CN106291580A - 激光雷达成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种激光雷达成像系统，包括：具有至少一个照射源(110)的照射源模块(100)，所述照射源(110)发出具有第一偏振方向且波长位于第一波长范围(21)内的偏振照射光束(20)；具有第一偏振分束片(210)的光学引擎内核(200)；设置于所述外部成像对象(900)和所述光学引擎内核(200)之间的1/4波阻片(230)；具有多个第一探测器(310)的第一成像模块(300)。本发明中，整个成像系统的集成度更高，照射源与第一探测器之间的光学对位更加的系统化、并且，光学引擎内核偏振照射光束与反射回的迟滞反射光束之间在一个方向上相互交错而互不干扰，提高成像系统的成像质量。

Description

激光雷达成像系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种对位于其外部的外部成像对象(900)成像的激光雷达成像系统(90)。
背景技术
激光雷达成像系统可应用于高速立体成像及应用，如无人驾驶汽车、3D虚拟再现系统、3D打印、航拍等。将激光雷达成像系统的所有关键元件，包括激光光源、照射操作光学器件、以及探测器，以结构清晰的方式纳入且在空间上集成于高精度且结构紧凑的系统内，以扩大该功能强大的系统的应用范围如今具有极大的需求。
谷歌Google的激光LIDAR系统(美国专利US8836922B1)，是目前用于商业化无人汽车扫描雷达的典型系统，其工作原理参考图1中所示，LIDAR系统的光学引擎采用多个照射激光光源222，照射激光光源222产生脉冲激光，脉冲照射激光的光束集聚之后穿过微小的出光孔226形成准直光束204，准直光束204经过共享空间240入射到聚焦棱镜250上，经过聚焦棱镜250透射到外部物体900，光束经过外部物体900反射之后，再次通过聚焦棱镜250形成聚焦光束208而进入共享空间240，聚焦光束208通过反射镜的壁244反射而向探测器232的方向传播，被配合的多个探测器232检测，从而获得多点的脉冲信号强度和脉冲照射光束的时间差数据，得到外部物体的距离、位置及形貌的信息。
虽然美国专利US8836922B1中公开的现有技术激光雷达成像装置属于上述集成激光雷达系统的范畴，但是该装置具有某些相互冲突的光学特征。例如，出光孔226的存在造成反射镜的壁244不完整，从而直接导致聚焦光束208被干扰。然而，上述公开光学装置却必须利用该出光孔226将准直光束204引导至穿过共享空间240，并使其从而射出该光学引擎装置并照射外部被成像物。其根源在于此类光学成像系统在基本光学结构上的根本缺陷。因此，此类系统还需重新设计及集成。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种对位于其外部的外部成像对象(900)成像的激光雷达成像系统(90)，解决现有技术的成像系统存在光学缺陷的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的激光雷达成像系统(90)，用于对位于其外部的外部成像对象(900)进行成像，激光雷达成像系统(90)包括：
具有至少一个照射源(110)的照射源模块(100)，所述照射源(110)发出具有第一偏振方向且波长位于第一波长范围(21)内的偏振照射光束(20)；
具有第一偏振分束片(210)的光学引擎内核(200)；
设置于所述外部成像对象(900)和所述光学引擎内核(200)之间的1/4波阻片(230)；
具有多个第一探测器(310)的第一成像模块(300)；
其中，所述照射源(110)发出所述偏振照射光束(20)，所述偏振照射光束(20)穿过或反射于所述第一偏振分束片(210)后，穿过所述1/4波阻片(230)，并在所述1/4波阻片(230)内发生第一次45°偏振旋转，形成迟滞照射光束(30)；所述迟滞照射光束(30)照射所述外部成像对象(900)并生成多束反射光束(40)；至少一束所述反射光束(40)穿过所述1/4波阻片(230)并在所述1/4波阻片(230)内发生第二次45°偏振旋转，形成偏振方向与所述第一偏振方向相反的迟滞反射光束(50)；所述迟滞反射光束(50)反射于或穿过所述第一偏振分束片(210)后，向所述第一成像模块(300)传播；所述第一成像模块(300)中的至少一个第一探测器(310)接收并检测所述迟滞反射光束(50)的辐射。
可选的，所述第一偏振分束片(210)与所述偏振照射光束(20)成45°夹角设置，所述1/4波阻片(230)与所述第一偏振分束片(210)成45°夹角设置，所述偏振照射光束(20)与所述第一偏振分束片(210)成45°的角度射至所述第一偏振分束片(210)上，并偏转90°的角度后，反射至所述1/4波阻片(230)上。
可选的，所述第一偏振分束片(210)与所述偏振照射光束(20)成45°夹角设置，所述1/4波阻片(230)与所述第一偏振分束片(210)成45°夹角设置，所述偏振照射光束(20)与所述第一偏振分束片(210)成45°的角度射至所述第一偏振分束片(210)上，并穿透第一偏振分束片(210)后，透射通过所述1/4波阻片(230)。
可选的，所述照射源(110)包含照射光束导管(115)和辐射发生器(116)，所述照射光束导管(115)为与所述辐射发生器(116)以光学方式连接的光纤(115)。
可选的，每个所述照射源(110)均包含一照射光束准直器(120)，所述照射光束准直器(120)使得所述偏振照射光束(20)准直。
可选的，所述照射源模块(100)包括照射光束偏振片(130)，所述照射光束偏光片(130)设置于所述光学引擎内核(200)与所述照射源(110)之间，所述照射源(110)产生的光经过所述照射光束偏光片(130)成为具有第一偏振方向的所述偏振照射光束(20)。
可选的，所述激光雷达成像系统(90)还包括第一聚焦透镜组(810)，所述第一聚焦透镜组(810)设置于所述1/4波阻片(230)和所述外部成像对象(900)之间，多束所述反射光束(40)被所述第一聚焦透镜组(810)折射，垂直入射至所述1/4波阻片(230)上。
可选的，所述激光雷达成像系统(90)还包括设置于所述外部成像对象(900)和第一聚焦透镜组(810)之间的多个第二辐射波导(830)，每个所述第二辐射波导(830)均与一单束迟滞照射光束(30)平行而设，且用于传输该单束迟滞照射光束(30)。
可选的，多束所述反射光束(40)包括光强最强的一束主要反射光束(40i)以及光强相对较弱的多束次要反射光束(40j)。
可选的，所述第一探测器(310)为半导体光电二极管。
可选的，所述半导体光电二极管为雪崩光电二极管。
可选的，所述第一探测器(310)为光栅二极管。
可选的，所述第一成像模块(300)还包括设置于所述第一探测器(310)和所述光学引擎内核(200)之间的第一偏振滤光片(330)，所述第一偏振滤光片(330)用于阻挡具有所述第一偏振方向且波长位于所述第一波长范围(21)内的辐射光线的透过。
可选的，所述光学引擎内核(200)还包括第二偏振分束片(220)，所述第二偏振分束片(220)的偏振方向与所述第一偏振方向相反且波长位于所述第一波长范围(21)内，而且在空间上与所述第一偏振分束片(210)相垂直设置。
可选的，所述激光雷达成像系统(90)还包括具有多个第二探测器(410)的第二成像模块(400)，所述第二成像模块(400)接收并检测产生于所述外部成像对象(900)且穿过所述第一偏振分束片(210)及所述第二偏振分束片(220)的波长位于第二波长范围(22)的次要辐射(80)，所述第一波长范围(21)和所述第二波长范围(22)在电磁波谱上不重叠。
可选的，所述第二成像模块(400)还包括设置于所述光学引擎内核(200)和所述第二探测器(410)之间的带通滤波片(430)，所述带通滤波片(430)用于阻挡波长位于所述第二波长范围(22)之外的辐射光线。
可选的，所述激光雷达成像系统(90)还包括设置于所述光学引擎内核(200)和所述第二成像模块(400)之间的第二聚焦棱镜(820)，所述次要辐射(80)被所述第二聚焦棱镜(820)折射，垂直入射至所述第二探测器(410)上。
可选的，所述第二成像模块(400)包括可见光成像传感器，用于对外部成像对象(900)的可见光平面成像。
可选的，所述第一波长范围(21)处于电磁波谱的可见光谱部分之外，所述第二波长范围(22)为电磁波谱的可见光谱部分。
可选的，所述第一波长范围(21)处于波长小于280纳米且大于1纳米的紫外电磁波谱范围内，或处于波长位于750纳米和2500纳米之间的近红外电磁波谱范围内。
可选的，所述照射源模块(100)还包括摇板(140)和曲面光源棱镜(160)，所述照射源(110)安装于所述摇板(140)上，所述摇板(140)用于将照射源(110)绕摇动轴(145)摇动旋转，从而使所述偏振照射光束(20)发生摆动，所述偏振照射光束(20)在所述曲面光源棱镜(160)处发生折射，所述偏振照射光束(20)被所述曲面光源棱镜(160)折射后以与所述第一偏振分束片(210)成45°夹角入射至所述第一偏振分束片(210)上。
可选的，所述激光雷达成像系统(90)还包括设置于所述外部成像对象(900)和1/4波阻片(230)之间的多个第一辐射波导(250)，每个所述第一辐射波导(250)均与一束所述迟滞照射光束(30)平行而设，且用于传输该单束迟滞照射光束(30)。
可选的，所述激光雷达成像系统(90)还包括多个第三辐射波导(350)，每个所述第三辐射波导(350)均对应于一个所述第一探测器(310)而设，且用于阻挡与该第一探测器(310)不平行的入射辐射。
本发明的激光雷达成像系统采用时间间断的多个脉冲极化的偏振照射光束，通过45°倾角的第一偏振分束片、1/4波阻片及第一聚焦透镜组照射外部成像对象，外部成像对象的反射光束重新通过第一聚焦透镜组、1/4波阻片和第一偏振分束片后导入第一探测器，以主动获得外部成像对象的形貌及距离特征。本发明中，整个成像系统的集成度更高，照射源与探测器之间的光学对位更加的系统化、并且，光学引擎内核中偏振照射光束与反射回的迟滞反射光束之间在一个方向上相互交错而互不干扰，提高成像系统的成像质量。
附图说明
图1为现有技术中的LIDER系统的光学引擎的剖视图；
图2为本发明一实施例的激光雷达成像系统的剖视图；
图3为本发明图2的一扩展实施例的激光雷达成像系统的剖视图；
图4为本发明图2的再一扩展实施例的激光雷达成像系统的剖视图；
图5为本发明图3的一扩展实施例的激光雷达成像系统的剖视图；
图6为根据本发明另一实施例的激光雷达成像系统的剖视图。
具体实施方式
以下通过参考附图，对所公开的激光雷达光学系统的各种特征及功能进行详细描述。附图中，除非上下文中另有解释，相似元件采用相似符号标示。本说明书所描述的系统，装置及方法的实施例用于说明而非限制目的。对于本领域技术人员，容易理解的是，所公开的系统，装置及方法的某些方面可配置和组合为各种不同形式，所有这些形式均处于本说明书的范围之内。
本发明中，一方面，采用时间间断的多个脉冲极化的偏振照射光束，通过45°倾角的第一偏振分束片、1/4波阻片及第一聚焦透镜组形成迟滞照射光束，迟滞照射光束照射外部成像对象形成多束反射光束，至少一束反射光束重新通过第一聚焦透镜组、1/4波阻片和第一偏振分束片后形成偏振方向与第一偏振方向想法的迟滞发射光束，向第一探测器方向传播，第一探测器进行检测从而获得外部成像对象的形貌及距离特征。另一方面，驱动多个照射源，使其同时发射多束偏振照射光束，操作每一个所述第一探测器中的分别检测与每一束偏振照射光束相应的迟滞反射光束的到达时间和/或光强。本发明中，整个成像系统的集成度更高，照射源与探测器之间的光学对位更加的系统化、并且，偏振照射光束与反射回的迟滞反射光束之间在一个方向上相互交错而互不干扰，提高成像系统的成像质量。
下文结合图2-图6对本发明提供的激光雷达成像系统90的结构进行详细的描述。其中，本领域技术应该理解的是，图2-图6的激光雷达成像系统90并非按照实际比例，而是近乎按照具有相互垂直的第一笛卡尔轴11、第二笛卡尔轴12、第三笛卡尔轴13的笛卡尔空间系统10绘制，图2-图6以从与第三笛卡尔轴13对应的俯视角度绘制，示意性地描述激光雷达成像系统90的关键部件及其相互关系和功能。
如图2所示，激光雷达成像系统90包括照射源模块100、光学引擎内核200、1/4波阻片230、第一聚焦透镜组810以及第一成像模块300。所述照射源模块100包含多个光学对准方向平行于第一笛卡尔轴11且垂直于第三笛卡尔轴13的照射源110。所述光学引擎内核200包括第一偏振分束片210，所述第一偏振分束片210平行于第三笛卡尔轴13，且与第一笛卡尔轴11及第二笛卡尔轴12均形成45°角，所述第一偏振分束片210允许具有第一偏振方向且波长位于第一波长范围21内的辐射的透过。所述1/4波阻片230及第一聚焦透镜组810依次设置于所述光学引擎内核200与外部成像对象900之间，均位于所述光学引擎内核200的与所述照射源模块100相对的一侧。所述1/4波阻片230及第一聚焦透镜组810均垂直于第一笛卡尔轴11且平行于第二笛卡尔轴12和第三笛卡尔轴13。所述第一成像模块300垂直于第二笛卡尔轴12且平行于第一笛卡尔轴11和第三笛卡尔轴13，所述第一成像模块300包含阵列的多个第一探测器310。所述第一成像系统300中还在阵列的第一探测器310与光学引擎内核200之间设置一第一偏振滤光片330，所述第一偏振滤光片330用于阻挡具有所述第一偏振方向且波长位于所述第一波长范围21内的辐射光纤的透过。需要注意的是，所述第一聚焦透镜组810和第一偏振滤光片330为本实施例的优选方式，如不包括该装置，则激光雷达成像系统(90)的功能仍能实现，可能效果稍差。另外所述第一成像系统300中在也可以在第一探测器310和光学引擎内核200之间设置聚焦透镜，使得迟滞照射光束30垂直射向第一探测器310，并且所述激光雷达成像系统90还可以包括多个第三辐射波导350，每个所述第三辐射波导350均对应于一个所述第一探测器310而设，且用于阻挡与该第一探测器310不平行的入射辐射。
继续参考图2所示，所述照射源110包含照射光束导管115和辐射发生器116，所述照射光束导管115为与所述辐射发生器116以光学方式连接的光纤115。每个所述照射源110均包含照射光束准直器120，所述照射光束准直器120使得所述偏振照射光束20大致准直。所述照射源模块100还包括照射光束偏振片130，所述照射光束偏光片130设置于所述光学引擎内核200与所述照射源110之间，所述照射源110产生的光经过所述照射光束偏光片130成为具有第一偏振方向的所述偏振照射光束20。需要说明的是，在本实施例中所述照射光束导管115、光束准直器120均为本实施例的优选方式，如不包括该装置，则激光雷达成像系统90的功能仍能实现，可能效果稍差。
本发明的激光雷达成像系统90的工作原理为：所述照射源110沿第一笛卡尔轴11发射具有第一偏振方向波长在第一波长范围21的所述偏振照射光束20，所述偏振照射光束20以45°的角度射至所述第一偏振分束片210上，所述偏振照射光束20透过所述第一偏振分束片210之后以90°的角度射至所述1/4波阻片230上，线偏振的偏振照射光束20垂直或平行于所述1/4波阻片230的光轴入射，并在所述1/4波阻片230内发生第一次45°偏振旋转，形成仍为线偏振的迟滞照射光束30；所述迟滞照射光束30通过所述第一聚焦透镜组810聚焦透射，照射到所述外部成像对象900，所述外部成像对象900将所述迟滞照射光束30反射生成多束反射光束40。多束所述反射光束40被所述第一聚焦透镜组810折射，以90°的角度入射至所述1/4波阻片230，其中，至少一束反射光束40穿过所述1/4波阻片230，同样的，线偏振的反射光束40垂直或平行于所述1/4波阻片230的光轴入射，并在所述1/4波阻片230内发生第二次45°偏振旋转，形成线偏振的迟滞反射光束50，所述迟滞反射光束50的偏振方向与所述第一偏振方向相反；所述迟滞反射光束50以45°的角度入射至所述第一偏振分束片210，所述迟滞反射光束50经过所述第一偏振分束片210反射而向所述第一成像模块300传播；所述第一成像模块300中的至少一个第一探测器310接收并检测所述迟滞反射光束50的辐射，检测所述迟滞反射光束50的到达时间和/或光强与相应的偏振照射光束20之间的关系。从而得到外部成像对象900的空间信息。
此外，图2的实施例中，照射源模块100与所述1/4波阻片在光学引擎内核200的两侧相对设置，然而，在本发明的其他实施例中，照射源模块100还可以与所述1/4波阻片相邻设置，参考图2可以将第一成像模块300和照射源模块100的位置互换，并且将第一偏振分束片210的偏振方向旋转90°，对于所述偏振照射光束20进行反射，对于迟滞反射光束50可以透射，也就是照射源模块100和1/4波阻片230分别位于光学引擎内核200的相邻的两侧边，使得偏振照射光束20与所述第一偏振分束片210成45°的角度射至所述第一偏振分束片210上，被所述第一偏振分束片210反射并偏转90°的角度后，反射至所述1/4波阻片230上。此时，第一成像模块300的位置可以适应性的改变，例如第一成像模块300与1/4波阻片230在同一直线上，且分别位于光学引擎内核200相对的两侧，检测之后透过第一偏振分束片210的迟滞反射光束50，其他光路结构与图2中所示的相同，在此不作赘述。
需要说明的是，激光雷达成像系统90的工作原理中，在所述多束反射光束40中，将反射光强最强的一束定义为主要反射光束40i，而将其他反射光强相对较弱的多束均定义为次要反射光束40j。同样的，迟滞反射光束50包括分别与主要反射光束40i和次要反射光束40j相对的主要迟滞反射光束50i和次要迟滞反射光束50j，主要反射光束40i和次要反射光束40j的空间和时间信息的组合由第一成像模块300中的多个第一探测器310通对主要迟滞反射光束50i和次要迟滞反射光束50j的检测而得，并作为建立所述成像外部对象900形貌特征的依据。
继续参考图2所示，在激光雷达成像系统90的一种操作方法中，先驱动其中一个照射源110，使其沿第一笛卡尔轴11发射具有第一偏振方向且波长位于第一波长范围21内的偏振照射光束20，即图2中所示的较早脉冲的偏振照射光束20(1)。较早脉冲的偏振照射光束20(1)通过上述工作原理形成相应的迟滞反射光束50，第一成像模块300的多个第一探测器310分别对多束所述迟滞反射光束50相对于所述较早脉冲的偏振照射光束20(1)的到达时间和/或光强进行检测。从而完成与所述较早脉冲相对应的迟滞反射光束50的检测。
完成对较早脉冲的偏振照射光束20(1)的检测之后，驱动另一个照射源110，使其沿第一笛卡尔轴11发射具有所述第一偏振方向的另一偏振照射光束20，即图2所示作为较晚脉冲的偏振照射光束20(2)。之后，按照与较早脉冲的偏振照射光束20(1)相同的工作方式，多个第一探测器310分别对多束迟滞反射光束50相对于所述较晚脉冲的偏振照射光束20(2)的到达时间和/或光强进行检测。
通过重复上述对较早脉冲的偏振照射光束20(1)、较晚脉冲的偏振照射光束20(2)的检测步骤，对一系列的脉冲的偏振照射光束20进行检测，从而第一成像模块300分别收集到对应于所述照射源间隔发出的多束偏振照射光束的一系列按时排序的脉冲的光强和到达成像模块的时间的几何图形数据。
本发明另一实施例参考图3所示，图3为根据图2扩展而得的激光雷达成像系统90的剖视图。其中，所述光学引擎内核200包括第二偏振分束片220，第一偏振分束片210与第二偏振分束片220空间上垂直设置，并且，第二偏振分束片220允许具有与第一偏振方向相反的且波长位于第一波长范围21的辐射的透过。同样的，第二偏振分束片220也平行于第三笛卡尔轴13且与第一笛卡尔轴11和第二笛卡尔轴12呈45°角。此外，与图2中实施例不同的是，照射源模块100与第一成像模块300沿第二笛卡尔轴12相对设置，从而，从其中一个照射源110发出的具有第一偏振方向的偏振照射光束20被第二偏振分束片220反射，偏振照射光束20偏转90°之后朝所述1/4波阻片230及第一聚焦透镜组810的方向传播。接着，偏振照射光束20，迟滞照射光束30，反射光束40的光路及演进过程均与图2中所所示的相同，并且，迟滞反射光束50穿过第二偏振分束片220且被第一偏振分束片210反射，向第一成像模块300传播。
图4为根据从图2扩展而得的另一实施例的激光雷达成像系统90的剖视图。其中，激光雷达成像系统90还包括位于外部成像对象900和1/4波阻片230之间的多个第一辐射波导250，每个第一辐射波导250均与一单束迟滞照射光束30平行设置且用于传播该单束迟滞照射光束30。此外，激光雷达成像系统90中也可在外部成像对象900和第一聚焦透镜组810之间设置多个第二辐射波导830。其中，每个第二辐射波导830均用于阻挡自外部成像对象900反射且与迟滞照射光束30不平行的辐射光线。此外，激光雷达成像系统90还包括设于光学引擎内核200以及第一成像模块300之间的多个第三辐射波导350。其中，每个第三辐射波导350均与一第一探测器310对应垂直设置，用于阻挡不与第一探测器310垂直的入射光线。
参考图4所示，在激光雷达成像系统10另一种公开的使用方法中，多个照射源110分别同时发射偏振照射光束20，即图3中所示的偏振照射光束20(1)，20(2)，……，所述偏振照射光束20(1)，20(2)，……均沿第一笛卡尔轴11准直，且在穿过第一偏振分束片210后，射向1/4波阻片230。之后，1/4波阻片230使入射的偏振照射光束20发生第一次45°偏振旋转，从而使其变为迟滞照射光束30。其后，每一迟滞照射光束30均穿过与对应照射源110光学对准的一个第一辐射波导250，在被第一聚焦透镜组810折射后，进一步穿过对应第二辐射波导830，从而照射外部成像对象900。对于每一迟滞照射光束30，在其被外部成像对象900反射而生成的所有反射光束40中，只有与其反向平行的一束反射光束40被导光至对应第二辐射波导830并穿过该第二辐射波导830，从而射向第一聚焦透镜组810，并被第一聚焦透镜组810折射后进一步穿过对应的第一辐射波导250。其后，1/4波阻片230使这些特定反射光束40发生第二次45°偏振旋转，从而将其变为偏振方向与第一偏振方向相反且传播方向平行于第一笛卡尔轴11的迟滞反射光束50。之后，迟滞反射光束50进一步被第一偏振分束片210反射，从而沿第二笛卡尔轴12向第一成像模块300传播。其后，迟滞反射光束50先由第一偏振滤光片330偏振滤光，之后被相应第三辐射波导350分别导波，并在最后分别被相应第一探测器310接收检测。其中，第一探测器310对各偏振照射光束20(1)，20(2)，……相应的迟滞反射光束50相对于对应脉冲的到达时间和/或光强进行检测。
图5为根据图3扩展而得的另一实施例激光雷达成像系统90，激光雷达成像系统90还包括具有多个第二探测器410的第二成像模块400，所述第二成像模块400接收并检测产生于所述外部成像对象900且穿过所述第一偏振分束片210及所述第二偏振分束片220的波长位于第二波长范围22的次要辐射80，所述第一波长范围21和所述第二波长范围22在电磁波谱上不重叠。需要说明的是，次要辐射80由激光雷达成像系统90的外部光源产生的光在外部成像对象900上产生的发射光形成的。更进一步的，所述第二成像模块400还包括设置于所述光学引擎内核200和所述第二探测器410之间的带通滤波片430，所述带通滤波片430用于阻挡波长位于所述第二波长范围22之外的辐射光线的透过。所述激光雷达成像系统90还包括设置于所述光学引擎内核200和所述第二成像模块400之间的第二聚焦棱镜820，所述次要辐射80被所述第二聚焦棱镜820折射，以90°角入射至所述第二探测器410。其中，所述第一波长范围21处于电磁波谱的可见光谱部分之外，例如，所述第一波长范围21处于波长小于280纳米且大于1纳米的紫外电磁波谱的范围内，或处于波长位于750纳米和2500纳米之间的近红外电磁波谱的范围内。然而，所述第二波长范围22为电磁波谱的可见光谱部分。此外，所述第二成像模块400包括可见光成像传感器(图中未示出)，所述可见光成像传感器用于对外部成像对象900进行同步可见光平面成像。
一般而言，激光雷达系统90中的第一探测器310和/或第二检测侧410可以均采用半导体光电二极管，例如，具备高速探测到微光照射功能的雪崩光电二极管。此外，第一探测器310和/或第二检测侧410亦可以为光栅二极管(Photogate)。
图6为根据本发明另一实施例的激光雷达成像系统90的剖视图。其中，所示照射源模块100进一步还包括曲面光源棱镜160以及其上安装有至少一个照射源110的摇板140。所述摇板140用于绕摇动轴145摇动旋转照射源110，从而使所述照射源110来回摆动。在摇板140快速摆动的过程中，照射源110按时间顺序向光源棱镜160依次发射一系列的脉冲偏振照射光束20。偏振照射光束20在被光源棱镜160折射后，所有这些偏振照射光束20进一步的沿第一笛卡尔轴11按时间顺序排列平行传播，并以45°的角度射至第一偏振分束片210上。之后，偏振照射光束20，迟滞照射光束30，反射光束40以及迟滞反射光束50的其他光路及演进过程均与图2中所所示的相同，第一成像模块300以于上述图2所示类似的方式，对从外部成像对象900反射而回的辐射进行检测。
需要声明的是，虽然以上所述使用本发明提供的激光雷达成像系统90的方法中，对照射源110及其所产生的偏振照射光束20的时序调制方法以间断性脉冲(pulsed)为例，其他时序调制方式同样适用，如正玄或型矩形波形的连续波(continuous-wave)时序调制。
综上所述，本发明的激光雷达成像系统采用时间间断的多个脉冲极化的偏振照射光束，通过45°倾角的第一偏振分束片、1/4波阻片及第一聚焦透镜组照射外部成像对象，外部成像对象的反射光束重新通过第一聚焦透镜组、1/4波阻片和第一偏振分束片后导入第一探测器，以主动获得外部成像对象的形貌及距离特征。本发明中，整个成像系统的集成度更高，照射源与探测器之间的光学对位更加的系统化、并且，光学引擎内核中偏振照射光束与反射回的迟滞反射光束之间在一个方向上相互交错而互不干扰，提高成像系统的成像质量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (23)

1.一种激光雷达成像系统(90)，用于对位于其外部的外部成像对象(900)进行成像，其特征在于，包括：
具有至少一个照射源(110)的照射源模块(100)，所述照射源(110)发出具有第一偏振方向且波长位于第一波长范围(21)内的偏振照射光束(20)；
具有第一偏振分束片(210)的光学引擎内核(200)；
设置于所述外部成像对象(900)和所述光学引擎内核(200)之间的1/4波阻片(230)；
具有多个第一探测器(310)的第一成像模块(300)；
其中，所述照射源(110)发出所述偏振照射光束(20)，所述偏振照射光束(20)穿过或反射于所述第一偏振分束片(210)后，穿过所述1/4波阻片(230)，并在所述1/4波阻片(230)内发生第一次45°偏振旋转，形成迟滞照射光束(30)；所述迟滞照射光束(30)照射所述外部成像对象(900)并生成多束反射光束(40)；至少一束所述反射光束(40)穿过所述1/4波阻片(230)并在所述1/4波阻片(230)内发生第二次45°偏振旋转，形成偏振方向与所述第一偏振方向相反的迟滞反射光束(50)；所述迟滞反射光束(50)反射于或穿过所述第一偏振分束片(210)后，向所述第一成像模块(300)传播；所述第一成像模块(300)中的至少一个第一探测器(310)接收并检测所述迟滞反射光束(50)的辐射。
2.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一偏振分束片(210)与所述偏振照射光束(20)成45°夹角设置，所述1/4波阻片(230)与所述第一偏振分束片(210)成45°夹角设置，所述偏振照射光束(20)与所述第一偏振分束片(210)成45°的角度射至所述第一偏振分束片(210)上，并偏转90°的角度后，反射至所述1/4波阻片(230)上。
3.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一偏振分束片(210)与所述偏振照射光束(20)成45°夹角设置，所述1/4波阻片(230)与所述第一偏振分束片(210)成45°夹角设置，所述偏振照射光束(20)与所述第一偏振分束片(210)成45°的角度射至所述第一偏振分束片(210)上，并穿透第一偏振分束片(210)后，透射至所述1/4波阻片(230)上。
4.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述照射源(110)包含照射光束导管(115)和辐射发生器(116)，所述照射光束导管(115)为与所述辐射发生器(116)以光学方式连接的光纤(115)。
5.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，每个所述照射源(110)均包含一照射光束准直器(120)，所述照射光束准直器(120)使得所述偏振照射光束(20)准直。
6.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述照射源模块(100)包括照射光束偏振片(130)，所述照射光束偏光片(130)设置于所述光学引擎内核(200)与所述照射源(110)之间，所述照射源(110)产生的光经过所述照射光束偏光片(130)成为具有第一偏振方向的所述偏振照射光束(20)。
7.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述激光雷达成像系统(90)还包括第一聚焦透镜组(810)，所述第一聚焦透镜组(810)设置于所述1/4波阻片(230)和所述外部成像对象(900)之间，多束所述反射光束(40)被所述第一聚焦透镜组(810)折射，垂直入射至所述1/4波阻片(230)上。
8.如权利要求7所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述激光雷达成像系统(90)还包括设置于所述外部成像对象(900)和第一聚焦透镜组(810)之间的多个第二辐射波导(830)，每个所述第二辐射波导(830)均与一单束迟滞照射光束(30)平行而设，且用于传输该单束迟滞照射光束(30)。
9.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，多束所述反射光束(40)包括光强最强的一束主要反射光束(40i)以及光强相对较弱的多束次要反射光束(40j)。
10.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一探测器(310)为半导体光电二极管。
11.如权利要求10所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述半导体光电二极管为雪崩光电二极管。
12.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一探测器(310)为光栅二极管。
13.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一成像模块(300)还包括设置于所述第一探测器(310)和所述光学引擎内核(200)之间的第一偏振滤光片(330)，所述第一偏振滤光片(330)用于阻挡具有所述第一偏振方向且波长位于所述第一波长范围(21)内的辐射光线的透过。
14.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述光学引擎内核(200)还包括第二偏振分束片(220)，所述第二偏振分束片(220)的偏振方向与所述第一偏振方向相反且波长位于所述第一波长范围(21)内，而且在空间上与所述第一偏振分束片(210)相垂直设置。
15.如权利要求14所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述激光雷达成像系统(90)还包括具有多个第二探测器(410)的第二成像模块(400)，所述第二成像模块(400)接收并检测产生于所述外部成像对象(900)且穿过所述第一偏振分束片(210)及所述第二偏振分束片(220)的波长位于第二波长范围(22)的次要辐射(80)，所述第一波长范围(21)和所述第二波长范围(22)在电磁波谱上不重叠。
16.如权利要求15所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第二成像模块(400)还包括设置于所述光学引擎内核(200)和所述第二探测器(410)之间的带通滤波片(430)，所述带通滤波片(430)用于阻挡波长位于所述第二波长范围(22)之外的辐射光线。
17.如权利要求15所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述激光雷达成像系统(90)还包括设置于所述光学引擎内核(200)和所述第二成像模块(400)之间的第二聚焦棱镜(820)，所述次要辐射(80)被所述第二聚焦棱镜(820)折射，垂直入射至所述第二探测器(410)上。
18.如权利要求15所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第二成像模块(400)包括可见光成像传感器，用于对外部成像对象(900)的可见光平面成像。
19.如权利要求15所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一波长范围(21)处于电磁波谱的可见光谱部分之外，所述第二波长范围(22)为电磁波谱的可见光谱部分。
20.如权利要求19所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述第一波长范围(21)处于波长小于280纳米且大于1纳米的紫外电磁波谱范围内，或处于波长位于750纳米和2500纳米之间的近红外电磁波谱范围内。
21.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述照射源模块(100)还包括摇板(140)和曲面光源棱镜(160)，所述照射源(110)安装于所述摇板(140)上，所述摇板(140)用于将照射源(110)绕摇动轴(145)摇动旋转，从而使所述偏振照射光束(20)发生摆动，所述偏振照射光束(20)在所述曲面光源棱镜(160)处发生折射，所述偏振照射光束(20)被所述曲面光源棱镜(160)折射后以与所述第一偏振分束片(210)成45°夹角入射至所述第一偏振分束片(210)上。
22.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述激光雷达成像系统(90)还包括设置于所述外部成像对象(900)和1/4波阻片(230)之间的多个第一辐射波导(250)，每个所述第一辐射波导(250)均与一束所述迟滞照射光束(30)平行而设，且用于传输该单束迟滞照射光束(30)。
23.如权利要求1所述的激光雷达成像系统(90)，其特征在于，所述激光雷达成像系统(90)还包括多个第三辐射波导(350)，每个所述第三辐射波导(350)均对应于一个所述第一探测器(310)而设，且用于阻挡与该第一探测器(310)不平行的入射辐射。
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