激光雷达设备的制作方法

本发明涉及一种激光雷达设备，所述激光雷达设备具有射束源和探测器，所述射束源用于发射电磁辐射到发射路径中，在所述发射路径中布置有至少一个全息光学元件，所述至少一个全息光学元件用于对所发射的电磁辐射进行衍射，所述探测器用于探测接收路径中的入射的电磁辐射，其中，在所述探测器的前面连接有光学带通滤光器。

背景技术：

已知这样的激光雷达设备。

在进行扫描的激光雷达设备的情况下，电磁辐射、即激光束以不同的发射角发射到发射路径中并且在接收路径中再次被接收。由这些与角度相关的单个测量又可以推导出周围环境图像。在此，电磁辐射的所需的偏转可以通过合适的光学器件(例如可运动的镜)或所有部件的旋转系统来实现。

替代地，位置分辨可以通过同时地或按顺序地照明较大的区域(例如线)以及根据成像光学器件和探测器阵列或探测器单元在接收侧的区别来实现。

在激光雷达设备的接收路径中使用光学带通滤光器(干涉滤光器)，以便改善信号/噪声比。这通过滤除背景光并且透射可用的电磁辐射来实现。光学带通滤光器越窄，越少的干扰性电磁辐射落到探测器上并且信号质量越好。在探测到具有大于0度的入射角的信号的情况下，出现光学带通滤光器的透射窗口的移位。这导致：必须使用频谱更宽的光学带通滤光器，以便在通过范围发生移位的情况下也能够探测到所有接收角。

与传统的光学器件相反，在全息光学元件的情况下，电磁辐射的偏转不是通过折射来预给定，而是通过衍射来预给定。衍射可以在体积全息图中通过在体积栅格上的衍射来实现。全息光学元件不仅可以制造成透射全息图而且可以制造成反射全息图并且可以通过自由地选择入射角、出射角或衍射角来调整。在此，全息衍射光栅在薄膜中曝光。

由于体积衍射，全息光学元件具有独特的波长灵敏性和角度灵敏性或滤光器功能。根据记录条件(波长、角度)，仅仅来自限定的方向并且具有限定的波长的电磁辐射在全息结构上发生衍射。由此，施加到膜上的全息材料的特征特别在于其透明性。电磁辐射仅仅出于确定的方向和波长而在结构上发生衍射。对于所有其他方向，全息光学元件保持透明。

用于发射电磁辐射的射束源可以构造为半导体激光器。半导体激光器由于其低成本、紧凑的结构形式和高效率而作为优选地用于激光雷达设备的射束源来使用。以光学脉冲的直接传播时间测量(直接飞行时间)为基础的激光雷达设备在此大多使用宽条带激光器。针对以下来优化这些宽条带激光器：提供尽可能大的光学功率，并且因此，这些宽条带激光器通常不具有波长敏感的元件。因此，所发送的电磁辐射的频谱分布仅仅由半导体结构的与波长相关的增益并且由激光过程本身来限定。这导致，这些宽条带激光器具有相对较大的频谱宽度。在例如905nm的波长的情况下进行发射的常见的宽条带激光器具有例如5nm至9nm的频谱宽度。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种激光雷达设备，其中，全息光学元件引起与所发射的电磁辐射的波长相关地以至少一个出射角衍射，所述至少一个出射角借助带通滤光器与入射的电磁辐射的波长的移位相协调。

本发明的优点

根据本发明的激光雷达设备具有以下优点。能够实现将不同的波长发射到限定的空间角中。在此，对于不同的角度范围如此选择波长，使得所述波长与在接收路径中使用的光学带通滤光器的波长的由角度决定的移位相配。可以同时地或按顺序地发射各个点。替代地，也可以发射区域或实线。

所发射的电磁辐射根据发射角具有不同的波长。由此，所发射的电磁辐射可以尽可能无损地通过布置在接收路径中的光学带通滤光器。在此，相比于具有较小发射角的电磁辐射，具有较大发射角的电磁辐射应具有更小的波长。

尤其与“宽带的”射束源结合地使用这种全息光学元件是有利的。通过这种装置可以显著地减小激光雷达设备的滤光器带宽，从而改善信号/噪声比(snr)。例如如果所使用的滤光器带宽小于25nm并且视场(fieldofview-fov)大于+/-1度，则可以特别有利地使用所述装置。

换句话说，在根据本发明的实施方式中，实现发射路径的和接收路径的角度和波长的协调。在接收路径中，可以在同时大的角度的情况下(即在大的视场的情况下)使用具有较小滤光器带宽的滤光器。激光雷达设备具有改善的信号/噪声比并且由此也具有改善的性能，例如更大的作用距离。此外，能够成本有利地制造这种激光雷达设备，并且借助全息光学膜作为全息光学元件的使用可以实现节省空间的结构型式。最后，因为不必提供偏转，所以不必使用多个发射器并且可以实现用于射束成形的更简单的光学设计。

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进行描述。

因此，有利的是，激光雷达设备具有至少一个第一全息光学元件，所述至少一个第一全息光学元件允许所发射的在第一预定波长范围内的电磁辐射无衍射地通过。

第一全息元件优选是实施为体积全息图的透射全息图。所发射的在第一预定波长范围——例如907nm——内的电磁辐射的一部分不受阻碍地通过全息光学元件。所述部分以相对于所发射的电磁辐射的传播方向成0度的出射角来发射。

在此优选地，第一全息光学元件设置用于使所发射的在第二预定波长范围内的电磁辐射偏转第一出射角。第一全息光学元件是具有偏转功能的全息图。将在第二预定波长范围(与第一预定波长范围不同)内以0度角入射到第一全息光学元件上的电磁辐射以相对于入射到第一全息光学元件中的电磁辐射的传播方向的第一出射角进行偏转。第一出射角例如可以是+12度。

然而，所述光学功能仅仅对于非常窄的第二波长范围——例如899nm+/-0.5nm——有效。如此选择全息光学元件的参数，使得对于与第二预定波长范围不同的其他波长，衍射效率(beugungseffizienz)几乎为零。

在此有利的是，激光雷达设备具有第二全息光学元件，所述第二全息光学元件设置用于使所发射的在第二预定波长范围内的电磁辐射偏转第二出射角。

如此选择用于所期望的第二波长范围——例如899nm+/-0.5nm——的衍射效率，使得第二波长范围内的电磁辐射的一部分在第一全息光学元件中不被衍射并且因此射到第二全息光学元件上。第二全息光学元件又具有对第二波长范围内的电磁辐射的偏转功能并且使电磁辐射偏转第二出射角。第二全息光学元件优选地具有非常高的衍射效率。

在此优选地，第一出射角和第二出射角相对于所发射的在所述第二预定波长范围内的电磁辐射的传播方向具有相反的正负号。

这意味着，电磁辐射在第一全息光学元件和第二全息光学元件中的偏转相对于所发射的电磁辐射的传播方向(0度的出射角)在相反的方向上进行。例如，对于相同的第二波长范围，第一全息光学元件可以实现偏转+12度而第二全息光学元件可以实现偏转-12度。因此，第一出射角可以与第二出射角等大相反地构造。

总体上也有利的是，激光雷达设备具有第三全息光学元件，所述第三全息光学元件设置用于将所发射的在第三预定波长范围内的电磁辐射偏转第三出射角。

因此，第一、第二和第三全息光学元件可以构造为全息图堆叠，在所述全息图堆叠中，各个全息光学元件在电磁辐射的传播方向上彼此相继地布置。同样可以设置具有所提及的特征的另外的全息光学元件。这些另外的全息光学元件(第三、第四、第五、…)可以分别控制未被第一全息元件和第二全息元件覆盖的剩余出射角。所述剩余出射角例如可以填充0度与12度之间的其他角度。然后，第三全息光学元件(和所有另外的全息光学元件)可以例如对于处在899nm与907nm之间的波长范围具有衍射效率。

此外，总体上优选地，第一全息光学元件和/或第二全息光学元件和/或第三全息光学元件构造为透射体积全息图。

为了彼此分离用于离散的第一、第二和第三波长范围的光学功能，必须将第一、第二或第三全息光学元件的参数匹配于特定的应用。通过在全息光学元件中使用的层的限定的厚度和折射率调制可以调节全息光学元件的选择性。在此，例如体积全息图的选择性随着折射率调制的降低而增加。但是，体积全息图的最大可实现的衍射效率也降低。这又可以通过全息层的厚度来补偿。随着厚度增加，衍射效率增加，其中，选择性保持不变。

最后有利的是，射束源构造为宽条带激光器。宽条带激光器发射“宽带的”电磁辐射。如以上已经描述的那样，在使用这种宽带的射束源时可以特别有利地使用本发明。然而可能的是，除了使用宽条带激光器外，同样使用具有宽频谱分布的其他激光器，例如具有特定匹配的光栅结构的激光器。

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示出本发明的一种实施方式。

具体实施方式

图1中示出一种激光雷达设备1。所述激光雷达设备1具有射束源2；所述射束源2可以是宽条带激光器。因此，射束源2在例如几纳米(例如8nm)的频谱宽度中进行发射。射束源2发射在第一波长范围内的电磁辐射3、在第二波长范围内的电磁辐射4和在第三波长范围内的电磁辐射5。所发射的电磁辐射3、4、5借助光学射束成形系统6达到所期望的发散度(例如0.15度)。

接下来，电磁辐射3、4、5射到由第一全息光学元件7、第二全息光学元件8和第三全息光学元件9构成的装置上。这些全息光学元件7、8、9优选地是构造为体积全息图的透射全息图。这些全息光学元件布置在全息图堆叠中。

在第一波长范围3内(例如907nm)的电磁辐射3的一部分不受阻地通过全息光学元件7、8、9并且以0度的出射角进行发射。

第一全息光学元件7是具有偏转功能的全息图，所述偏转功能将以0度角入射的在第二波长范围内的电磁辐射4偏转成以第一出射角(在此例如为+12度)出射的电磁辐射。但是，所述光学功能仅仅对于非常窄的第二波长范围(例如899nm+/-0.5nm)变得有效，因为已经如此选择第一全息元件7的参数，使得对于其他波长，衍射效率几乎为零。如此选择所期望的第二波长范围(例如899nm+/-0.5nm)的衍射效率，使得电磁辐射4的一部分在第一全息光学元件7中不被衍射并且因此射到第二全息光学元件8上。所述第二全息光学元件8对于相同的第二波长范围具有偏转功能。在此，第二全息光学元件8优选具有高的衍射效率。但是，所述偏转功能构造用于第二出射角(例如在此为-12度)。在图1所示的示例中，(第一全息光学元件7的)第一出射角和(第二全息光学元件8的)第二出射角选择为相反等大。因此，第一出射角例如可以是+12度，而第二出射角可以是-12度。在电磁辐射4偏转前，相对于电磁辐射4的传播方向来测量第一出射角和第二出射角。

第三全息光学元件9再次使在第三波长范围内的电磁辐射5偏转。在所示的示例中，这发生在处于第一出射角与第二出射角之间的第三出射角中。在此，又可以设置另外的全息光学元件(未示出)，所述另外的全息光学元件控制其他出射角(在所示示例中在0度与12度之间)并且对于其余的波长范围(在所示示例中在899nm与907nm之间)具有衍射效率。

因此总体上，根据出射角，所发射的电磁辐射3、4、5可以具有不同的波长，以便在激光雷达设备1的接收路径中尽可能无损地通过光学带通滤光器(未示出)。在此，相比于在较小发射角下的电磁辐射，具有较大发射角的电磁辐射应具有小的波长。

因此，能够实现将发射路径的角度和波长与接收路径相协调。在激光雷达设备1同时大的视场(英语fieldofview-fov)的情况下，可以相应地使用具有较小的滤光器宽度的光学带通滤光器。提供具有改善的信号/噪声比的激光雷达设备1，并且由此实现更好的性能(例如更大的作用距离)。