激光雷达设备的制作方法

1.本发明涉及一种激光雷达设备，该激光雷达设备具有用于将激光发射到发射路径中的发射器并且具有用于在探测路径中探测反射的激光的探测器。


背景技术：

2.这种类型的激光雷达设备(光探测和测距，light detection and ranging)是已知的。在机动车的或者机器人的环境识别方面，所述激光雷达设备越来越重要。对于激光雷达设备，存在本领域技术人员已知的不同实施方式。这些实施方式的共同之处在于，借助发射器将光学射束——通常是具有在红外线范围中的波长的激光——辐射到发射路径中。所辐射的激光由被照亮的对象反射，并且借助探测器在探测路径中探测反射的激光。由探测到的激光能够确定被照亮的对象的存在、距离并且可能确定被照亮的对象的速度。在此，激光雷达设备例如通过所发射的激光的飞行时间测量(time of flight)来测量被照亮的对象的间距：发射器将激光发射到发射路径中，该激光传播至对象并且在那里被反射；经反射的激光传播到探测路径中并且借助探测器被探测和分析处理。在使用飞行时间测量时，激光雷达设备能够根据经发射的激光的和探测到的激光的时刻求取飞行时间，并且通过光速求取对象与探测器的间距。同样已知别的方法。所述别的方法例如基于通过对激光的强度或者说激光本身的频率的调制进行的间接飞行时间测量。在此，例如能够使用由频率调制和相干探测组成的组合(相干调频连续波，coherent frequency modulated continous wave(fmcw))。
3.现在，对于这种类型的激光雷达设备而言，其作用范围、分辨率和视场(field of view(fov))是描述其性能能力的重要参数。特别是作用范围主要还取决于经发射的激光的功率。该功率越高，可能的作用范围越大。然而，激光雷达设备必须开发成安全的产品。为此，探测器必须是对眼睛安全的。为了使探测器是对眼睛安全的，又必须限制经发射的激光的功率。但是，激光雷达设备的作用范围由此又受到限制。在此，激光雷达设备的作用范围主要通过下述方式被限制：随着与对象的距离逐渐变大，激光的返回至探测器的光子越来越少。这是由于经发射的激光的吸收或者散射造成的。因此，自一确定的与对象的距离起，不再能够在探测器中实现对经反射的激光的证实(nachweis)或者说对由此产生的信号的分析处理。虽然通过提高经发射的激光的功率能够增大激光雷达设备的作用范围。然而，由于需要尤其在低于1.4μm的波长的情况下确保眼睛安全性，这是受到限制的。在这种波长的情况下，激光穿透人眼的角膜和晶状体并且能够聚束到敏感的视网膜上。由于借助眼睛晶状体的聚束，功率密度能够提高至高达80000倍。


技术实现要素：

4.根据本发明，提供一种激光雷达设备，其中，在发射路径中布置有至少一个第一轴锥镜，该第一轴锥镜用于由所发射的激光产生环形的激光剖面(laserlichtprofil)。
5.本发明的优点
6.根据本发明的激光雷达设备具有如下优点：能够借助第一轴锥镜在第一轴锥镜的近场中由于衍射效应(beugungseffekt)产生类似贝塞尔的激光。该类似贝塞尔的激光具有如下特性：其强度剖面沿着特征长度(charakteristische)保持恒定。在第一轴锥镜的远场中，经发射的激光被转换为环形的激光剖面。第一轴锥镜的近场借助特征长度在激光的传播方向上在第一轴锥镜的后方与第一轴锥镜的远场分开。远场在激光的传播方向上在该特征长度的那一侧起始；近场位于该特征长度的这一侧。通过选择确定的轴锥镜角能够调设第一轴锥镜的特征长度。因此，通过第一轴锥镜产生的环形的激光剖面对眼睛安全性产生积极的影响。所发射的激光的强度不聚焦到一点上，而是分布到环形的激光剖面上。在眼睛安全性方面，必须假设最大打开的人类瞳孔的直径为7mm。当瞳孔相对于激光位于中心并且激光例如具有顶帽(tophat)剖面或者高斯剖面时，得到在激光的情况下的最大捕获能量。相反，在环形的激光剖面的情况下，通过瞳孔进入的功率的比例将是更小的。因此，呈环形的激光剖面的形式的激光的眼外(相对于到达眼睛中的激光观察总激光的经发射的功率)扩张对激光的允许的功率产生积极的影响。由借此提高的功率得到激光雷达设备的更好的作用范围。即使不直接利用经提高的更好的功率，该更好的功率也能够例如通过更大的缓冲器实现经简化的安全与故障识别电路。
7.也可能的是，在第一轴锥镜的远场中布置有透镜、光学全息元件或者第二轴锥镜中的至少一个，用以使环形的激光剖面准直。
8.透镜、光学全息元件或者第二轴锥镜用于使(经扩张的)的环形的激光剖面准直。它们又由(经扩张的)的环形的激光剖面产生水平传播的激光。但是，它们也能够用于调设期望的发散(divergenz)。
9.在一种特别的实施方式中，透镜、光学全息元件或者第二轴锥镜这样布置在第一轴锥镜的远场中，使得环形的激光剖面在其传播方向上分别在透镜的、光学全息元件的或者第二轴锥镜的出口孔径的后方被准直。
10.对环形激光的分别在透镜的、光学全息元件的或者第二轴锥镜的出口孔径之后的准直表示一种在实践中有意义的特殊情况，在该特殊情况中，激光雷达设备的探测器基于对经反射的激光的相干探测。尤其是在fmcw型激光雷达设备的情况下是这种情况。
11.替代地，有利地设置，在发射路径中布置有至少一个光学元件，该光学元件用于由所发射的激光产生具有轨道角动量的激光剖面。
12.除了产生环形的激光剖面之外，借此提及对眼睛安全性产生积极的影响的第二方面。该第二方面在于，产生具有轨道角动量的激光剖面。因此，通过眼睛晶状体成像到视网膜上的激光能够尽可能大面积地分布在该视网膜上，由此，功率密度(w/m2)是尽可能低的。因此，如果人在激光的参数方面位于热机械损伤范围中，视网膜将较少地发热，或者说每单位面积的更低的功率或者能量将不导致起泡(blasenbildung)。然后，在评估眼睛安全性时，该眼内(在激光的在视网膜上产生的剖面方面观察落入眼睛中的激光)扩张导致表观光源(scheinbare quelle)的较大的角度延展并且由此衍生地导致更大的校正因数c6，该更大的校正因数又线性地提高极限值(gzs——可及辐射限值)。
13.根据本发明的一种优选的实施方式，拉盖尔-高斯激光或者埃尔米特-高斯激光具有所述具有轨道角动量的激光剖面。
14.为了使落到眼睛中的激光不成像到一点上，能够使用例如拉盖尔-高斯激光或者
埃尔米特-高斯激光。其优点是，功率能够分布到视网膜上的更大的面积上，并且因此相比于高斯激光的情况，局部地能够在更大的总功率的情况下才达到组织的损伤阈值。在此，特别有利的是拉盖尔-高斯激光(i≠0，p＝0)，因为强度模式表现为i均匀(i-homogene)的环。在这种背景下，还提及光的轨道角动量(orbital angular momentum(oam))。其能够引起激光的相位的区段式改变，由此产生彼此嵌套的环形剖面。
15.同样有利的是，光学元件构造为衍射光学元件或全息图、优选叉形全息图。
16.所述光学元件能够价格有利地生产。在此尤其优选叉形全息图(pitchfork-hologramme)，因为叉形全息图在衍射阶(beugungsordnung)中产生纯拉盖尔-高斯激光，而未完全转换的激光部分(平面波)以第零阶传输并且能够借助束阱(strahlfalle)拦截。叉形全息图是特别安全的，因为叉形全息图在损害的情况下完全不再在衍射方向产生激光。可能的是，也通过菲涅尔透镜与相同结构元件的叠加来聚焦。
17.最后有利的是，光学元件构造为至少一个螺旋相位板或者涡旋透镜。
18.所述光学元件是商业上可购买的，并且视质量而定地提供非常高的转换效率。设置光学元件的其他可能性例如是由柱形透镜、空间光调制器(spatial light modulator)、q板或者其他专门成型的构件组成的组合。
19.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
20.根据附图和下面的描述更详细地阐述本发明的实施例。附图示出：
21.图1示出根据现有技术的轴锥镜的示意图；
22.图2示出分布到圆形面上的激光剖面(发射的激光)的和带有人类瞳孔的环形的激光剖面的示意图；
23.图3示出用于使环形的激光剖面准直的第一轴锥镜和第二轴锥镜的示意图；
24.图4示出与具有轨道角动量的激光剖面结合的环形的激光剖面的示意图。
具体实施方式
25.图1示出具有轴锥镜角2的第一轴锥镜1。发射的激光3入射到第一轴锥镜1上，并且扩张到环形的激光剖面4中。其中，第一特征长度5确定第一轴锥镜1的近场；第二特征长度6确定该第一轴锥镜的远场。通过选择轴锥镜角2能够影响所述特征长度5、6。这种类型的第一轴锥镜1例如能够布置在激光雷达设备的发射路径中。这种措施提供一种激光雷达设备，该激光雷达设备能够以更高的功率运行，因为激光3的到环形的激光剖面4中的扩张对激光雷达设备的用户的眼镜安全性产生积极的影响。
26.这尤其在图2中示出。在此，在左边示出在不使用第一轴锥镜1的情况下发射的激光3的局部强度分布。当瞳孔7位于激光3的中心并且激光3例如具有顶帽剖面或者高斯剖面时，得到在激光3的情况下的最大捕获能量。在此，在右边示出借助第一轴锥镜1产生的环形的激光剖面4的局部强度分布。
27.明显能够看出，在使用用于扩张所发射的激光3的第一轴锥镜1的情况下，通过人类瞳孔7所捕获的激光3、4的比例明显降低。因此，激光3的成为环形的激光剖面4的眼外扩张对允许的功率产生积极的影响。能够在不增加眼睛危险的情况下实现增加的功率；这产
生激光雷达设备的更好的作用范围，在该激光雷达设备中，第一轴锥镜1布置在发射路径中。
28.在激光雷达设备中视情况可能需要将所产生的环形的激光剖面4准直或者调设期望的发散。尤其是当激光雷达设备的探测器基于相干探测时，这能够是重要的，如例如在fmcw型激光雷达设备的情况下那样。该准直能够通过使用第二轴锥镜8来实现。这在图3中示出。产生经准直的环形的激光剖面9。在此，通过第一轴锥镜1在远场中产生环形的激光剖面4；然后，通过第二轴锥镜8能够调设任意的环直径。这能够通过第二轴锥镜8在光轴上的布置的变化来实现。
29.最后，为了更进一步地提高眼睛安全性，能够将环形的激光剖面4的功率分布到瞳孔7的视网膜上的更大的面积上，并且因此相比于高斯激光的情况，局部地能够在更大的总功率的情况下才达到组织的损伤阈值。该优点通过产生拉盖尔-高斯激光或者埃尔米特-高斯激光来实现。在此，拉盖尔-高斯激光(i≠0，p＝0)是特别有利的，因为强度模式表现为i均匀的环。在此背景下提及光的轨道角动量(orbital angular momentum of light)。这种类型的拉盖尔-高斯激光的聚束在视网膜上形成环，而不形成在高斯激光的情况下会产生的形成的点。
30.图4示出具有一阶拉盖尔-高斯激光的环形的激光剖面4，该环形的激光剖面的相位波前在方位角方面是变化的并且在聚束时形成所述环。产生具有轨道角动量的激光剖面10。