同轴的激光雷达系统的制作方法

本发明涉及一种同轴的激光雷达系统。尤其是，本发明所涉及的同轴的激光雷达系统的校准耗费较低且所需的安装空间较小。

背景技术：

现有的激光雷达系统(lidar-system)通常设计为是双轴的。这意味着，不仅发送器单元而且接收器单元都具有用于光学成像的固有透镜系统。在这些系统中，必须将发送器单元非常精确地相对于接收器单元进行定向，借此才能够使得由外部物体反射的辐射通过接收镜组聚焦到相应的探测器上，而不会只在该探测器旁边经过。特别是当需要校准多个通道时，这意味着在校准方面的大量耗费。此外，这种双轴结构由于其空间上彼此分离的光学系统而需要足够大的安装空间。

除了双轴系统之外，还已知同轴系统。这里的挑战在于：将发送路径与接收路径相分离而在此不会显著地限制系统性能。为此尤其使用分束器、孔镜或类似的手段。然而，这种系统也需要将单个部件进行精确地定向和校准。此外，由于入射辐射与出射辐射之间需要分离，因而也限制了最小的必要安装空间。

通常，通过镜组使由激光雷达系统所发出的激光射束成形。为此，发射镜组通常被如此定位，以至于使得发出的射束具有尽可能低的射束发散度(这种射束发散度限定了激光雷达系统的空间分辨率)。当射束被准直时尤其是这种情况。对于单一透镜，这意味着该透镜到发送器单元的激光源之间的距离准确地符合透镜的焦距。

现在，如果在同轴系统中经由相同的镜组收集由外部的物体所散射回的光(所谓的有效射束)，那么，这种光基本上又直接在激光器棱面上成像。因此无法探测到该射束，这是因为接收器无法在不遮挡发出射束的情况下放置到该射束中。在这种激光雷达系统内部，发射射束和接收射束在此基本上重合的(见图1)。

技术实现要素：

根据本发明，提出了一种根据权利要求1所述的同轴的激光雷达系统。本发明的激光雷达系统尤其能够在机动车辆中用于对周围环境的检测。

根据本发明的激光雷达系统包括：构造用于发射激光雷达辐射的发送器单元；构造用于探测入射的激光雷达辐射的接收器单元；用于成像激光雷达辐射的光学系统，其中，由光学系统共线地传输由发送器单元发射的辐射和入射到接收器单元上的辐射，其中，发送器单元的发射面布置在成像光学系统的焦点之外。尤其地，发送器单元的发射面到光学系统的距离可以小于或大于光学系统的焦距。此外，接收器单元的探测面到光学系统的距离可以小于或大于光学系统的焦距。优选地，接收器单元的探测面到光学系统的距离符合光学系统的焦距。

因此，光学系统不仅在发送路径而且在接收路径中都承担了成像的或射束成形的功能。然而，与传统的同轴激光雷达系统不同，发送器单元的发射面位于成像光学系统的焦点之外。这意味着，由发送器单元的发射面所发射的辐射不通过成像镜组进行准直，并且因此该辐射至少略微散焦地放射到周围环境中。由此，在外部的物体上散射回的光于是不再成像在例如发送器单元的激光器棱面上。因此，接收路径的像平面位于发送器单元的发射面之外。

换句话说，本发明提出了例如这样一种布置方式：在这种布置方式的情况下，同轴系统的射束成形镜组如此定位，以使得所接收的信号的焦点并不精确位于激光发射面上。在此，这种散焦可以优选地通过改变焦距、通过沿射束传播轴线移动透镜、或者通过匹配透镜参数用于有意地产生成像误差来实现。

发送器单元可以优选地包括边缘发射器(kantenemitter)、表面发射器、光纤激光器或固态激光器作为辐射源。激光雷达系统的发送路径在相应的辐射源的发射面上具有源点(ursprung)。视辐射源而定，这在此尤其可以涉及到棱面、光纤端部、或者常规的激光器出射面。

接收器单元可以包括光电二极管作为探测器，优选地包括雪崩光电二极管(apd)或者单光子雪崩光电二极管(spad)。激光雷达系统的接收路径相应地在相应探测器的探测面处结束，即，在探测器的相应有效表面(探测器表面)处结束。

光学系统通常可以涉及成像镜组或射束成形镜组。这种镜组可以优选地构造成单个透镜或透镜系统(物镜)。这种光学系统在共线的构造中既要将由发送器单元所产生的激光雷达辐射投射到周围环境中(发送路径)，也要对由物体所散射回到周围环境中的辐射进行收集并成像到接收器单元上(接收路径)。

从发送器单元和接收器单元到光学系统的各距离是通过相应光学路径的长度或上述部件之间的路径区段的长度来确定。在此，这些路径可以直线延伸，或者可以在其长度和/或方向方面通过附加的光学辅助器件被改变。

优选地，发送器单元和接收器单元的相应有效面以相对小的距离彼此定位，从而一方面使有效光尽可能少地从探测器旁辐射经过，而另一方面尽可能减少散焦(这种散焦是通过发射的发散度与激光雷达系统的分辨率相关联)。与之不同地，如果发送路径被过强地散焦，那么发送器单元和接收器单元的相应有效面虽然能够相对彼此进一步远离，却也由于较大的发散度而降低了激光雷达系统的分辨率和光学效率。

本发明的核心是实现这样一种同轴的激光雷达系统，其中，在发送侧上的射束成形以及接收的光在接收侧上的聚集成束能够通过共同的光学系统(例如物镜或透镜系统、单个透镜)实现。这种镜组在此设计成或定位成使得从周围环境所散射回的信号(有效光、物体的反射)并不精确地聚焦到例如发送器镜组的激光发射面上，而是替代地聚焦到其附近。这种有意的散焦使得能够探测所接收的信号而不会在此阻挡发出的射束。在此可以优选地通过改变焦距、通过沿射束传播轴线移动透镜、或者通过匹配透镜参数用于有意地产生成像误差来实现所述散焦。

因此，在同轴的激光雷达系统中，入射辐射与出射辐射之间所需的分离，根据本发明尤其通过如下方式进行简化：通过发送路径中的散焦来保持接收路径中的像平面对于探测入射辐射而言是可用的此外，通过这种散焦，使得在系统构造中降低了对发送器路径的校准精度的要求。因此，在根据本发明的同轴系统中，能够在制造技术方面以非常简单和精确的方式实现从发送器到接收器的校准。此外，通过这种组件布置方式，能够与传统的同轴系统相比明显地减小安装空间，这是因为在射束路径中不需要其他的偏转部或遮光部。仅仅通过发送器单元的散焦就影响到通过光学系统的焦距所预给定的最小安装空间。

优选地，接收器单元的探测面布置在光学系统的焦点处。这符合接收器单元中的聚焦探测。替代地，接收器单元的探测面也可以布置在光学系统的焦点之外。在这种情况下，不仅发送器单元而且接收器单元都关于成像(或射束成形)光学系统的焦距方面散焦。为了校正接收路径中的可能的成像误差，激光雷达系统优选地包括用于对探测信号中的散焦进行数值校正的器件。通过这种用于数值校正的器件尤其可以基于所接收的信号来计算出散焦。

优选的是，发送器单元的发射面与光学系统之间的距离大于或小于接收器单元的探测面与光学系统之间的距离。替代地，发送器单元的发射面与光学系统之间的距离可以等于接收器单元的探测面与光学系统之间的距离。由此确定出发送器单元的发射面和接收器单元的探测面分别到光学系统的一个点的距离相互之间的比例关系。尤其地，在发送路径和接收路径都是直线的情况下，接收器单元(也即其探测面)优选地布置在发送器单元(也即其发射面)之前或之后。通过这些单个部件进行组件布置时的自由度，视安装空间的可用性而定，能够分别关于分辨率、成像清晰度和安装空间尺寸方面选择最佳的解决方案。

优选地，接收器单元的探测面大于发送器单元的发射面。大的探测面尤其具有如下优点：能够提高激光雷达系统的分辨率并且降低噪声。发送器单元的小的发射面则有利于将发送器单元的尺寸保持得很小，从而使得在以共线方式进行组件布置的情况下接收路径尽可能不被发送器单元干扰。

优选地，接收器单元的探测面能够包括用于传输激光雷达辐射的透射区域。这在此尤其可以涉及到探测面(或接收器单元)中的开口。该透射区域能够用于使来自发送器单元的激光雷达辐射穿过探测面在光学系统的方向上传输。

接收器单元能够包括位于不同空间位置处的一个或多个探测器。在此，探测面是作为这些单个探测器面(有效的探测器面)的总和得出。探测面例如可以构成单个连贯的面，或着至少部分地由多个不连贯的单面组合而成。优选地，多个单独的探测器在侧向上围绕发送器单元定位。也可能的是包围发送器单元的圆环形的探测器几何形状。如果能够将探测面拆分成单个面的话，那么这具有优点，其在于：能够自由设计探测面的布置方式。尤其由此能够尽可能大面积地充分利用现有的安装空间实现探测。

优选地，从发送器单元到光学系统的光路(发送路径)包括偏转装置和/或中间镜组。也优选的是，从光学系统到接收器单元的光路(接收路径)包括偏转装置和/或中间镜组。偏转装置尤其可以涉及用于偏转相应路径的镜。例如可以通过镜将接收路径偏转到放置在另一位置处的探测器上。例如可以通过布置在成像镜组的焦点之前或之后的非常小的镜，使接收路径在侧向上偏转。中间镜组可以包括单个透镜或透镜系统(物镜)。通过中间镜组尤其可以实现进一步成像、光学误差校正、或者将相应路径中的光路延长/缩短。尤其地，能够利用透镜(或弯曲镜面)使接收路径再一次聚焦。借助于偏转装置，使得激光雷达系统能够最佳地匹配于可用的安装空间。与其他没有偏转装置或中间镜组情况中的光学方面优选的位置相比，中间镜组尤其允许光学特性的改善或部件的简单的空间移位。

优选地，在发送器镜组中，边缘发射器用于产生激光雷达辐射。边缘发射器发射出在快轴和慢轴中具有关于几何形状、发散度和射束品质方面的不同特性的辐射。因为圆形射束对于激光雷达应用而言是优选的，所以可以使用轻微的散焦同时用于均衡上述两个轴。

特别有利的实施方式是，其中，发送器单元(尤其是激光器)和接收器单元(尤其是一个或多个探测器)位于一个共同的电路板上。根据本发明的系统可以优选地具有扫描机构(使镜旋转的所有部件)，以便能够扫描或检测更大的周围环境区域。

本发明的有利扩展方案在从属权利要求中给出并在说明书中说明。

附图说明

参考附图和以下说明详细阐明本发明的实施例。附图示出：

图1根据现有技术的激光雷达系统的示意图，

图2根据本发明的激光雷达系统的第一实施方式，

图3根据本发明的激光雷达系统的第二实施方式，

图4根据本发明的激光雷达系统的第三实施方式，

图5根据本发明的激光雷达系统的第四实施方式，

图6根据本发明的激光雷达系统的第五实施方式，和

图7根据本发明的激光雷达系统的第六实施方式。

具体实施方式

图1中示出了根据现有技术的激光雷达系统的示意图。所示激光雷达系统包括：构造用于发射激光雷达辐射的发送器单元10；构造用于探测入射的激光雷达辐射的接收器单元20；和用于成像激光雷达辐射的光学系统30，其中，由发送器单元10(也即由发射面12)发射的辐射(发射射束14)和入射到接收器单元20上(也即到探测面22上)的辐射(接收射束24)由光学系统30共线地传输；其中，发送器单元10的发射面12和接收器单元20的探测面22这二者都布置在成像光学系统30的焦点32内或其紧邻的周围环境中。

在此，发射射束14以在相应射束直径情况下尽可能小的发散度发射。接收射束24的焦点32精确地位于发送器单元10的发射面12处(例如在以边缘发射方式的激光二极管的射出棱面处)。在这种情况下，可能无法将(例如包括有探测器的)接收器单元20在不会至少部分地阻挡发射射束14的情况下引入到接收射束24中。

图2中示出了根据本发明的激光雷达系统的第一实施方式的示意图。所示的激光雷达系统包括：构造用于发射激光雷达辐射的发送器单元10；构造用于探测入射的激光雷达辐射的接收器单元20；和用于成像激光雷达辐射的光学系统30，其中，由发送器单元10(也即由发射面12)发射的辐射(发射射束14)和入射到接收器单元20上(也即到探测面22上)的辐射(接收射束24)由光学系统30共线地传输；其中，发送器单元10的发射面12布置在成像光学系统30的焦点32之外。

尤其地，在该实施方式中，发送器单元10的发射面12到光学系统30的距离小于光学系统的焦距。接收器单元20的探测面22布置在光学系统30的焦点32处。发送器单元10的发射面12与光学系统30之间的距离小于接收器单元20的探测面22与光学系统30之间的距离。

发送器单元10和接收器单元20在该附图和之后的附图中并未明确地绘出，然而却可以相应地从图1中获悉它们参照相应有效面的相对布置方式。因此，对发送器单元10或接收器单元20的参照是等同于对发射面12或探测面22的参照。

发射射束14以相对大的发散度发射。接收射束24的焦点32位于发送器单元10的发射面12之后。

图3中示出了根据本发明的激光雷达系统的第二实施方式的示意图。所示的布置方式进一步相应于图2所示。然而，接收器单元20的探测面22在此布置在光学系统30的焦点32之外，其中，发送器单元10的发射面12到光学系统30的距离小于光学系统30的焦距。接收器单元20的探测面22(到光学系统30)的距离同样小于光学系统30的焦距。此外，发送器单元10的发射面12与光学系统30之间的距离大于接收器单元20的探测面22与光学系统30之间的距离。

发射射束14以相对大的发散度发射。接收射束24的焦点32位于发送器单元10的发射面12之后。接收器单元20的探测面22显著大于发送器单元10的发射面12。接收器单元20的探测面22还包括用于传输激光雷达辐射的透射区域。探测面22尤其可以涉及多个在侧向上围绕发送器单元10定位的单独探测器，其中，在此，接收器单元20的探测面22由多个单独探测器共同布置得出，或者接收器单元20的探测面22涉及到包围发送器单元10的圆环形的探测器几何形状。

图4中示出了根据本发明的激光雷达系统的第三实施方式的示意图。尤其地，在该实施方式中，发送器单元10的发射面12到光学系统30的距离小于光学系统的焦距。接收器单元20的探测面22(到光学系统30)的距离大于光学系统30的焦距。发送器单元10的发射面12与光学系统30之间的距离小于接收器单元20的探测面22与光学系统30之间的距离。

图5中示出了根据本发明的激光雷达系统的第四实施方式的示意图。尤其地，在该实施方式中，发送器单元10的发射面12到光学系统30的距离大于光学系统30的焦距。接收器单元20的探测面22到光学系统30的距离小于光学系统30的焦距。发送器单元10的发射面12与光学系统30之间的距离大于接收器单元20的探测面22与光学系统30之间的距离。

图6中示出了根据本发明的激光雷达系统的第五实施方式的示意图。尤其地，在该实施方式中，发送器单元10的发射面12到光学系统30的距离大于光学系统的焦距。接收器单元20的探测面22到光学系统30的距离同样大于光学系统30的焦距。发送器单元10的发射面12与光学系统30之间的距离小于接收器单元20的探测面22与光学系统30之间的距离。

图7中示出了根据本发明的激光雷达系统的第六实施方式的示意图。其示意性地示出了能够如何通过偏转装置40和中间镜组42改变从光学系统30到接收器单元20的光路。尤其地，在该实施方式中，在焦点32处布置有用于偏转接收射束24的偏转装置40(例如镜)。此外示出了使用中间镜组42用于再聚焦的使用方式。发送器单元10的发射面12到光学系统30的距离以及接收器单元20的探测面22(到光学系统30)的距离在此都大于光学系统30的焦距。发送器单元10的发射面12与光学系统30之间的距离小于接收器单元20的探测面22与光学系统30之间的距离。