同的、相应于球形的载体结构20的半径r的焦距。
50.球形的载体结构20实施为半球体，并且构成发送单元2的辐射窗口。
51.由于比在图1中示出的发送单元2更小的数量的透镜18，子射束11的数量同样更小。为了补偿子射束11的更小的数量，发送单元或者整个激光雷达设备1能够是布置在摆动机械装置22上的，该摆动机械装置能够使发送单元2在至少一个空间方向上摆动。
52.根据该实施例，发送单元2能够围绕两个轴线摆动。箭头24表示发送单元2的通过
摆动机械装置22实现的可能的摆动方向。
53.弯曲的透镜阵列10具有开口角o，该开口角是由透镜18的布置来设定的。开口角o由所发射的子射束11张开并且能够一维地或者二维地实施。
54.因此，开口角o是不可运动的弯曲的透镜阵列10的最大扫描角度。通过使用摆动机械装置22，能够增加激光雷达设备1的最大可能的扫描角度。