CN107817482A - 激光雷达光学系统 - Google Patents

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董利军
牛林全
张国鹏
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Abstract

本申请公开了一种激光雷达光学系统，系统包括：激光发射光学系统、反射组件以及激光接收光学系统；其中，激光发射光学系统及激光接收光学系统相对设置于反射组件的两侧，且激光发射光学系统及激光接收光学系统的光轴平行；激光发射光学系统用于发射激光，反射组件用于反射激光至目标，并将目标反射回的激光投射到激光接收光学系统上。通过上述方式，本申请能够减小激光雷达光学系统的横向(经反射组件后激光的出射方向或者反射方向)跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。

Description

激光雷达光学系统
技术领域
本申请涉及激光雷达探测技术领域，特别是涉及一种激光雷达光学系统。
背景技术
激光雷达是利用激光束对周围物体进行感知的设备，以点云数据的形式反映周围物体的位置及形貌，具有测量分辨率高、速度快，体积小、重量轻等特点。光学系统控制激光在系统中的传播方向及汇聚发散，是激光雷达区别于其他工作机制的雷达的关键部分，光学系统的结构形式决定了整个激光雷达系统的结构形式。
目前，激光雷达系统的一个设计难点是如何布局激光发射光学系统与激光接收光学系统，使其在能够实现功能的情况下，使光学系统具有紧凑性和高效性。为此如何有效解决激光发射光学系统与激光接收光学系统的紧凑型布局，使得激光雷达系统能实现小型化设计，一直是行业内技术人员颇为关注的技术焦点。
发明内容
本申请提供一种激光雷达光学系统，能够减小激光雷达光学系统的横向跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种激光雷达光学系统，所述系统包括：激光发射光学系统、反射组件以及激光接收光学系统；其中，所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统分别位于所述反射组件的两侧，且所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴平行；所述激光发射光学系统用于发射激光，所述反射组件用于反射所述激光至目标，并将所述目标反射回的激光投射到所述激光接收光学系统上，所述激光接收光学系统用以接收所述目标反射回的所述激光。
本申请的有益效果是：提供一种激光雷达光学系统，通过将激光雷达光学系统的激光发射光学系统及激光接收光学系统相对设置在反射组件的两侧，可以减小激光雷达光学系统的横向(经反射组件后激光的出射方向或者反射方向)跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。
附图说明
图1是本申请激光雷达光学系统第一实施方式的结构示意图；
图2是本申请激光雷达光学系统第二实施方式的结构示意图；
图3是本申请反射组件第一实施方式的结构示意图；
图4是本申请反射组件第二实施方式的结构示意图；
图5是本申请反射组件第三实施方式的结构示意图；
图6是本申请反射组件第四实施方式的结构示意图；
图7是本申请反射组件第五实施方式的结构示意图；
图8是本申请反射组件第六实施方式的结构示意图；
图9是本申请激光雷达光学系统第二实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下文术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元器件，但这些元器件不应由这些术语限制，这些术语仅用于将元件彼此区分开。例如，第一元件可以称作第二元件，并且相似地，第二元件可以称作第一元件，而不偏离本申请的范围。
请参阅图，图1为本申请激光雷达光学系统第一实施方式的结构示意图。本实施例中所提供的激光雷达光学系统10包括：激光发射光学系统11、反射组件12以及激光接收光学系统13。
其中，激光发射光学系统11及激光接收光学系统13相对设置于反射组件12的两侧，且激光发射光学系统11及激光接收光学系统13的光轴平行。激光发射光学系统11用于发射激光，反射组件12用于反射激光至目标14，并将目标14反射回的激光投射到激光接收光学系统13上，激光接收光学系统13用以接收目标14反射回的激光。
可选地，本申请中的激光发射光学系统11和激光接收光学系统13的光轴平行设置，具体可以分为两种情况：一种是激光发射光学系统11和激光接收光学系统13的光轴重合设置，第二种的激光发射光学系统11和激光接收光学系统13光轴平行设置，但是二者不重合，详细的介绍可以参见本申请激光雷达光学系统第一至第三实施方式的具体描述。且本申请两种情况下的激光雷达光学系统整体都呈线性布设，可以有效解决激光雷达光学系统设计中激光发射光学系统与激光发射光学系统的紧凑性布局的问题，减小激光雷达中光学系统的横向跨度，进而减少激光雷达光学系统的总体积，为激光雷达系统实现小型化设计提供良好的基础。
上述实施方式，通过将激光雷达光学系统的激光发射光学系统及激光接收光学系统相对设置在反射组件的两侧，可以减小激光雷达光学系统的横向(经反射组件后激光的出射方向或者反射方向)跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。
请进一步参阅图2，图2为本申请激光雷达光学系统第二实施方式的结构示意图。如图2，本申请中的激光发射光学系统11进一步包括激光发射器111及第一准直组件112。
其中，激光发射器111用于发射激光光束，对整个激光雷达来说，激光发射光学系统是最为重要的一部分，且需要满足小巧的体积、小的功耗、稳定的性能以及更好的发散角。本实施例中多采用的激光发射器111可以为包括但不限于半导体激光器、光纤激光器、固体激光器以及发光二极管(LED)中的一种。在本申请的一应用场景中所采用的激光发射器111为半导体激光器，具体可以是半导体激光二极管，其优点是体积小、结构简单、可直接调制以及效率高。当然，在其它实施例中也可以采用上述任一所述的发射元件作为激光发射器件，本申请不做进一步地限定。
第一准直组件112，用于改善激光发射器111发射的激光光束的性能。因激光发射器111发射的激光光束可能存在象散、形状不对称以及具有几度到几十度不等的发散角度，为保证其定位的准确性，故需对激光光束进行准直和整形，使得激光光束发散角有效的压缩，成为符合要求形状的光束。其中，第一准直组件112可以为包括但不限于普通透镜组合准直系统、非球面单透镜的准直系统、长焦距大孔径的光学系统、柱面镜加普通光学系统、宏/围观光学元件结合准直系统以及光纤和普通透镜组合准直系统中的一种。本实施例中所采用的第一准直组件112为普通透镜组合准直系统，在其它实施例中可以采用上述任一所述的准直光学系统对激光发射器111发出的激光光束进行准直和整形处理，本申请不做进一步限定。此外，在本申请具体的应用场景中，激光发射器111和第一准直组件112可共同装载于同一载体，也可安装在不同的载体上，以使得最终满足激光发射器111出射的激光光束在第一准直组件112的焦点上。
反射组件12，包括第一反射元件A及第二反射元件B。其中，第一反射元件A与第二反射元件B相交设置，且交点所在的平面和激光发射光学系统11及激光接收光学系统13的光轴垂直。其中，第一反射元件A用于改变第一准直组件112进行准直和整形后的光束的传播方向，并将其水平反射至目标上进行探测，第二反射元件B将由目标水平反射回来的激光光束投射到激光接收光学系统13中。
其中，第一反射元件A及第二反射元件B相交的夹角范围可以为89～91°，具体可以为89°、90°以及91°等等。可选地，本申请中的反射组件12可以为包括但不限于平面镜、球面镜、柱面镜以及反射棱镜中的一种。且本申请中的第一反射元件A及第二反射元件B可以设置为实际相交，在其它实施例中，也可以设置为虚拟相交，即第一反射元件A及第二反射元件B实际不相交，通过虚拟的延伸镜面而实现的相交。
参见图3-5，图3为本申请反射组件第一实施方式的结构示意图，图4为本申请反射组件第二实施方式的结构示意图，图5为本申请反射组件第三实施方式的结构示意图。在本申请的反射组件的第一至第三实施方式中，第一反射元件A及第二反射元件B均设置为实际相交。一并参阅图3至图5，本实施例中采用的反射组件12为平面镜，即第一反射元件A及第二反射元件B均为平面镜，且第一反射元件A及第二反射元件B均设置为实际相交，且二者相交的夹角为90°。
请进一步参阅图6-8，图6为本申请反射组件第四实施方式的结构示意图，图7为本申请反射组件第五实施方式的结构示意图，图8为本申请反射组件第六实施方式的结构示意图。在本申请的反射组件的第四至第六实施方式中，第一反射元件A及第二反射元件B均设置为虚拟相交。一并参阅图6至图8，本实施例中采用的反射组件12为平面镜，即第一反射元件A及第二反射元件B均为平面镜，且第一反射元件A及第二反射元件B均设置为实际相交，即通过虚拟的延伸镜面而实现相交且二者相交的夹角为90°。
在其它实施例中，对于反射组件12中的第一反射元件A及第二反射元件B的具体的相交设置的选择可以结合实际的运用场景而定，并不局限于单一的相交形式。且除本申请采用平面反射镜组作为反射组件之外，还可以采用其他反射元件作为反射组件，例如球面镜、反射棱镜等等，且在采用其他反射元件时，其设置需满足使得经过第一准直器件112的激光光束能水平的透射到目标上，且能保证目标水平反射回的激光光束能被透射到激光接收光学系统13中。
请继续参阅图2，本申请中的激光接收光学系统13进一步包括第二准直组件131及激光接收器132。激光接收光学系统13的作用是尽可能的收集经目标反射后的光能量，并将其汇聚到激光接收器132的光敏面上，以提高探测距离，且一般接收光学系统的光学增益越大，对提高探测距离所起的作用就越大。
其中，第二准直组件131用于改善接收到目标反射回的激光光束的性能，并将性能改善后的激光光束投射至激光接收器132。可选地，第二准直组件131可以为包括但不限于采用普通透镜组合准直系统、非球面单透镜的准直系统、长焦距大孔径的光学系统、柱面镜加普通光学系统、宏/围观光学元件结合准直系统以及光纤和普通透镜组合准直系统中的一种。本实施例中所采用的第二准直组件131为普通透镜组合准直系统，用于将第二反射元件B接收到的由目标水平反射回来的激光光束进行准直和整形，使得激光光束进行汇聚变成激光点光斑投射到激光接收器132上。
激光接收器132，用于接收经过第二准直组件131后性能改善的激光光束，本实施例中多采用的激光接收器132可以为包括但不限于光电探测器、硅光电池以及成像探测器中的一种。在激光接收光学系统中，激光接收器132是核心部件，故本申请中采用光电探测器作为激光接收器132，具体可以是光电二极管，再进一步可以为高内部增益、体积小以及可靠性高的雪崩光电二极管。在其它实施例中也可以采用上述任一所述的激光接收器，本申请不做进一步地限定。此外，在本申请一应用场景中，激光接收器132和第二准直组件131可共同装载于同一载体，也可安装在不同的载体上，以使得最终满足激光接收器132接收的激光光束在第二准直组件131的焦点上。
下面结合图2及本申请一应用场景对该激光雷达光学系统的工作原理做简单描述：
该应用场景中激光发射光学系统11中的激光发射器111采用半导体激光二极管，第一准直组件112采用普通透镜组合准直系统，反射组件12中的第一反射元件A及第二反射元件B均采用平面镜，且第一反射元件A及第二反射元件B的夹角设置为90°，激光接收光学系统13中的第二准直组件131也采用普通透镜组合准直系统，激光接收器132采用雪崩光电二极管，且激光发射光学系统11和激光接收光学系统13的光轴重合。
其中，半导体激光二极管发出的激光光束在第一准直组件112的焦点上，且经过第一准直组件112进行准直和整形后，激光光束的发射角得到压缩后进入第一反射元件A(平面镜)，第一反射元件A改变经第一准直组件112进行准直和整形后的激光光束的传播方向，并将其水平投射到空间中的目标上对其进行探测。进一步，第二反射元件B接收目标反射回来的激光光束，并改变其传播方向将其投射至第二准直组件131上，第二准直组件131对接收到的目标反射回的激光光束进行准直和整形，使得激光光束进行汇聚变成激光点光斑投射到光电二极管的光敏面上进行光电转换，再经由后续的放大和检测等来实现对目标的探测。
上述实施方式，通过将激光雷达光学系统的激光发射光学系统及激光接收光学系统相对设置在反射组件的两侧，可以减小激光雷达光学系统的横向(经反射组件后激光的出射方向或者反射方向)跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。
请进一步参阅图9，图9为本申请激光雷达光学系统第三实施方式的结构示意图。本实施例中的激光雷达光学系统和上述第二实施方式中的激光雷达光学系统大致相同，不同之处在于，本申请中的激光雷达光学系统中的激光发射光学系统和激光接收光学系统的光轴平行但不重合，具体描述如下：
本实施例中所提供的激光雷达光学系统20包括：激光发射光学系统21、反射组件22以及激光接收光学系统23。
其中，激光发射光学系统21及激光接收光学系统23分别位于反射组件22的两侧，且激光发射光学系统21及激光接收光学系统23的光轴平行但不重合。激光发射光学系统21用于发射激光，反射组件22用于反射激光至目标24，并将目标24反射回的激光投射到激光接收光学系统23上，激光接收光学系统23用以接收目标24反射回的激光。
上述实施方式中的激光收发光学系统的具体布局以及相关元器件的描述详见上述激光雷达光学系统第二实施方式的具体描述，此处不再赘述。
上述实施方式中，通过将激光雷达光学系统的激光发射光学系统及激光接收光学系统相对设置在反射组件的两侧，可以减小激光雷达光学系统的横向(经反射组件后激光的出射方向或者反射方向)跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。
综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种激光雷达光学系统，通过将激光雷达光学系统的激光发射光学系统及激光接收光学系统相对设置在反射组件的两侧，可以减小激光雷达光学系统的横向(经反射组件后激光的出射方向或者反射方向)跨度，有效地提高光学系统的紧凑性。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种激光雷达光学系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射光学系统、反射组件以及激光接收光学系统；
其中，所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统相对设置于所述反射组件的两侧，且所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴平行；所述激光发射光学系统用于发射激光，所述反射组件用于反射所述激光至目标，并将所述目标反射回的激光投射到所述激光接收光学系统上，所述激光接收光学系统用以接收所述目标反射回的所述激光。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射组件包括第一反射元件及第二反射元件，所述第一反射元件和所述第二反射元件相交设置，且交点所在的平面和所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴垂直。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一反射元件及所述第二反射元件相交的夹角范围为89～91°。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一反射元件及所述第二反射元件相交的夹角为90°。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述第一反射元件及所述第二反射元件设置为虚拟相交。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述第一反射元件及所述第二反射元件设置为实际相交。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射光学系统包括激光发射器及第一准直组件，所述第一准直组件用于改善所述激光发射器发射的激光光束的性能。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述激光发射器为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器以及发光二极管中的一种。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光接收光学系统包括第二准直组件及激光接收器，所述第二准直组件用于改善接收到所述目标反射回的激光光束的性能，并将性能改善后的激光光束投射至所述激光接收器，所述激光接收器接收所述性能改善后的激光光束。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述激光接收器为光电探测器、硅光电池以及成像探测器中的一种。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴重合。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴平行但不重合。
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