CN108663757B - 一种出光角度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种出光角度控制装置。其特征在于，所述结构包括：激光光源，第一数量的出射光纤，以及光纤固定具。激光光源发射的激光光束被耦合至所述出射光纤；光纤固定具包括第一表面，所述第一表面上布置有第二数量的光纤固定槽，所述出射光纤被固定于所述光纤固定槽中穿过所述第一表面；并且所述出射光纤的出射端面穿出所述光纤固定槽。出射光纤的出射端面与所述光纤固定槽被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射。

Description

一种出光角度控制装置

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种出光角度控制装置。

背景技术

无人驾驶车辆在行驶道路上的障碍物检测是环境感知技术研究领域中的重要组成部分。在障碍检测的应用中，常用的传感器有激光雷达、相机、毫米波雷达、超声波传感器等。激光雷达通过测量发射光和从物体表面反射光之间的时间差来测量距离。目前，市场上多线激光雷达，是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。例如，Velodyne公司生产的64线的激光雷达，然而，高线数激光雷达导致成本的提高，所以应用也受到限制。在激光雷达中，发射器和接收器的成本是最高的，为了实现降低成本，通常会利用低线数激光雷达耦合，其效果相当于一个多线激光雷达，在降低激光雷达成本的同时提高分辨率，成为目前研究的热点。

目前常用的技术方案有：将多个激光雷达进行耦合。例如，将4个16线的激光雷达进行耦合，经过合理的设计布局，利用控制单元对4个激光雷达进行控制，通过激光雷达联合标定以及数据同步处理，达到自由组合混合固态激光雷达点云密度变化的目的。

然而，在安全性方面，激光雷达的扫描盲区成为了制约其发展的瓶颈之一。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种出光角度控制装置，所述装置包括：激光光源，第一数量的出射光纤，光纤固定具；所述激光光源发射的激光光束被耦合至所述出射光纤；所述光纤固定具具有第一表面，所述第一表面上布置有第二数量的光纤固定槽，所述出射光纤被固定于所述光纤固定槽中穿过所述第一表面；并且所述出射光纤的出射端面穿出所述光纤固定槽；所述出射光纤的出射端面与所述光纤固定槽被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射。

进一步地，所述激光光源为激光发射板，其搭载有多个激光器，所述多个激光器发出的光被耦合至所述多根出射光纤。

进一步地，所述光纤固定槽沿纵向分布于所述光纤固定具的第一表面，所述光纤固定槽具有第一端面和第二端面，所述出射光纤自所述第一端面穿入所述固定槽，自所述第二端面穿出所述固定槽。

进一步地，所述光纤固定槽为横截面为“V”字槽形结构，所述“V”字槽形结构具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁用于支撑所述出射光纤的本体。

进一步地，所述出射光纤的出射端面与所述光纤固定槽被配置为使所述光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚包括：

所述光纤的出光端面为倾斜端面，所述光纤固定槽按照相互平行的方式配置；所述倾斜端面配合所述相互平行的光纤固定槽，使得所述倾斜端面出射的光束按照所述倾斜端面指定的角度汇聚。

进一步地，所述出射光纤的出射端面与所述光纤固定槽被配置为使所述光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚包括：所述光纤的出光端面为平直端面，所述光纤固定槽按照发散线的径向方向配置；所述平直端面配合所述按照发散线方向配置的光纤固定槽，使得所述平直端面出射的光束按照所述发散线方向指定的角度汇聚。

进一步地，所述出射光纤的出射端面与所述光纤固定槽被配置为使所述光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚包括：所述光纤的出光端面为倾斜端面，所述光纤固定槽按照发散线方向配置；所述倾斜端面配合所述按照发散线方向配置的光纤固定槽，使得所述倾斜端面出射的光束按照所述倾斜端面和所述发散线方向共同指定的角度汇聚。

进一步地，所述光纤固定具的第一表面为多个“V”字槽形结构组成的锯齿形表面。

进一步地，所述激光光源为搭载有复数个激光器的激光发射板，所述激光发射板可以是矩形、半圆环形、1/4圆环形。

进一步地，所述光纤固定具的第一表面可以是矩形、弯月形、三角形、环形、半圆形、半圆环形、1/4圆环形。

本发明能够达到的有益效果：基于本发明的出光角度控制装置，可以将激光发射芯片发出的光，耦合到和一个很小的范围构成等效光源。并且通过对光纤的方向配置和光纤端面的配置控制出射光束的方向。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是本说明书实施例提供的出光角度控制装置结构示意图；

图2是本说明书实施例提供的激光发射芯片结构示意图；

图3是本说明书实施例提供的激光发射芯片结构示意图；

图4是本说明书实施例提供的另一种出光角度控制装置结构示意图；

图5是本说明书实施例提供的具有平直端面的光纤结构示意图；

图6是本说明书实施例提供的光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚原理示意图；

图7是本说明书实施例提供的光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚原理示意图；

图8是本说明书实施例提供的光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚原理示意图；

图9是本说明书实施例提供的光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚原理示意图；

图10是本说明书实施例提供的出光角度控制装置原理示意图；

图11是本说明书实施例提供的配置出光端面的切割角度，控制通过出光端面的出光方向的一种方式示意图；

图12是本说明书实施例提供的另一种出光角度控制装置原理示意图；

图13是本说明书实施例提供的光纤空间分布结构示意图；

图14是本说明书实施例提供的光纤空间分布结构示意图；

图15是本说明书实施例提供的光纤固定具截面结构示意图；

图16是本说明书实施例提供的光纤固定具截面结构示意图；

图17是本说明书实施例提供的光纤固定具截面结构示意图；

图18是本说明书实施例提供的配置出光端面的切割角度，控制通过出光端面的出光方向的一种方式示意图；

图19是本说明书实施例提供的配置出光端面的切割角度，控制通过出光端面的出光方向的一种方式示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

在一个可能的实施例中，提供一种出光角度控制装置，如图1所示，所述装置包括，激光光源110，第一数量的出射光纤120，光纤固定具130。所述激光光源110发射的激光光束被耦合至所述出射光纤120。

所述光纤固定具130具有第一表面，所述第一表面上布置有第二数量的光纤固定槽140，所述出射光纤120被固定于所述光纤固定槽140中穿过所述第一表面，并且所述出射光纤120的出射端面穿出所述光纤固定槽140。

所述出射光纤120的出射端面与所述光纤固定槽140被配置为使所述光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚。

所述激光光源110为搭载有复数个激光器的激光发射板，其具激光发射端面，激光发射端面的数量可以是一个，也可以是多个。激光光源的出射的光被耦合至出射光纤，通过出射光纤可以将激光器发射的光耦合到一个很小的空间。例如，多个激光器发射的激光通过光纤耦合到光纤固定具的一个很小范围，从而允许在小范围内存在多个出光端面，这些出光端面的每一个都构成一个等效光源。从而在一个很小的范围内集中很大数量的等效光源。例如，10个搭载有4激光器的激光发射板通过40根光纤将激光端面发射的光耦合到一个小区域，从而实现出光区域的高度集中，可以使出光位置靠近光轴，从而防止远轴光带来的像差。当然，利用光纤将激光发射芯片的多个光源耦合到小区域还适用于更多数量的光源，例如64个以上的激光器实现64个甚至更多的等效光源。当应用到激光雷达时，这有利于实现高线束扫描。

图2展示了激光发射端面为一个情况，激光发射芯片具有一个发射端面。

图3展示了激光发射端面为多个情况，激光发射芯片具有多个发射端面，多个发射端面发射出多个光束。

图2、图3中，激光发射端面发出的激光被耦合至所述多根出射光纤120，通过提供多组激光发射芯片，可以实现复数个光源的提供，而多根光纤120被固定在光纤固定具130上，通过调整光纤固定具130可以调整光纤中光的出射方向。

如图4所示，通过调整光纤固定具130上的光纤固定槽140的倾斜角度，实现对光纤出光角度的控制。具体地，可以调整相临近的光纤固定槽的朝向角度，实现对光纤中出光角度地控制。例如，相邻的光纤固定槽(140)会按照发散线的方式布置。而光纤端面保证端面出光基本沿着光纤的端面方向出射，如此可以通过光纤的出射端面与所述光纤固定槽的配置，使光纤端面出射的光束按照指定角度汇聚。

具体的配置方式可以包括：光纤的出光端面为平直端面，光纤固定槽按照发散线的径向方向配置。平直端面是指端面的切面垂直于光纤的径向，如图5所示，光纤的出射光垂直入射光纤端面，因此，基本上从该光纤端面垂直出射，这种方式可以保证出射光束具有很好的方向性，通过按照发散线的方式配置光纤固定槽可以保证光纤端面的出射光线汇聚到指定的区域，例如扫描元件上。下面根据图6-9示意性该种方式的应用场景：

如图6所示，一根光纤端面作为等效光源出射的激光入射到扫描器的反射表面并形成视场a。

如图7所示，通过调整光纤的出射角度，第二根光纤端面作为等效光源出射的激光入射到扫描器的反射表面并形成视场b。

如图8所示，通过调整光纤的出射角度，第三根光纤端面作为等效光源出射的激光入射到扫描器的反射表面并形成视场c。

如图9所示，三根光纤出射光线经过扫描之后形成的复合视场为视场a，视场b，视场c三者的叠加。而在三个子视场a,b,c中，由于扫描单元保持较高的扫描频率，雷达的分辨率不会受到影响。

当然，图6-9仅仅是示例性地说明，通过设置光纤的数量，例如增加或者减少光纤数量作为等效光源，可以保证视场不变的情况下，提高激光雷达的分辨率。此外，多个等效光源的引入，相当于把待探测的视场分割为多份，这样可以通过牺牲扫描振幅来获得更大的扫描频率，从而提高同一套扫描单元的分辨率上限。例如，对于单个光源而言，扫描单元设计的扫描频率为85Hz，扫描镜面的扫描角度分为±5°；而对于多个等效光源，可以降低扫描镜面的扫描角度分为±3°,这样可以提高扫描单元的扫描频率上限到130Hz。

在前述实施例中，汇聚是基于光纤固定具和光纤端面的一种光束照射方向的配置方式，根据光纤固定具对于光纤的方向、位置的设置，配合光纤端面的切割方式所形成的光学效果，光纤端面出射的光束可以向指定的方向照射。其整体呈现的并不限制于汇聚的方式，还可以是平行或者发散的，或者不同出射光纤所发射的光束相互交错。

具体的配置方式还可以包括：光纤的出光端面为倾斜端面，光纤固定槽按照相互平行的方式配置。

在一个可能的实施例中，如图10所示，除使用夹具来对作为等效光源的光纤进行固定外，还可以对光纤的出光面进行处理。根据Maxwell方程，当光纤的出光面是平直截面时，其出射光场的波阵面是一个锥面，而对于一维夹具而言，为了使多根光纤发射的光线进行汇聚到扫描面或者聚焦透镜上，可以通过切割光纤端面实现。

图11中示出了配置出光端面的切割角度，控制通过出光端面的出光方向的一种方式。θ为光线在光纤端面的入射角(即光线与光纤端面法线的夹角)，90-θ为出光端面的切割角度。当入射角大于临界角C时，光线在光纤端面发生全反射。即当切割角度小于90-C(即小于临界角的余角)时，光线在光纤端面发生全反射。这样在不改变光纤本身方向的情况下(光纤是平行的)，改变光纤出射光线的方向。其中，临界角C满足：

其中n2为空气折射率，n1为光纤折射率。图10、11中，光纤出射的光线以不同角度入射到透镜表面上，在一些实施例中，还可以省略汇聚透镜，通过切割不同角度的光纤端面出射光入射到反射镜面上，实现光场的部分重叠或者恰好拼合。

在前述的实施例中，汇聚是基于光纤固定具和光纤端面的一种光束照射方向的配置方式，根据光纤固定具对于光纤的方向、位置的设置，配合光纤端面的切割方式所形成的光学效果，光纤端面出射的光束可以向指定的方向照射。其整体呈现的并不限制于汇聚的方式，还可以是平行或者发散的，或者不同出射光纤所发射的光束相互交错。通过控制光束的发射方向可以更加方便实现光纤形成的等效光源发射的光束对探测区域的覆盖。以及，探测光对待探测区域的标定。

在一个可能的实施例中，激光器和电路板可以由激光发射芯片代替，激光发射芯片可以是端面出射激光芯片，也可以是垂直表面腔发射激光芯片。

在一个可能的实施例中，如图19所示，光纤出射端面具有锥形截面，当锥角与切割面的角度的余角相等，且切割面的角度满足全反射条件(即小于临界角的余角)时，入射光线在第一截面发生全反射，并且垂直入射第二截面。如此保证出射的光能最大。

具体的配置方式还可以包括：光纤的出光端面为倾斜端面，同时，光纤固定槽按照发散线的径向方向配置。

根据前述的配置方式可知，在光纤的出光端面为倾斜端面时，保证光纤光的入射角大于临界角可以保证在倾斜端面发生全反射，进而保证尽量多的光入射到扫描镜面。因此在一些特定条件下，为了保证光纤的出射端面角满足全反射角，同时配置光纤的出光端面为倾斜端面角，以及光纤固定槽的配置方向。与之对应的光线固定具被配置为弧形，三角形等等，以使得各光纤的倾斜出光端面之间形成夹角。如图12所示，光纤固定具为弯月形，其表面上具有光纤固定槽，光纤固定槽的方向具有沿着光纤固定具表面的发散性，光纤从光纤固定槽的一端穿入，并从光纤固定槽的另一端穿出，由此，光纤被固定在所述光纤固定具的第一表面，并且其出光端面位置也被固定，出光端面被切割为倾斜的端面，并且切割角满足小于临界角的余角。自光纤端面发射出的光被反射至目标区域，目标区域可以是扫描反射镜、出射光阑、汇聚透镜、出射透镜或者待扫描区域。总之，通过光纤端面设置以及光纤固定槽的配置，联合使得光纤出射的光束照射到该指定区域。

不失一般性地，光纤固定具还可以具有其它形状，例如三角形、环形、半圆形、半圆环形、1/4圆环形等等。

在一个可能的实施例中，所述光纤出射端面被倾斜切割，等效于棱镜结构，所述棱镜结构使得出射光向指定方向偏折。如图18所示，φ为光线在光纤端面的入射角(即光线与光纤端面法线的夹角)，90-φ为出光端面的切割角度。当入射角小于临界角C时，光线在光纤端面发生折射，并向棱镜底面方向偏折。即当切割角度大于90-C(即大于临界角的余角)时，光线在光纤端面发生折射，并向棱镜底面方向偏折。从而使光纤出射的光束向指定方向发射。

在前述的实施例中，更多地适用于一维扫描或者复杂度较低的二维扫描。在一些情况下，光纤还可以通过阵列光源的形式为扫描单元提供光源。如图13所示，光纤在空间以二维阵列的形式排列，并呈一定角度入射到扫描器件的反光面上，经过扫描器件进行二维扫描形成多个二维子光场，多个二维子光场的叠加形成对探测区域的覆盖。光纤可以为4X4的二维阵列形式形成二维等效光源阵列，实际上，根据扫描器件的不同，以及分布式光扫描103对于工作场景的要求不同，二维阵列还可以是如图14所示的圆形阵列。不失一般性地，例如,2X2，3X2,2X3,3X3,等适合各子光场相互叠加的MXN的矩形阵列。

将分布式光纤连接组件102的光输出端面设置成空间二维阵列的形式，有利于空间二维市场的组合和叠加，但是二维阵列需要阵列中的光纤分别具有固定的朝向和固定的角度，这需要精细的安装调试来完成，并且在使用过程中，外部的振动等因素也容易造成光纤位置和/或朝向的改变，进而造成原本设置视场的改变。

因此，在一个可能的实施例中，如图15-17所示，利用光纤固定具将作为等效光源的光纤固定在一个一维阵列中，并且光纤本体的朝向基本上是平行的。通过一维阵列夹具可以稳固地控制光纤的位置，并且，利用一维夹具控制光纤端面的出光方向，这样，即使遭遇振动等外力，夹具仍然能够稳固地夹持光纤端面，保证系统的稳定性。所述光纤固定具的第一表面为多个“V”字槽形结构组成的锯齿形表面。在可能的实施例中，“V”字型槽的尺寸被精确刻画，其尺寸可以达到微米或者亚微米量级。当然，本发明中的光纤固定槽并不一定是“V”型刻线槽，不失一般性的，槽形结构还可以是“U”字槽形结构、“半圆弧”槽形结构等其他槽形状。

在一个可能的实施例中，光纤固定局可以不依靠光纤固定槽实现，光纤可以直接固定在光纤固定具上。所述激光光源发射的激光光束被耦合至所述出射光纤；所述光纤固定具包括第一表面，所述出射光纤被固定于所述第一表面，且所述出射光纤具有不同的朝向；所述出射光纤的出射端面与所述光纤的朝向被配置为使所述光纤端面出射的光束按照指定角度照射。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种出光角度控制装置，其特征在于，所述装置用于激光雷达，所述装置包括：激光光源(110)，第一数量的出射光纤(120)，光纤固定具(130)；通过设置光纤的数量，将光纤数量作为等效光源；

所述激光光源(110)发射的激光光束被耦合至所述出射光纤(120)；

所述光纤固定具(130)具有第一表面，所述第一表面上布置有第二数量的光纤固定槽(140)，所述出射光纤(120)被固定于所述光纤固定槽(140)中穿过所述第一表面；

并且所述出射光纤(120)的出射端面穿出所述光纤固定槽(140)；

所述出射光纤(120)的出射端面与所述光纤固定槽(140)被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射；

所述激光光源(110)为搭载有复数个激光器的激光发射板，所述复数个激光器发出的光被耦合至所述多根出射光纤(120)。

2.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述光纤固定槽(140)沿纵向分布于所述光纤固定具(130)的第一表面，所述光纤固定槽(140)具有第一端面和第二端面，所述出射光纤(120)自所述第一端面穿入所述固定槽(140)，自所述第二端面穿出所述固定槽(140)。

3.根据权利要求2所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述光纤固定槽(140)为横截面为“V”字槽形结构，所述“V”字槽形结构具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁用于支撑所述出射光纤(120)的本体。

4.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述出射光纤(120)的出射端面与所述光纤固定槽(140)被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射包括：

所述光纤的出光端面为倾斜端面，所述光纤固定槽按照相互平行的方式配置；所述倾斜端面配合所述相互平行的光纤固定槽，使得所述倾斜端面出射的光束向所述倾斜端面指定的角度照射。

5.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述出射光纤(120)的出射端面与所述光纤固定槽(140)被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射包括：

所述光纤的出光端面为平直端面，所述光纤固定槽按照发散线的径向方向配置；所述平直端面配合所述按照发散线方向配置的光纤固定槽，使得所述平直端面出射的光束向所述发散线方向指定的角度照射。

6.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述出射光纤(120)的出射端面与所述光纤固定槽(140)被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射包括：

所述光纤的出光端面为倾斜端面，所述光纤固定槽按照发散线方向配置；所述倾斜端面配合所述按照发散线方向配置的光纤固定槽，使得所述倾斜端面出射的光束按照所述倾斜端面和所述发散线方向共同指定的角度照射。

7.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述光纤出射端面被配置为棱镜结构，所述棱镜结构使得出射光向指定方向偏折。

8.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述光纤固定具(130)的第一表面为多个“V”字槽形结构组成的锯齿形表面。

9.根据权利要求1所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述激光光源(110)为搭载有复数个激光器的激光发射板，所述激光发射板可以是矩形、半圆环形、1/4圆环形；

或者，所述光纤固定具的第一表面可以是矩形、弯月形、三角形、环形、半圆形、半圆环形、1/4圆环形。

10.一种出光角度控制装置，其特征在于，所述装置用于激光雷达，所述装置包括：激光光源，第一数量的出射光纤，光纤固定具；

所述激光光源发射的激光光束被耦合至所述出射光纤；

所述光纤固定具包括第一表面，所述出射光纤被固定于所述第一表面，且所述出射光纤具有不同的朝向；

所述出射光纤的出射端面与所述光纤的朝向被配置为使所述光纤端面出射的光束向指定角度照射；

所述激光光源为搭载有复数个激光器的激光发射板。

11.根据权利要求10所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述激光发射板可以是矩形、半圆环形、1/4圆环形；

或者，所述光纤固定具的第一表面可以是矩形、弯月形、三角形、环形、半圆形、半圆环形、1/4圆环形。

12.根据权利要求10所述的出光角度控制装置，其特征在于，所述光纤出射端面被配置为棱镜结构，所述棱镜结构使得出射光向指定方向偏折。

13.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括权利要求1-11之一所述的出光角度控制装置。

14.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括出射透镜，配置所述出光角度控制装置，以使得所述出射端面被配置于所述出射透镜的焦平面上。

15.根据权利要求13或14所述的激光雷达，其特征在于，所述激光光源发射的激光光束被耦合至所述出射光纤，所述出射光纤的出射端面被配置在所述激光雷达光轴的近轴位置。

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