激光雷达系统的制作方法

本发明涉及一种激光雷达系统、优选一种眼睛安全的激光雷达系统。

背景技术：

激光雷达(lightdetectionandranging)在机动车或机器人的环境识别中具有越来越重要的意义。尽管存在不同的技术实施方式，仍一般通过发出光和紧接着探测由被照明的表面反射的射束来探测其他对象的存在、距离以及必要时速度。激光射束尤其可以用于扫描环境。通常的方法基于，由相应的激光雷达系统以快速的序列发出各个激光脉冲到不同空间方向中以便扫描环境并且通过相应地反射的脉冲的运行时间测量来确定与反射表面的间距(运行时间测量)。

由文献ep0648340b1例如已知一种激光雷达，借助该激光雷达可以实现用于直升机和飞机的障碍避让系统。

激光雷达系统的作用距离此外受以下限制，即在与反射表面的距离的增加的情况下，越来越少的光子返回探测器并且光子的测定或反射信号的分析处理在某些时候不再可能。

通过提高激光功率虽然可以增大作用距离，然而对其设置一定的上限，因为总是必须确保对于所有位于射束的作用距离中的人员的眼睛安全。尤其在可见和近红外光谱范围中的波长中(在1.4μm之下的波长)这是关键的限制，因为这样的光特别容易穿过眼睛的角膜和晶状体并且因此可以集束到灵敏的视网膜上。由于眼睛安全性的要求，因此不可以任意提高激光功率。

在具有相应波长的相干激光射束中，对于眼睛的危险尤其在于，相干光可以穿过眼睛的晶状体非常容易地聚焦到灵敏的视网膜的各个点上。由此可以在此出现非常高的功率密度，其能够不可逆地破坏灵敏的视网膜组织。非相干激光射束的应用虽然将增大有效焦点的大小，然而这样的射束具有显著更高的扩散度并且因此不适用于高分辨的环境扫描。

技术实现要素：

根据本发明提供一种激光雷达系统，其避免或至少明显减少在现有技术中出现的关于在高功率时相干激光射束的眼睛安全的问题。根据本发明的激光雷达系统优选是非相干探测的激光雷达。在这样的激光雷达中，保持不考虑用于扫描环境的激光射束的相位(或在射束场内的相位关系)。

根据本发明的激光雷达系统包括用于产生相干激光射束的激光射束源，其中，所述激光雷达系统构造用于基本上以传播模式(也称为横向传播模式)发出由所述激光雷达系统发射的激光射束，所述传播模式相应于具有两个阶数的近轴亥姆霍兹方程(paraxialehelmholtz-gleichung)的解析解，其中，两个阶数中的至少一个大于0。与基本模式——在所述基本模式中两个阶数等于零——不同，所述模式也称为高阶传播模式(也即比基本模式高至少一阶)。由所述激光雷达系统发出的射束优选是单色的，也即基本上根据唯一的波长确定。尤其激光射束源可以是纵向单模发射器(仅仅纵向传播模式)。

近轴helmholtz方程是helmholtz方程的近似形式，其由一般波方程在变量分离之后并且假定谐波时间关系的情况下得出。近轴helmholtz方程可尤其用于描述相干激光射束的传播。

解析解可以典型地通过在对于确定的几何边界条件的完整的一组正交本征函数中展开解空间来找到。这样一组解也称为模式系列(modenfamilie)。因为近轴helmholtz方程的横向部分在数学上涉及两维问题(在垂直于传播方向的平面中的场分布)，所以相应的解可以借助于两个相互独立的横向参数来描述。如果模式系列的每个成员通过一对整数作为横向参数来表示，则将这些数称为用于相应模式系列的阶数，其中，由此确定相应解的或相应本征函数的阶。

阶数也可以直接由相应射束的强度轮廓()得知，因为沿确定方向出现的场最大值的数目与阶的水平、也即与相应阶数的值相关。模式系列的基本模式的特征在于，通过射束轮廓的直线沿任意方向恰恰示出在射束中心的强度最大值(例如理想的高斯轮廓)。较高阶的模式的特征在于，至少对于各个相交线可以确定不同数目的局部的场最大值或强度最大值，和/或，沿这样的相交线，场分布的重心位于射束中心之外。

边界条件大多确定用于本征函数的选择的特别优选的坐标系统。与这些边界条件相配地，那么可以将问题转变到相应的坐标系统中。例如典型的高斯射束是在具有圆形边界条件的圆柱形坐标中近轴helmholtz方程的解。

真实的激光射束或其他可产生的射束轮廓大多可容易通过各个解(例如理想的高斯射束)或模式系列的解的叠加来接近。基于展开的完整性，对于与模式系列的大量独立的解的叠加原则上可以近似每个任意的场分布。虽然如此，为了接近真实的激光射束，将叠加限制到模式系列的最大三个传播模式上大多完全足够。在此视为足够的是，所考虑的传播模式包括真实的激光射束的总射束功率的优选至少80％、更优选至少90％、更优选至少95％以及还更优选至少99％。

由激光雷达系统发射的激光射束基本上以确定的传播模式传播因此表示，根据本发明传播的传播模式(也即基本的传播模式)包括由激光雷达系统发射的总射束功率的优选至少80％、更优选至少90％、更优选至少95％以及还更优选至少99％。

本发明的优点

根据本发明的激光雷达系统具有如下优点，通过基本上在较高的传播模式中传播的相干激光射束也借助于光学装置相比于例如基本模式发射器的高斯射束显著降低射束的可能的可聚焦性。相应的模式在穿过透镜时没有成像到单个清晰的点上，而是成像到与该点偏离的具有较大面积的强度分布上。尤其，通过观察者的眼睛的晶状体聚焦的相干激光射束对于相应的传播模式在射束源成像时相比于在应用理想高斯射束时的情况在视网膜上“更不清晰”地成像。

由此，所聚焦的射束功率分布到视网膜的较大的面积上，从而每个面积单元的射束负荷与此相比被降低(较小的功率密度)。因此，仅仅在相比于在高斯射束的情况下更大的总功率时才局部达到组织的破坏阈值。这可以用于，尽管相比于现有技术提高的激光功率也眼睛安全地运行根据本发明的激光雷达系统。

通过应用专门的射束轮廓(也即相应的传播模式)可以因此实现在视网膜上的视在源(scheinbarequelle)的较大的角度延展，由此可以提高可进入的射束(gzs)的通过眼睛安全规范iec60825-1预给定的边界值。此外，在专门的射束轮廓的成像中，将由眼睛捕获的功率分配到较大的范围上，由此，商zs/gzs(zs＝可进入的射束)变得更小。因此可以实现具有提高的发送功率的眼睛安全的系统，这又积极地影响系统的性能(作用距离)。

射入透镜的光集束到成像面的单个点上原本是对于平面波的特殊情况。然而，具有高斯射束轮廓(通常情况)的激光射束在射束腰(strahltaille)中实际上具有平的波阵面并且在其他位置相应于具有极其大的曲率半径的球形波，其越过瞳孔因此同样是接近平的。平面波的假定因此是完全合理的。

优选地，根据本发明使用的传播模式是埃尔米特-高斯模式、拉盖尔-高斯模式或因斯-高斯模式。在此涉及对于不同边界条件(完整的组的正交本征函数)近轴helmholtz方程的众所周知的解(分别构成模式系列)。尤其在此涉及具有两个阶数的近轴helmholtz方程的解析解，其中，对于相应的基本模式，两个阶数分别等于0。

埃尔米特-高斯模式是沿射束的传播方向具有矩形射束横截面(相应于矩形边界条件)的近轴helmholtz方程的稳定解的系列。埃尔米特-高斯模式可以作为近轴helmholtz方程的解析解在笛卡尔坐标中借助于两个埃尔米特多项式的乘积hi×hm来表示。各个埃尔米特-高斯模式典型地缩写为具有两个阶数i和m(i和m包括非负整数的集合)的hgi,m。

拉盖尔-高斯模式是沿射束的传播方向具有圆形射束横截面(相应于圆形边界条件)的近轴helmholtz方程的稳定解的系列。拉盖尔-高斯模式可以作为近轴helmholtz方程的解析解在圆柱形坐标中借助于所分配的拉盖尔多项式来表示。各个拉盖尔-高斯模式典型地缩写为具有两个阶数p和i(p和i包括非负整数的集合)的lgp,i。所分配的拉盖尔多项式可以借助于简单的拉盖尔多项式表示为：

优选地，传播模式是lgp,i拉盖尔-高斯模式，其中，p等于0，并且i大于0。这导致，构成环，并且在构成的环中的每个面积单元的强度近似不变。因此，每个面积的辐射强度的估计比在强度轮廓的附加的方位角的变型的情况下变得明显更简单。此外优选的是，由激光雷达系统发射的激光射束基本上以唯一的传播模式(也即横向单模地)传播。尤其在此可以涉及缩写为lg0,1的拉盖尔-高斯模式，其中，阶数p等于0，并且i等于1。此外优选的是，应用缩写为lg0,2、lg0,3、lg0,4或lg0,5的拉盖尔-高斯模式用于环境扫描。在该段落中作为优选给出的所有模式具有如下共同点：在射束中心的强度具有最小值并且此外绕射束中心圆形地分布。在射束聚焦时，强度同样在空间上(在视网膜上)分布并且因此也不具有危险的逐点的最大值(如在高斯射束的情况下)。

因斯-高斯模式是沿射束的传播方向具有椭圆形射束横截面(相应于椭圆形边界条件)的近轴helmholtz方程的稳定解的系列。解析描述可以借助于因斯多项式同样借助于两个阶数p和m实现。各个因斯-高斯模式典型地缩写为igp,m。

优选地，由所述激光雷达系统发射的激光射束基本上以唯一的传播模式传播。由此可以将用于产生期望的射束轮廓的耗费保持得低。

如果所应用的激光射束源没有已经自身提供相应于本发明的传播模式(例如具有相应的共振几何结构)，则具有不同的可能性来产生相应的传播模式。经常可以从作为激光射束源的初始轮廓的高斯射束的情况出发，高斯射束在根据本发明的激光雷达系统内在发出之前通过一个相应的用于转变的机构或多个相应的机构来转变。

优选地，由所述激光射束源产生的激光射束借助于衍射光学元件(doe)或全息图变换成进行传播的传播模式。用于转变的机构主要可特别廉价地制造。尤其所谓的叉形全息图(pitchfork-hologramme)在此是特别优选的，因为其在衍射阶中产生纯拉盖尔-高斯射束，而未完全转换的光部分(平面波)以第零阶发送并且可以借助射束阱(strahlfalle)拦截。通过以下方式叉形全息图是特别眼睛安全的：即叉形全息图在损害的情况下完全不再沿衍射方向产生射束。可能的是，也通过菲涅尔透镜与相同元件的叠加来聚焦。

也可能的是，由所述激光射束源产生的激光射束借助于螺旋相位板或涡旋透镜的变换。这些商业上可购买的用于转变的机构视质量而定地提供非常高的转换效率，然而相对昂贵的是，恰恰与相应的波长协调并且因此需要与激光雷达系统的剩余部分的非常精确的协调。

此外也可能的是，由所述激光射束源产生的激光射束借助于圆柱形透镜、slm(选择性激光熔化)、q板的变换。然而这些方法大多不太实用、低效或非常昂贵。

本发明的另一方面涉及一种机动车，所述机动车具有根据本发明的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统与机动车的控制系统连接。车辆的控制系统在此尤其理解为用于监视、调节和控制当前车辆状态的电子控制系统。本发明的又一另外的方面涉及一种具有根据本发明的激光雷达系统的机动车，其中，激光雷达系统用于眼睛安全的环境扫描。

本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中给出并且在说明书中描述。

附图说明

根据附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施例。

图1以高斯射束(上方)和根据本发明的较高阶的拉盖尔-高斯射束为例示出经准直的射束的相前以及在聚焦之后的强度分布；

图2示出涉及眼睛的相位分布的示意图；以及

图3示出用于眼睛的远程调节(fernakkommodation)的视网膜图形的模拟。

具体实施方式

在图1中以高斯射束(上方)和根据本发明的较高阶的拉盖尔-高斯射束为例示出经准直的射束的相前和在聚焦之后的强度分布。此外示意地示出具有用于产生相干激光射束12的激光射束源10的激光雷达系统，其中，所产生的激光射束12在进一步的射束走向中通过透镜22聚焦到图像平面上。尤其透镜22可以是眼睛20的晶状体10，图像平面24可以是相应的视网膜24。

对于靠近激光雷达系统绘出的截面示出在聚焦之前的相应的相前(相位分布)，以及对于远离激光雷达系统绘出的截面示出在聚焦之后在图像平面中的相应的强度分布。上一排在此示出用于常规的激光雷达系统的高斯射束的典型分布。下一排示出用于第一阶的拉盖尔-高斯射束的典型分布，如其也应用在根据本发明的激光雷达系统的一种特别优选的实施方式中那样。尤其，所示出的传播模式可以是lg0,5拉盖尔-高斯模式作为在圆柱形坐标中通过所分配的具有阶数p＝0和i＝5的、拉盖尔多项式近轴helmholtz方程的稳定解。

常规的高斯射束具有基本上平面的波阵面并且在聚焦时成像到唯一的点上。与此相对，在所示出的拉盖尔-高斯模式中基于在相位分布中可见的螺旋形波阵面而产生环绕焦点的环形强度分布。射入的光学功率因此分布到视网膜24的较大的面积上，由此可以阻止光学辐射损伤的出现。

在图2中示出涉及眼睛20的相位分布的示意图。所示出的相位分布相应于在图1中示出的用于较高阶的根据本发明的拉盖尔-高斯射束的相位分布。如所描述的那样，在所示出的拉盖尔-高斯模式中基于在通过透镜22的成像中在相位分布中可见的螺旋形波阵面而产生在视网膜24上的环形的强度分布。在中央的缺少的强度是由以下引起的结果：即在那，从0至2π的所有相位干涉。该效应如此长时间地保持，如所捕获的波阵面的所谓涡旋部分那样。

尤其在大的射束横截面(相比于眼睛20的瞳孔大)的情况下可以发生的是，涡旋如在此所示出的那样没有射到瞳孔上。在这种情况下，瞳孔捕获射束横截面的仅仅一部分，其中，射束的相位奇点()必要时没有包含在其中。眼睛20由此看到相对均匀的(必要时线性变化的)波阵面，该波阵面基本上又成像到视网膜24的单个的点上。然而，由视网膜24检测的总强度也仅仅是总射束的强度的极小部分。在此，在极端情况下(涡旋恰恰位于瞳孔边缘上)强度的仅仅不到一半成像到视网膜24上。剩余的射束由眼睛20或其紧邻的环境吸收。因此，在根据本发明的激光雷达系统的激光射束12未完全成像的情况下也满足对眼睛安全性的要求。

在图3中示出用于眼睛20的远程调节的视网膜图形的模拟。在此，为了创建模拟环境，使用眼睛20的典型的成像参数以及用于眼睛安全性的有关规范并且紧接着执行相应的波光模拟。

规范(iec60825-1、dinen60825-1)对于不同的激光等级预给定可进入射束的边界值(gzs)，其不允许由相应等级的激光系统超出。在激光雷达系统中，尤其激光等级1是重要的，因为激光等级1允许眼睛安全的系统。等级2仅仅可以用于可见的光谱范围，而在等级3中不可以基于：系统在较长时间注视射束时不导致损害。在眼睛安全性的评估中必须不仅考虑在激光雷达传感器的视场(fov)中的所有间距、所有位置、眼睛20的所有调节状态而且考虑直至100秒的射到眼睛20中的脉冲图案(pulsmuster)的所有在时间上的子区段。

如果涉及脉冲式系统，则此外必须分析处理通过规范预给定的三个脉冲标准。因为用于真实系统的计算非常复杂，所以大多仅仅讨论一个射束(相应于单个的脉冲)。眼睛20的瞳孔假定在具有7mm(最大地扩宽的瞳孔)的眼睛安全性中，并且眼睛20的调节带宽可以通过具有14.5至17mm的焦距的理想透镜假定在与透镜2217mm的视网膜间距处。视在源的角度延展理解为以下角度：源从确定的空间点在所述角度下呈现。调节状态借助焦点设置为无限的。远程调节是临界范围，因为在此，在视网膜24上产生最小图像。

左侧成像示出常规激光雷达系统的高斯射束的视网膜成像。右侧成像示出根据本发明的激光雷达系统的拉盖尔-高斯射束的相应视网膜成像。尤其，所模拟的传播模式是具有阶数p＝0和i＝5的lg0,5拉盖尔-高斯模式。所示出的视网膜图像相应于17mm的晶状体焦距。

所产生的视网膜成像的直径对于这两个射束几乎相同大小。然而对于眼睛安全性而言，不取决于成像的大小，而是取决于在视网膜成像内的强度分布。为了眼睛安全性的广泛评估，因此必须分析处理在视网膜24上、尤其在最大强度的区域中的成像的所有可能的子区域。在此显示了拉盖尔-高斯射束的大的优点。在示例性示出的子区域中，在正常高斯射束的情况下存在总功率的3.96％；在拉盖尔-高斯情况下相反仅仅存在0.55％。由此，在拉盖尔-高斯情况下，商zs/gzs明显更低(标注：zs/gzs必须<1，以便系统满足激光等级)。