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、一种激光雷达系统和一种工作装置。本发明尤其涉及一种用于光学地检测视场的激光雷达系统所用的光学组件，尤其用于工作装置、车辆等。本发明还涉及一种用于光学地检测视场的激光雷达系统，尤其用于工作装置、车辆等。本发明还提供一种车辆。

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：为了在扫描视场时达到高的精度，激光雷达系统所需的大的接收孔径或输入孔径通常只能通过用于构造具有接收光具的光学组件的相应结构尺寸来实现。这降低了已知激光雷达系统的使用灵活性。

技术实现要素：

与现有技术相比，具有独立权利要求1的特征的本发明光学组件具有的优点是，尽管接收器侧孔径大，仍可在安装高度和安装宽度减小的情况下实现光学组件的灵活的可布置性。根据本发明，这通过独立权利要求1的特征解决，其方案是，提供一种用于激光雷达系统的光学组件，其用于对视场进行光学检测，尤其用于工作装置或用于车辆，具有分段地构造有尤其奇数个的多个光学成像区段的接收器光具，其中，接收器光具的所述光学成像区段彼此并排地布置。通过(i)接收器光具的具有多个光学成像区段的分段造型和(ii)接收器光具的区段的可并排布置性，可以根据应用场合的安装条件以合适的方式分布地布置接收器光具的多个光学成像区段，使得也可以相应地划分安装空间。

从属权利要求显示了本发明的优选扩展方案。

在布置接收器光具的区段时有多种不同的几何结构可能性适用，以适应对应的应用场合。

在光学组件的有利扩展中设置，接收器光具的光学成像区段已布置成或被布置成：

-在垂直于接收器光具的接收方向的方向上，

-在垂直于接收器光具的光路方向的方向上，

-沿着一条优选直的线和/或

-相对于所基于的激光雷达系统或所基于的工作装置的定向水平地和/或垂直地彼此相邻。

所有措施可以任意彼此组合，必要时可以补充以附加措施，特别是为了与传统的、非分段的解决方案相比实现减小的安装高度，例如具有相对扁平的横向拉长结构形式。取而代之，根据本发明可实现的措施也可用于减小激光雷达系统的光学组件的横向延伸尺度，以便获得在水平方向上窄而在垂直方向上较厚的结构。因此，通过根据本发明的做法，可以实现光学组件的窄的或扁平的结构形状，其空间取向通过选择分段和彼此并排布置来确定。

术语“垂直”和“水平”涉及对应的应用场合的参照系的几何形状，尤其涉及重力场的方向，例如地球重力场的方向。

所述光学组件特别有利的是接收器光具与探测器组件协同作用。

因此，在根据本发明的光学组件的有利实施方式中设置，接收器光具构造为用于将视场光学成像到设置的探测器组件上。

相应地特别有利的是，接收器光具的每个区段构造为用于将所分配的视场区段光学成像到探测器组件上。通过这种措施，在接收器光具的光学成像区段和视场的区段之间产生分配关系。

如果根据本发明光学组件的另一扩展方案，分配给接收器光具的光学成像区段的所有视场区段的总体将所述视场整体覆盖，则获得对待扫描的视场的特别准确的检测。

如果根据本发明光学组件的另一扩展方案，分配给接收器光具的光学成像区段的视场区段的分别扫描的空间角度相互间没有重叠或重叠小于10％，优选小于5％，更优选小于2％，则在对接收器光具的可用区段的良好利用方面产生特别有利的成像情况。

对于最小系统，重叠消失是最好的。但是为了支持校准并使其更准确，重叠也可以是有利的。当然，重叠的程度应选择得尽可能小并且必要程度地大。

尤其可以想到，仅用两个元件进行分段。在这种情况下可能希望较大的重叠。因为刚好是与光轴成0°的方向将会处于两个区段的边缘处。在边缘处，光具的成像质量大多较差，例如因为渐晕等。这相当于缩小了有效范围。这种情况可以通过例如使重叠区域实施得略大以便对视场的这个重要区域进行双重探测来对抗。

可以实现特别紧凑的光学组件，其方式是，分配给接收器光具的光学成像区段的视场区段彼此直接相邻，尤其以彼此邻接的方式。

替代于此，也可以是，分配给接收器光具的光学成像区段的视场区段相对彼此在空间上间隔开地布置。以这种方式可以实现空间分布的结构形式，其可以适应相应的应用场合。

如上面详细阐述的，本发明的核心方面是分段和新布置的方案，在这里是接收器光具的分段和新布置。

替代地或附加地，分段方案也可以转用到探测器组件的构建上。

因此，根据光学组件的另一优选实施方式设置，探测器组件分段地构造有多个探测器区段，并且，尤其是在接收器光具的光学成像区段和探测器区段之间存在一对一的对应关系，和/或，探测器区段具有与接收器光具的光学成像区段的空间布置相对应的空间布置。

在这里，在之前和后面，对于空间布置的可能的对应性例如应理解为该布置的相同取向，例如水平、垂直或任意其他方向。

此外可以想到，将分段和分布式布置的方案替换地或附加地转用到根据本发明的光学组件的一个或所述发射器光具上。

因此特别有利的是，根据本发明的光学组件构造有分段地构造有多个光学区段的发射器光具，用于用光、尤其用划分开的光路照射视场，其中，在接收器光具的光学成像区段与发射器光具的光学区段之间存在一对一的对应关系，和/或，发射器光具的光学区段具有与接收器光具的光学成像区段的空间布置对应的空间布置。

在这里尤其涉及：发射侧的分段与接收侧的分段一致。在某些实施方式中可能是这样，但不是强制性的。

替代地可以在发射侧用通过一个微镜偏转的光束照射例如整个视场而仅在接收侧存在分段。

在此，对于光除了理解为肉眼可见范围内的电磁辐射外还应理解为ir辐射，例如、但不仅仅是在905nm范围内的辐射。

在应用中，发射光具的分段提供了特别的优点，其方式是，为了利用视差效果，发射器光具的光学区段和接收器光具的光学成像区段在垂直于发射器光具或者接收器光具的发射和/或接收方向的方向上和/或垂直于接收器光具和/或发射器光具的光路方向的方向上在空间上相互间隔开。

此外，本发明还涉及一种用于对视场进行光学检测的激光雷达系统，尤其用于工作装置，车辆等。根据本发明的激光雷达系统构造有根据本发明的光学组件。

根据本发明的另一方面，还提供一种工作装置，其构造有根据本发明的激光雷达系统，所述激光雷达系统用于对视场进行光学检测。

根据本发明的工作装置尤其可以是工作机器、车辆、机器人或其他一般性生产设备或运行设备。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的实施方式。

图1以示意性方框图的方式示出了根据本发明的激光雷达系统的一种实施方式的构建，

图2以侧向的横截面视图示出了根据本发明的光学组件的一种实施方式，着眼于接收器光具，

图3至6以示意性立体视图示出了在使用根据本发明的光学组件的实施方式情况下的根据本发明的激光雷达系统的其他实施方式，

图7和8以示意图示出了在使用根据本发明的光学组件的实施方式的情况下将视场垂直或水平地划分成区段，

图9示意性地描述了利用视差效果通过三角测量法确定距离的方面。

具体实施方式

在下文中参考图1至8详细描述本发明的实施方式。相同和等同的以及作用等同或等同的元件和部件用相同的附图标记进行标记。所标记的元件和部件并非在它们每次出现的情况下都被详细描述。

在不偏离本发明的核心的情况下，所示出的特征和其他特性能够以任何形式彼此隔离并且任意地彼此组合。

图1以示意性方框图的形式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的实施方式。

根据图1的激光雷达系统1具有发射器光具60，该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70在必要时通过射束成形光具66之后发射到视场50中，用于研究位于视场中的对象52。

根据图1的激光雷达系统1还具有接收器光具30，其经由作为一次光具的物镜34接收由视场50中的对象52反射的二次光80，并且将二次光–必要时经由二次光具35–传输给探测器组件20。

借助于控制和分析评价单元40，通过控制导线42和41进行对光源65和探测器组件20的控制。

在图1中从三个不同方面示意性地示出了激光雷达系统1的光学部件的分段方案，但这不是强制性的。

一方面，接收器光具30在物镜34的区域中具有多个光学成像区段31，例如呈多个相应地几何构造的物端透镜的形式。每个光学成像区段31分配有物镜34前面的一个相应的空间角度区域，该空间角度区域形成激光雷达系统1的视场50的一个区段51。

该分配通过使光学成像区段31相对于彼此以及相对于希望的视场50的定向来进行。

在运行中，由于通过定向而进行的这种分配，接收器光具30的每个光学成像区段31通过接收二次光80而分别将视场50的一个区段51成像到探测器组件50上。

视场区段51完全覆盖视场50，即，整个视场50以成像的视场区段51的总体的形式被检测到。

在根据图1的实施方式中，在根据本发明的激光雷达系统1中，在发射器光具60的偏转光具62的区域中存在另一方面分段，具体说通过设置多个光学区段61来分段。在此例如可以涉及多个可相互独立地控制的反射镜元件，它们对激光雷达系统的彼此不同的空间角度区域加载以一次光70并且在必要时扫描这些空间角度区域。

在根据图1的激光雷达系统1的实施方式中，通过设置多个探测器区段21，在探测器组件20的区域中实现第三方面分段。

图2以示意性和剖切的侧视图示出了用于激光雷达系统1的光学组件10的实施方式，其中着眼于接收器光具30和探测器组件20。

示出了激光雷达系统1的视场50，具有视场区段51，这些视场区段彼此重叠并且相互组合地在空间角度上覆盖整个视场50。

各个视场区段51的重叠不是必定需要的，并且有利地仅是最小的，使得在视场50的彼此邻接的视场区段51的边缘区域中不出现观察空隙。另一方面，如上所述，在一些实施方式中，重叠可能有助于补偿校准公差。

每个视场区段51分配给例如在物镜34意义上的接收器光具30的一个光学成像区段31。该分配这样进行：使得通过接收器光具30的光学成像区段31的成像，刚好将所分配的视场区段51光学成像到探测器组件20上。在此，在根据图2的实施方式中重要的是，在对应的探测器区段21、接收器光具30的光学成像区段31和所分配的视场区段51之间存在一对一的对应关系。这种一对一的对应关系尽管是有利的，但不是必定需要的。

根据图2的探测器组件20的每个探测器区段21由多个探测器元件22组成。

图3以示意性的部分立体视图示出了根据本发明的激光雷达系统1的另一实施方式，其具有呈物镜34形式的接收器光具30的两个光学成像区段31，它们分别将来自视场50的二次光80成像到探测器组件20的具有数量为六的多个探测器元件22的对应探测器区段21上。

图4示出了根据本发明的激光雷达系统1的另一实施方式的示意性立体视图，其中，可以与发射器光具60相结合地利用在接收器光具30的区域中进行的具有多个光学成像区段31的分段，以便能够在发射器组件60的例如在偏转光具或偏转镜62意义上的光学区段61之间的用90标记的距离90上充分利用视差效果，以获得关于视场50的几何形状、尤其关于包含在视场50中的对象52的距离的进一步信息。

在根据图5的以立体侧视图示出的本发明激光雷达系统1的实施方式中，接收器光具30和发射器光具60分别构造有两个区段31或61。

图6示出了根据本发明的激光雷达系统1的另一实施方式的示意性剖切侧视图。

在此，通过设置一对在空间上分开的偏转镜62作为用于发射一次光70的发射器光具60的区段61来进行发射器光具60的分段。

在根据图6的激光雷达系统1的实施方式中，通过接收器光具30的菲涅耳透镜32的小平面光具(facettenoptik)来形成用于接收和成像二次光80的接收器光具30的分段。在这种情况下，各个小平面形成接收器光具的区段31，必要时具有视场50的区段51连同其中包含的对象52的相应分配关系。

图6示出了单个菲涅耳透镜32。该透镜例如可以被用于减小普通镜头的结构深度。然而在这里也可以想到，设置小平面光具，必要时也可以没有菲涅耳结构，因为菲涅耳结构可能具有缺点，尤其是在某些观察角度下。

在根据图6的实施方式中，激光雷达系统1在探测器组件20中具有两个探测器区段21，它们具有多个探测器元件22。

图7和8示出了具有各个视场区段51的视场50的垂直或水平分段。

在本发明意义上，空间概念“水平”、“垂直”等涉及到激光雷达系统1与所基于的装置相关的常见布置，优选是在地球重力场中的布置。

参考下面的陈述来进一步阐明本发明的上述和其他特征和性能：

在激光雷达系统中，通常使用一个物镜作为接收路径中的具有圆孔径的接收器光具30。探测器组件20的所设置的检测器22位于该一个物镜34的成像区域中。整个视场(fov：fieldofview)通过该物镜34成像。

为了收集尽可能多的光子，有利的是具有大的接收孔径，这在圆形透镜情况下导致大的结构形状。

然而需要扁平的、长形结构形式的激光雷达传感器，以便它们例如能够匹配到汽车散热器格栅的筋条之间。

另外，在传统结构形式情况下不能充分有效地排走内部热量。扁平结构形式可以如下改善激光雷达系统的热性能。

本发明的核心构思是，接收器光具30的功能元件，例如物镜34，以及必要时还有探测器芯片21、激光源65和/或发射路径60分解成至少两个元件，这些元件尤其在空间上彼此并排地和/或上下叠置地布置，从而产生扁平结构形式。在这种情况下，可以将之前统一的视场50或field-of-view(fov)水平或垂直地划分，如在图7和8中所示，从而产生系统1的扁平结构形式。

在这种方案中也可以将小平面光具的透镜分解成单个元件以减小深度。也可以想到倾斜的透镜元件，以将视场50的尺寸变换成其他尺寸。

根据本发明得到以下优点：

-可以实现扁平结构形式。

-可以实现新的安装位置，例如在汽车散热器格栅的筋条之间。

-可以实现分布的结构形式。

-可以利用视差效果。

图3示出了如何通过划分接收器光具30的物镜34中的透镜和探测器组件20的探测器表面或探测器区段21来确保整体保持相同的接收面并且同时可以产生扁平结构形式的可能性。

在将接收光具30划分成两个或其他偶数数量个透镜作为区段31时，可以将发射器光具60布置在这两个或更多个元件之间。

但是也可以利用奇数个、例如三个透镜作为接收器光具30的区段31。在此存在中部具有特别合适的成像特性的优点。

该方案还提供了灵活地布置发射和接收元件或区段31或61和/或各个探测器区段21或探测器元件22的可能性，如在图4和5中所示。

在根据图4的分布式结构形式中还可以利用视差效果以获得用于确定距离的进一步信息。

带有发射器组件60的发射路径的划分也是可以想到的，并且在图5中示出。在这里，接收光具30可以居中地布置在发射器组件60或发射路径的区段61之间。在划分发射路径时例如可以用两个激光工作，或者用一个激光，该激光在离开设备之前再次被划分开。

图3示出了作为接收器光具30的光学成像区段31的透镜和作为探测器组件20的探测器区段21的探测器表面的划分，以便在接收表面相同的情况下实现扁平结构形式。

图4示出了分布式结构形式，其中，发射器光具60的区段61和接收器光具30的区段31水平地拉开。对于近间距，可以利用视差效果以获得关于距离的进一步信息。

图5示意性地示出了发射器光具的区段61和接收器光具30的区段31的灵活布置。

图6示出了激光束用两个微镜62作为发射器光具60的区段61进行的划分，在它们之间示出呈小平面光具32方式的接收器光具30，该小平面光具将各个不同的视场区域作为视场50的区段51进行成像。

图7和8示意性地示出了视场50沿水平或垂直方向上用区段51进行的可能的划分。

图9示意性地示出了在利用视差效果的情况下通过三角测量进行的距离确定方面。

在图9中示意性示出的激光雷达系统1构造有接收器光具30、发射器光具60和具有探测器平面23的探测器组件20。由发射器光具60发射的一次光70在视场50中照射到对象52上，该对象将接收的一次光70作为二次光80反射。二次光80落到接收器光具30上并且被接收器光具对准到探测器组件20上。

图9示意性地示出，如何基于接收器光具和发射器光具60之间的基础间距94(该间距也用符号b表示)与视差效果相结合通过三角测量除了测量传播时间外还可以附加地推断出对象52距接收器光具30的间距91。该间距也用z表示。结合焦距92(也用符号f表示)和间距93得到下面的公式表达，其中探测器平面23(该平面与接收器光具30的焦平面相同)中的该间距用d表示：