用于激光雷达系统的光学组件、激光雷达系统和工作装置的制作方法

本发明涉及一种用于激光雷达系统的光学组件、激光雷达系统以及工作装置。本发明尤其涉及一种用于光学地感测视场的激光雷达系统的光学组件，所述激光雷达系统尤其用于工作装置、车辆和类似物。本发明还涉及一种用于光学地感测视场的激光雷达系统，尤其用于工作装置、车辆或类似物。此外，通过本发明提供一种车辆。

背景技术：

在使用工作装置、车辆和其他机器和设备时，越来越多地使用运行辅助系统或用于检测运行环境的传感器装置。除了基于雷达的系统或基于超声的系统之外，还越来越多地使用基于光的检测系统，例如所谓的激光雷达系统(英文lidar：lightdetectionandranging)。

在已知的激光雷达系统中存在如下缺点：在同轴布置的情况下为了分离发射器光具和接收器光具的光路传统上经常使用分束器。分束器由于其工作原理而不仅在发射路径中、即在发射一次光时，而且在接收路径中、即在接收来自视场的二次光时，导致射束强度的减弱并且从而降低了探测过程的灵敏性和精确性。

技术实现要素：

与现有技术相比，根据本发明的具有独立权利要求1的特征的光学组件具有的优点是，可以省去减弱射束强度的分束器的使用，使得在探测过程中不发生强度损失。这提高了探测过程的灵敏性和精确性并且根据本发明通过独立权利要求1的特征由此实现，即，提供一种用于光学地感测视场的激光雷达系统的光学组件，所述激光雷达系统尤其用于工作装置、车辆和类似物，在该光学组件中，一方面，接收器光具和发射器光具至少在视场侧(i)构造有基本上同轴的光轴并(ii)具有公共的偏转光具，并且，在该光具中，另一方面，在探测器侧，探测器光具构造为直接将经由偏转光具尤其从视场入射的光对准探测器组件并且具有这样的器件工具。根据本发明取消了分束器的必需性，因为在探测器侧设置的探测器光具拥有该能力并且具有相应的器件，其与偏转光具的直接相互作用将尤其从视场入射的光通过偏转光具对准到所基于的探测器组件上。

从属权利要求示出本发明的有利扩展。

在有利的扩展中避免了可能关系到相应的损失的附加光具，其方式是，偏转光具构造为将来自视场的光直接对准到探测器光具上并且具有这样的器件。

如果根据本发明光学组件的另一种扩展，偏转光具构造有能够一维或二维地可控地摆转和/振荡的镜，尤其微镜，则得到一种可特别简单地控制的光学组件。在此，能振荡的镜也应理解成可以激发振荡或枢转式振荡运动的镜。

在本发明光学组件的另一有利扩展中设置，镜或微镜(i)在用于将一次光入射到视场中的第一角度范围中和(ii)在用于将来自视场的二次光直接对准到探测器光具上的第二角度范围中可控地偏转和/或振荡。

根据优选的扩展，如果探测器光具构造为与探测器组件的探测器元件在空间上直接紧邻，则产生该光学组件的特别紧凑的结构方式。

在此，根据光学组件的另一扩展设置，探测器光具具有或形成透镜，尤其呈半球形式或呈由垂直的圆柱体和处于圆柱的端侧上的半球构成的组合的形式，其中，探测器组件或探测器组件的传感器元件布置在背离半球的凸起侧的一侧上。

如果根据另一有利实施方式探测器光具具有或形成包容探测器组件或探测器组件的探测器元件的材料区域，则在根据本发明的光学组件中产生特别少的损失。在这种情况下，特别有效地避免了产生损失的边界面。

如果根据本发明光学组件的另一构型方式，探测器组件或探测器组件的传感器元件基本布置在探测器光具的焦点中或基本布置在探测器光具的焦平面中，可以实现特别高程度的探测精度。

为了激光雷达系统的快速和精确的响应，该情况是有利的：对于所基于的偏转光具仅需要小的偏转范围。

因此，在根据本发明的光学组件的有利构型方式中设置，探测器组件或探测器组件的传感器元件和提供一次光的元件、尤其是光源在空间上直接相互紧邻地布置和/或位于基本上垂直于发射器光具和/或接收器光具的探测器侧光轴的平面中。

为了精确地照亮视场并探测来自视场的光，根据本发明光学组件的有利扩展可以构造一种孔径光具，其在视场侧串接在偏转光具之前并且构造为用于将一次光从偏转光具对准到视场中和将来自视场的光对准到偏转光具上，并且具有这样的器件。

本发明还涉及一种用于光学地感测视场的激光雷达系统，尤其用于工作装置、车辆和类似物或作为其一部分，其中，根据本发明，构造并使用根据本发明的光学组件。

根据本发明的另一个方面也提供一种工作装置，尤其一种车辆或类似物，其构造有根据本发明的用于光学地感测视场的激光雷达系统。

附图说明

参考附图详细描述本发明的实施方式。

图1是方框图，示意性示出了根据本发明的光学组件的实施方式与根据本发明的激光雷达系统的实施方式结合。

图2以示意性方框图示出了在使用根据本发明的光学组件的替代构型的情况下根据本发明的激光雷达系统的另一种实施方式。

图4至5示出了在激光雷达系统中的根据本发明的光学组件的另一种实施方式和其成像特性。

图6至8以示意性的和剖切的侧视图示出了根据本发明的光学组件的具有产生和提供一次光的不同可能性的构型方式。

图9至12以示意性的和剖切的侧视图示出了不同的探测器光具以及其成像行为，所述光具可以用在根据本发明的光学组件的实施方式中。

图13至16示出了图表，其说明根据本发明的光学组件的实施方式的不同成像特性。

具体实施方式

下面参考图1至16详细描述本发明的实施例。相同的或等效的以及起相同或等效作用的元件和部件以相同参考标号标记。所标记的元件和部件不是在其每次出现的情况下都给出详细说明。

在不偏离本发明核心的情况下，所示出的特征和特性可以以任意形式彼此分离和任意地彼此组合。

图1以示意性方框图示出了在使用根据本发明的光学组件10的实施方式的情况下的根据本发明的激光雷达系统1的实施方式。

根据图1的激光雷达系统1具有发射器光具60，发射器光具由例如呈激光器形式的光源65供给光并且将一次光57必要时在经过射束成型光具66之后发射到视场50中，用于感测和/或研究位于那里的对象52。

此外，根据图1的激光雷达系统具有接收器光具30，接收器光具通过作为一次光具的物镜34接收作为二次光58的光，尤其是由视场50中的对象52反射的光，并且将所述光通过作为二次光具的探测器光具35传递给探测器组件20。

光源65以及探测器组件20的控制通过控制导线42或41借助控制和分析评价单元40进行。

在图1中示意性地示出了公共的视场侧偏转光具32和探测器侧探测器光具35的方案。

一次光具34也可被称为物镜并且就发射器光具60而言起到发射性投射物镜的作用，偏转光具62作为该一次光具的一部分被构造为用于接收一次光57并且将一次光对准到具有对象52的视场50中。

就接收器光具30而言，公共的视场侧偏转光具62与探测器光具35一起作为二次光具这样共同起作用，使得从视场50接收到的二次光58以直接的方式、因而在没有中间串接分束器的情况下对准到探测器光具35上，以便在不中间串接其它光学部件的情况下到达探测器组件20。一次光具34就接收器光具30而言起到接收性投射物镜的作用。

优选地和有利地，在视场侧设置孔径光具70，用于适当地输出一次光57和成束地接收二次光58。

探测器组件20可以构造有一个或多个传感器元件22。

光学组件10被构造用于激光雷达系统1，所述激光雷达系统用于光学地感测视场50，尤其用于工作装置、车辆或类似物，所述光学组件构造有用于将发射光信号发射到视场50中的发射器光具60以及探测器组件20和用于将视场50光学地成像到探测器组件20上的接收器光具30。

接收器光具30和发射器光具60在视场侧(i)构造有基本上同轴的光轴，并且具有公共的偏转光具62。

接收器光具30在探测器侧具有二次光具35，所述二次光具被构造为用于将经由偏转光具62从视场50入射的光对准到探测器组件20上，并且具有这样的器件。

在光学组件10中，发射器光具60一般性地构造为用于将一次光57发射到视场50中，并且具有这样的器件。

此外，在光学组件10中，接收器光具30被构造为用于将视场50光学地成像到探测器组件20上，并且具有这样的器件。

图2以与图1类似的方式示出了在使用根据本发明的光学组件10的替代构型的情况下的激光雷达系统1的另一种实施方式。

在根据图2的实施方式中设置的部件基本上相应于在图1中示出的部件。然而在图2中强调，(a)一方面在作为接收器光具30的二次光具的探测器光具35与探测器组件20和传感器元件22之间在空间上靠近，以及(b)另一方面发射器光具60和接收器光具30的光路在空间上直接相邻，尤其是带有传感器元件22的探测器组件20与作为提供一次光57的元件67的光源65在空间上直接相邻。

图3示出了在使用根据本发明的光学组件10的实施方式情况下的根据本发明的激光雷达系统1的具体构型方式。

该实施方式更具体地实现了在图1和2中示出的原理。带有传感器元件22的探测器组件20与光源65一起或者一般性地与提供一次光57的元件67一起位于共同的衬底25之中或之上，通过该衬底限定探测器平面24。

在此，传感器元件22和提供一次光57的元件67在空间上彼此直接相邻地布置。这导致，例如呈能可控地摆动或振荡的微镜63形式的偏转光具62仅须摆转直接相邻的角度范围和/或小尺度的角度范围，以便由此对视场50连同包含于其中的对象52(必要时通过孔径光具70)加载以一次光57和/或将来自视场50的二次光58对准到带有传感器元件22的探测器组件20上。

为此目的，探测器光具35具有透镜36的形式，该透镜具有半球段37和柱形段38，它们具有公共的对称轴线39。半球段37直接(例如材料一体地)安置在柱形段的背离探测器组件20的端侧或端面上。

二次光58的不同标记的射束相应于孔径光具70和对象52之间的不同距离71。在没有孔径光具70的实施方式中，视场50中的对象52和偏转光具62之间的距离71是决定性的。

在图3中，二次光58的以参考标号72-1标记的射束来自视场50的近距离的对象52，而二次光58的以72-3标记的射束来自视场50的处于较远距离的对象52。为了越过较大的距离，二次光58需要更多时间，在该时间中偏转光具的镜63摆转较大的角度。因此，射束72-3比射束72-1更强烈地偏转。

偏转光具62、尤其是它的镜63具有第一角度范围64-1和第二角度范围64-2，第一角度范围用于将来自视场50的二次光58成像到探测器元件20上，第二角度范围用于将来自提供一次光57的元件67的一次光57分布到视场50中。

图4和5示意性地示出了在具有图3的光学组件10的实施方式的激光雷达系统1的实施方式中的成像情况以及距离相关性，具体地说分别在右侧针对一维运动的偏转光具62并且分别在左侧针对二维运动的偏转光具。图4提供了简单的俯视图，图5提供了分解视图。

在图4和图5中，结合透镜36和具有薄的传感器元件22的探测器组件20示出二次光58的行程。示出了激光孔径的地点74和在成束或准直之后的射束位置75。

图6至8示出了根据本发明的光学组件10的不同构型方式，关注点在于产生一次光57的不同实现方式。

在根据图6的实施方式中，产生一次光57的元件67由光源65本身形成，例如激光光源、激光二极管或类似物。

在根据图7的实施方式中，使用外部的光源65，其产生一次光57并且将一次光对准到衬底25中的作为提供一次光57的元件67的镜元件上。

在根据图8的实施方式中，提供一次光57的元件67是衬底25中的通孔，其中，真正的光源65位于衬底的背离探测器组件20的背面。

图9和10示意性地示出了在根据本发明的光学组件10的不同实施方式中的成像情况。分别示出了图表，在图表的横坐标上示出了确定的距离尺寸并且与此相关地在纵坐标上示出了在探测器光具35后面的探测器组件20的传感器元件22上的二次光58的射束位置。

还分别给出了视场50中的对象52的小距离72-1、中距离72-2和大距离72-3的标记。

图9和12分别示意性地示出了具有两个透镜36的探测器光具35和分别起主导作用的成像情况。

图10和11示出了仅具有一个用于构建探测器光具35的透镜36的组件。

图13和14以图表的形式示出了在具有一个透镜36和两个透镜36的探测器光具的情况下的当前的在相应的传感器元件22上出现的相对光功率，具体说与对象52的距离相关地示出。

图15和16相应地与孔间距相关地示出了探测器组件20的传感器元件22上的相对功率，孔间距绘制在横坐标上，具体说具有针对视场50中的对象52的小距离72-1、中距离72-2和大距离72-3的编码。

本发明的这些特征和特性以及其它特征和特性借助下面的陈述进一步说明：

至今的激光雷达建筑1经常使用发射器路径60和接收器路径30的同轴布置。发射器本身例如由作为光源65的调制激光二极管组成。在最简单的情况下例如产生具有高峰值功率至很高峰值功率的短脉冲。探测器组件29具有作为传感器元件22的单个或多个ap二极管(雪崩光电二极管)。pin二极管也很常见。硅二极管和锗二极管比由复合半导体(例如ingaas)组成的二极管价格低廉，然而仅可以实现较低效率地探测具有大于约900nm波长的射线。

在同轴布置的情况下，传统上经常需要分束器，其将激光功率例如以1:1(50％)的比例向不同方向偏转。也就是说，在发射射束通过偏转单元62朝向视场50或fov(fieldofview)方向偏转之前，发射射束穿过可选光具和分束器，在该视场中要测量推测在那里的对象52的距离、存在或反射特性。

作为目标的对象52的方向可以通过偏转单元62的位置确定。根据实施方式而定可以设置另一个光具。由对象52反射的射束作为二次光58跟随与发射路径60中的一次光57相同的路径。当偏转单元62在测量期间仅以可忽略地小的程度运动时是这种情况。一般满足这种条件。

传统使用的分束器将接收射束的一部分偏转到接收器上，可能还需要其它光具。

这种传统情况的几个方面是：

-仅将视场50的感兴趣的局部投射到接收器上。通过这种预选减小了在接收器上由干扰源(制动灯、前灯、阳光)产生的噪声功率。

-偏转单元将接收射束始终对准到探测器的相同位置上。由此，在有些情况下可以将探测器实施得很小(单个二极管)或者可以使用更好的接收二极管(ingaas)。

-通过分束器使发射功率的一部分偏转到壳体中，而不是对准目标。由此必须为发射器设置更高的发射功率。该偏转的射束可能干扰接收器。

-接收功率也被分束器减小。这是一个关键点，因为接收功率通常很小并且其进一步减少对于系统性能很不利。

而在具有分开状况的系统中，目标方向的确定必须或者通过偏转单元、或者通过接收器进行。如果目标的显现角度通过偏转单元的位置确定或者说预给定，则原则上一个单个的、大的光电二极管就足够了，整个fov投射到该光电二极管上。这种方案的缺点是，很多环境光对准探测器。替代地，接收器可以由光电二极管阵列或光电二极管行构造。由此，fov被分解成多个部分并且各个光电二极管仅被fov的一部分并且因此仅被环境光的一部分照射。

这种做法的几个方面是：

-光学的接收路径和发射路径可以相互独立地根据其单独的需求来实现，不需要妥协。

-需要很大的接收器二极管阵列。因此接收器二极管阵列不可以用复合半导体成本有效地制造。这妨碍了使用大的、对肉眼安全的波长。此外，这种阵列需要很多的电能，由此需要费事的冷却措施。

本发明的一个任务是，使得在同轴的激光雷达系统1中分束器变得多余。该系统提供传统的同轴系统的上述优点，而不具有其缺点。此外，大的和贵的探测器变得多余。

本发明的核心是，将由微镜63发出的接收脉冲功率聚焦到平面24中的小区域或点上。

发射路径60和接收路径30的分离由偏转光具62承担，尤其由快速振荡的微镜63承担。二次光58的射束进一步通过直接位于探测器组件20前面的探测器光具35聚焦。

特别是，例如以提供一次光57的元件67意义上的发射单元和例如带有传感器元件22的探测器元件20意义上的接收单元彼此很靠近地布置。

本发明的优点是：

-不需要分束器。由此不损失接收功率。全部发射功率被发出。

-单个的、小的光电二极管或光电二极管行或光电二极管阵列可以在探测器组件20中使用。

-单个接收二极管(ingaas)即可胜任的可能性使得能够以经济的方式利用大的、对肉眼安全的波长，例如在约1550nm范围中。

-可以省去大的接收器阵列。

-在探测器光具35适当实施的情况下可以提供光学的零米信号。

-探测器光具35的透镜36可以很节省位置地施加在探测器上。

所基于的原理例如在图3中示出。

本发明的部件可以构建在一平面24上，即所谓探测器平面。该平面可以是平的或拱曲的。可以考虑印刷电路板(pcb)或半导体芯片。

时间上短的激光脉冲由探测器平面上的小平面发出。该激射束通过偏转单元62对准视场或fov50中的点或对象52。

附加地可以考虑孔径光具70。

由对象52反射或者漫散射的光功率通过孔径光具70准直并且重新对准到作为偏转单元的偏转光具62上。

偏转光具62例如是至少在平面中振荡的镜63。

在从镜63到对象52并且返回的脉冲传播时间期间镜位置稍微改变，因为镜63连续并且快速地振荡。由此，接收脉冲被投射到探测器平面24上的与发出面不同的位置上。对象52的小距离导致接收射束(图3中的射束72-1)的弱偏转。对象52的大距离导致(图3中的射束72-3)强偏转。

偏转与镜63的振荡频率、对象63和镜63之间的距离71、探测器平面24和镜63之间的距离以及必要时与孔径相关。

在没有其它措施的情况下，投射到探测器平面24上的接收射束描绘出可能的投射地点的一条线，视对象距离71而定。

二次光58的接收射束必须对准传感器元件22。如果上述参数被针对大偏转来选择，则投射的射束将会因此变得很长并且需要大的探测器。在相反情况下，也就是说在针对小偏转来选择参数时，则在近的对象52上的反射将会导致，接收射束再落到发出面上并且不能被探测。

探测器光具35的引入提供补救，探测器光具施加在作为探测器组件20的探测器模块前面或直接施加在探测器模块上。

图3涉及具有半球形透镜部分37的透镜36，所述透镜部分具有柱形的下部结构或基座28。

图3示出了轴对称透镜36的截面图。

也可以考虑探测器光具35的其它几何形状和实施方式。

如果相应地实施透镜36，则所有入射射束和与之对应的对象距离71无关地对准到很小的面上。因此，通过微镜63进行伴随有环境光强度降低的fov局部的选择。

图4示出了探测器平面24的俯视图。图5以分解示图补充图4。图5中的各个元件彼此叠放产生图4中的示图。参考图5由上到下地进行进一步的说明。

(1)分别在右侧示出镜63仅在一个平面中振荡的情况；一维或1d情况。左侧是镜63也在正交方向上运动并且将来自y＝0平面的射束偏转的情况；二维或2d情况。如果选择得垂直频率远远小于水平频率，则也近似给出1d情况。

(2)激光孔径位于中间。后面说明其不同的实施方式。

(3)对射束运动的描述是接收的激射束的所有可能的投射位置的总和。视对象52的距离而定，接收射束偏转较多或较少。右侧的图例在对于近距离、中距离或远距离使用参考标号72-1,72-2,72-3的情况下对距离信息进行分类。

在镜63一维偏转的情况下不出现向y方向的偏转。在二维情况下，同样进行向正交方向的偏转(左侧)。

该图示出了不受透镜影响的射束位置。

(4)示出了透镜36的两种实施方式。左侧是已经在图3中说明的圆顶形透镜36，右侧是类似形状的沿y方向伸展的透镜36。左侧的透镜36也能够补偿通过2d镜63引起的垂直偏转。宽的透镜63能够使准直与有误差的校准无关。

(5)成功准直后的接收射束位置75理想地是点状的，与对象距离71无关。

(6)探测器面的形状和尺寸以这种方式确定，使得所有接收射束与对象距离71无关地聚焦到该探测器面上。

激光器孔径

在根据图6的实施方式中，激光孔径由激光器模块形成，该激光器模块作为光源65集成在探测器平面24中。

激光器可以作为外部构件施加到衬底25(pcb/半导体材料、盘、芯片)上并且在衬底25上被布线。

必要时布线可以直接在衬底25上进行。激光可以直接从半导体材料制出。然而在这种情况下会由探测器平面24上的高能电路元件引起大尺度的电磁干扰(emv，emi)。

根据图7，孔径可以由在衬底25上的被激光器65照射的反射面组成。

根据图8，衬底25可以在孔径位置上设置有开口或孔，激射束从背侧穿过该孔。

在这种情况下和图7情况下，通过激光器65和传感器元件22之间的可能的大距离避开emv问题。

在下面示出模拟结果。

光路

图9至12示出对于单个射束的模拟光路(raytracing)。所有射束由假设为点状的偏转单元62发出(右)。对象距离71以72-1近、72-2中间、72-3远编码地示出。

由图11和图12的图像中看出，所有射束聚焦到一个小面上。该原理可以扩展到更多数量的透镜26上，由此使聚焦点变小。

图9至12示出了用于单透镜配置(图9和12)和双透镜配置(图10和11)的模拟光路。

图9和10示出，二次光58的射束由点状的偏转单元62(右侧)出发并且落到探测器平面24上(左侧)。

图11和12详细地示出用于单透镜配置或用于双透镜配置的透镜26。

参数

-镜63与探测器平面24之间的距离：对于单个或两个透镜36是3cm或5cm

-孔径直径＝100μm，透镜直径＝(1,25mm或0,35mm)

-基座高度＝0,9mm或0,3mm

-镜振荡频率＝30khz

-透镜材料：聚碳酸酯，n＝1.6

最小有效范围的讨论

图13和14与对象距离71相关地示出入射到传感器表面上的功率。示出的值是关于由镜63发出的功率的。100％缺失的功率通过球形透镜37在入射角过于平坦的情况下偏转。对于很近的对象52的接收射束通过镜63不足够地偏转并且再落到激光器孔径上，距离稍微更远的对象52产生很平坦地落到透镜36上并且由此衰减的射束。

入射射束总是具有一定的延伸尺度。此外，很近的目标52产生很强烈的反向散射信号。出于这些原因，在实际情况下也可以探测很近的对象52。

此外，很强的接收信号可以抑制(übersteuern)探测器。在这种情况下，接收信号的衰减甚至是有利的。

透镜形状

示出圆顶形的和丸形的、带有基座38的透镜37。

探测器光具35的具体实施方式可以相应地匹配使用情况。重要的是，探测器元件35尽可能将二次光58的全部入射射束聚焦到一个或多个尽可能小的区域上，尽可能是点状区域。

探测器光具的可能实施方式还包括：

-可以是带有基座38的平凸透镜37。

-到目前为止每侧最多示出一个透镜36和一个传感器元件22。可以考虑在图4中沿x方向扩展透镜数量和探测器数量(微透镜阵列/探测器行)。

-在图中在孔径上方分别仅示出一个透镜36。必要时沿一个方向布置透镜就足够了。在这种情况下只能对偏转单元62沿一个方向的振荡运动进行分析评价。

-全息元件可以在没有弯曲表面的情况下完成偏转。

-不对称形状的元件可以改善盲的最小有效范围，其方式是，在开口的区域中为入射射束提供较平缓的角度。

探测器功率

在图15和16中，与开口的距离相关地绘出入射到探测器平面24上的功率，针对单个透镜36(左侧)和针对两个透镜36(右侧)。对于很近的对象52，功率在表面上又失去。对于距离较远的对象52，功率可以通过适配透镜几何形状而几乎任意地分布到探测器表面上。

在图15的针对单个透镜的情况下，总功率分布到具有大约600μm直径的面上。

在图16的针对两个透镜的情况下，必需两个200μm直径的探测器á。

扩展到两个以上透镜也是可能的。

脉冲序列频率的提高

在图13中表示出，距离很远的对象52的射束被衰减并且不再对准探测器组件20。这可以是很有用的效果。也就是说，在传统的激光雷达系统中必须预计重新进行扫描过程(＝发射激射束)，直至也接收到距离很远的对象52的接收脉冲，这些接收脉冲实际上超越了特定的最大距离。

在根据本发明的激光雷达系统1中，距离很远距离的对象52的射束会对准探测器平面24中的一个没有传感器元件22的点。因此可以提高脉冲序列频率，系统动态性能可以得到提高。