CN109164464A - 一种扫描装置和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种扫描装置和激光雷达，扫描装置包括光源、偏振器、液晶结构和电学结构。光源向液晶结构发射激光束；液晶结构接收激光束，并通过液晶结构的反射面反射激光束，反射后的激光束在被测物面上形成光斑，液晶结构位于电场中，故，当利用具有该扫描装置的激光雷达对待测物面进行扫描测量时，电学结构通过对液晶结构施加预设规律的电压形成电场，由于液晶结构具有一定的流动性，在对液晶结构施加电压时，液晶结构内部分子会发生对应偏转，改变液晶结构反射面的折射率，从而改变激光束经过反射面后的出射方向，进而改变光斑在被测物面上的位置，实现对被测物面的扫描。该装置精度更高，具有测量可重复性、控制灵活性和稳定性。

Description

一种扫描装置和激光雷达

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种扫描装置和激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，被广泛的应用到各种领域。激光雷达可以分为扫描式和非扫描式两大类，对于扫描式激光雷达来说，扫描式激光雷达通过扫描结构改变激光的传播方向，从而使激光可以在被测物面的不同位置依次形成光斑，从而完成对待测物面的扫描，在扫描过程中，被测物面上的反射光被激光雷达的探测器接收进而完成对被测物面的扫描测量。

传统的激光雷达中所使用的扫描结构主要是机械旋转扫描结构，即通过电机转动带动光学结构(例如透镜、棱镜等)或发射光源本身旋转，而光学结构的旋转又可以改变经过光学结构的反射面反射的激光的传播方向，从而实现对待测物面的扫描。

但是，机械旋转扫描结构由于存在机械旋转，随着长时间不断的进行机械旋转，使得机械旋转扫描结构不断的磨损，从而缩短机械旋转扫描结构的寿命，并且随着磨损的产生，还会降低机械旋转扫描结构的精度和稳定性。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种扫描装置和激光雷达，无需机械转动，不存在机械磨损，从而精度更高，具有测量可重复性、控制灵活性和稳定性。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种扫描装置，所述装置应用于激光雷达，所述装置包括光源、液晶结构和电学结构：

所述光源，用于向所述液晶结构发射激光束；所述液晶结构，用于接收激光束，并通过所述液晶结构的反射面反射所述激光束，反射后的激光束在被测物面上形成光斑，所述液晶结构位于所述电学结构形成的电场中，所述电学结构通过对所述液晶结构施加预设规律的电压形成所述电场，在所述装置应用于激光雷达对待测物面进行扫描测量时，所述液晶结构的折射率在所述电场的作用下发生改变，以便改变所述光斑在所述被测物面上的位置，所述光斑在所述被测物面上的位置的集合作为所述激光雷达在所述被测物面上的扫描区域。

在一种实现方式中，所述预设规律通过电压与时刻的对应关系体现，针对扫描测量过程中的任意时刻，对所述液晶结构施加电压得到的反射后的激光束相对于未施加电压得到的反射后的激光束偏转第一偏转角，所述装置还包括放大光学结构：

所述放大光学结构用于接收所述反射后的激光束，扩大所述第一偏转角。

在一种实现方式中，所述装置还包括准直扩束结构：

所述准直扩束结构，用于在所述光源发射的激光束经过所述液晶结构之前，对所述激光束进行扩束，使得被测物面上光斑的大小满足预设条件。

在一种实现方式中，所述光源包括至少一个激光器。

在一种实现方式中，若所述光源包括多个激光器，所述多个激光器按照预定顺序依次发出激光束。

在一种实现方式中，所述液晶结构为液晶空间光调制器。

在一种实现方式中，若所述光源包括多个激光器，所述多个激光器同时发出激光束，所述液晶空间光调制器还用于对所述多个激光器同时发出的激光束进行耦合。

在一种实现方式中，所述装置还包括偏振器：

所述光源发射的激光束经过所述偏振器得到偏振光束，则所述液晶结构接收到的激光束为偏振光束。

第二方面，本申请实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达包括第一方面中任一项所述的扫描装置，还包括：发射光学结构、接收光学结构和探测器；

所述发射光学结构，用于接收所述扫描装置出射的激光束，并将所述激光束透射到被测物面上；

所述接收光学结构，用于接收所述被测物面反射的所述激光束，并将所述激光束透射到所述探测器上，在所述探测器上成像。

在一种实现方式中，若所述扫描装置在所述被测物面上形成的光斑满足预设条件，则所述探测器为面阵探测器。

在一种实现方式中，所述面阵探测器为面阵电荷耦合元件。

基于上述技术方案，可以看出本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供的扫描装置可以应用于激光雷达，所述装置包括光源、液晶结构和电学结构。其中，所述光源向所述液晶结构发射激光束；所述液晶结构接收所述激光束，并通过所述液晶结构的反射面反射所述激光束，反射后的激光束在被测物面上形成光斑，所述液晶结构位于电场中，所述电学结构通过对所述液晶结构施加预设规律的电压形成所述电场，这样，当利用具有该扫描装置的激光雷达对待测物面进行扫描测量时，由于液晶结构具有一定的流动性，在对液晶结构施加电压时，液晶结构内部分子会发生对应偏转，改变液晶结构反射面的折射率，从而改变激光束经过所述反射面后的出射方向，进而改变所述光斑在所述被测物面上的位置，实现对被测物面的扫描。与传统扫描装置相比，该扫描装置无需机械转动，不存在机械磨损，从而精度更高，具有测量可重复性、控制灵活性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的液晶结构双折射效应引发的折射率变化与光束偏转的示意图；

图2为本申请实施例提供的液晶结构在场下的变化示意图；

图3为本申请实施例提供的液晶结构改变激光束出射方向的原理图；

图4为本申请实施例提供的波前相位变化改变激光束出射方向的示意图；

图5a为本申请实施例提供的一种扫描装置的结构图；

图5b为本申请实施例提供的一种扫描装置的结构图；

图6为本申请实施例提供的一种扫描装置的结构图；

图7为本申请实施例提供的一种扫描装置的结构图；

图8a为本申请实施例提供的一种扫描装置在被测物面上形成扫描区域的示意图；

图8b为本申请实施例提供的一种扫描装置在被测物面上形成扫描区域的示意图；

图8c为本申请实施例提供的一种扫描装置在被测物面上形成扫描区域的示意图；

图9为本申请实施例提供的扫描区域上扫描情况的示意图；

图10为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构图。

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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，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。

传统的激光雷达中所使用的扫描结构主要是机械旋转扫描结构，这种扫描结构由于存在机械旋转，随着长时间不断的进行机械旋转，使得机械旋转扫描结构不断的磨损，从而缩短机械旋转扫描结构的寿命，并且随着磨损的产生，还会降低机械旋转扫描结构的精度和稳定性。

为此，本申请实施例提供一种扫描装置，该扫描装置利用液晶结构自身具有的流动性，即在对液晶结构施加电压时，液晶结构内部分子受到电压的作用会发生对应偏转，进而改变液晶结构反射面的折射率。而折射率变化后，经过液晶结构的反射面反射的激光束的传播方向将会发生变化，在被测物面上形成的光斑位置也会发生变化，这些光斑位置构成被测物面的扫描区域。这样，通过对施加在液晶结构上的电压进行控制，便可以实现在对被测物面进行扫描。

参见图1，图1示出了液晶结构双折射效应引发的折射率变化与光束偏转，其中，以液晶结构中的一个液晶分子为例，图1左侧的图可以表示未施加电压时，偏振方向平行于纸面的激光束在液晶分子的表面处，激光束经过液晶分子的折射情况；图1右侧的图表示施加电压时，液晶分子的指向矢量发生偏转，指向矢量即椭圆的长轴方向，使其折射率发生变化，这样，偏振方向平行于纸面的激光束在液晶分子的表面处，会因液晶分子折射率的变化，以致入射光的方向和相位发生相应的改变。图1仅是一个示例，本申请实施例并不对激光束的偏振方向做限定。

参见图2，图2示出了液晶结构在场下的变化示意图，其中，液晶结构201位于电场中，所述电场通过液晶结构的上下极板202、电源203和开关204形成，当开关204闭合时形成电场，使得液晶结构201位于电场中，液晶结构201内部的液晶分子如图2中产生有规律的排布，如图2中右侧的图所示，改变电源203的电压可以改变施加在上下极板202的电压，进而改变电场大小，电场大小的改变会使得液晶分子的排布情况发生变化，从而改变液晶结构201的折射率；图1左侧的图表示的是开关204未闭合(未施加电压)时，液晶结构201内部液晶分子的排布情况。

下面将结合反射光路图对液晶结构改变激光束出射方向的原理进行介绍，参见图3，图3示出了液晶结构改变激光束出射方向的原理图。其中，激光束A入射到液晶结构的反射面上，将会发生反射，当开关未闭合时，激光束A经过反射面反射后得到的激光束为A’；当开关闭合时，液晶结构的折射率发生改变，按照反射原理和衍射效应，激光束A经过反射面反射后得到的激光束为A”。

下面将从波前相位变化角度对液晶结构改变激光束出射方向的原理进行介绍，参见图4，图4示出了波前相位变化改变激光束出射方向的示意图。其中，在未施加电场时，激光束沿原传播方向的波前如401所示，当施加电场后，导致其反射的激光束的波前得到不同的相位补偿项。由衍射光学原理可知，向平行激光束的波前引入楔形相位(在2π周期内)如402所示，则能使激光束获得楔形对应的方向偏转，引入该楔形相位402后激光束的波前和传播方向可以如403所示。

上述对液晶结构在电场的作用下可以改变激光束的传播方向的原理进行介绍，接下来，将结合附图对应用该原理设计的扫描装置进行介绍。

参见图5a，图5a示出了一种扫描装置，所述装置应用于激光雷达，所述装置包括光源501、液晶结构502和电学结构503：

所述光源501，用于向所述液晶结构502发射激光束；

所述液晶结构502，用于接收所述激光束，并通过所述液晶结构502的反射面反射所述激光束，反射后的激光束在被测物面上形成光斑，所述液晶结构502位于所述电场中，所述电学结构503通过对所述液晶结构502施加预设规律的电压形成所述电场，在所述装置应用于激光雷达对待测物面进行扫描测量时，所述液晶结构502的折射率在所述电场的作用下发生改变，以便改变所述光斑在所述被测物面上的位置，所述光斑在所述被测物面上的位置的集合作为所述激光雷达在所述被测物面上的扫描区域。其中，光斑可以有不同的大小，当光斑的大小小于一定阈值时，可以认为光斑实际上是一个光点。

从图5a中可以看出，在未施加电压时，激光束A经过液晶结构502的反射面反射后，得到激光束A1，激光束A1在被测物面形成的光斑位于位置B1；在施加一定大小的电压时，液晶结构502在电场的作用下折射率发生改变，激光束A经过液晶结构502的反射面反射后，得到激光束A2，激光束A2在被测物面形成的光斑位于位置B2；当改变施加的电压的大小时，反射的偏振光传播方向也会发生改变，例如，得到激光束A3，激光束A3在被测物面形成的光斑位于位置B3，被测物面上B2-B3之间的区域可以认为是扫描区域。

在一种实现方式中，入射到所述液晶结构502的激光束可以是具有某一偏振方向的偏振光束，因此，参见图5b，所述装置可以包括偏振器504：

所述光源501发射的激光束经过所述偏振器504得到偏振光束，则所述液晶结构502接收到的激光束为偏振光束。

需要说明的是，电压需要不断改变大小，才能使得不同时刻经液晶结构502的反射面反射后的激光束的传播方向不同，才能实现对被测物面不同位置的扫描，因此，所述预设规律通过电压与时刻的对应关系体现。

其中，针对扫描测量过程中的任意时刻，对所述液晶结构施加电压得到的反射后的激光束相对于未施加电压得到的反射后的激光束偏转第一偏转角，例如，图5中激光束A2相对于激光束A1偏转了一定角度，该角度可以作为第一偏转角，第一偏转角越大，在被测物面上形成的扫描区域越大，即在被测物面上能够测量的范围越大，因此，为了获得更大的扫描范围，所述装置还包括放大光学结构505：

所述放大光学结构505，用于接收所述反射后的激光束，扩大所述第一偏转角。其中，所述放大光学结构505可以是透镜。参见图6所示，原本反射后的激光束为激光束A1和A2，对应的扫描区域为B1-B2之间的区域，由于放大光学结构505的存在，反射后的激光束经过所述放大光学结构505后发生折射，使得原本的激光束A1变成激光束A3，原本的激光束A2变成激光束A4，对应的扫描区域变为B3-B4之间的区域，从图中可以看出B3-B4之间的区域大于B1-B2之间的区域，因此，通过放大光学结构505可以扩大扫描区域，使得激光雷达可以实现大角度的扫描测量。

在一些实现方式中，为了加快扫描速度，实现更快的对整个被测物面进行测量，还可以保证在被测物面上形成的光斑满足预设条件，所述预设条件可以是大于一定阈值，例如，可以是大于第一阈值，从而实现面状扫描。

为此，所述装置还包括准直扩束结构506，所述准直扩束结构506，用于在所述光源501发射的激光束经过所述偏振器502之前，对所述激光束进行扩束，使得被测物面上光斑的大小满足预设条件，包括准直扩束结构506的扫描装置可以参见图7所示，其中，被测物面上形成的光斑如B1-B2之间的区域所示。

需要说明的是，在本实施例中，所述光源包括至少一个激光器，也就是说，光源可以包括一个激光器、两个激光器、甚至是更多个激光器，相对于使用一个激光器作为光源而言，使用多个激光器作为光源可以扩大扫描区域。

以光源501包括两个激光器为例，参见图8a，图8a中的扫描装置仅示出了光源501和液晶结构502，为了区分，其中，一个激光器发射的激光束可以作为激光束A，另一个激光器发射的激光束可以作为激光束B，激光束A对应的扫描区域为A扫描区域，激光束B对应的扫描区域为B扫描区域，则被测物面的扫描区域为A扫描区域与B扫描区域之和，可见使用两个激光器对被测物面进行扫描得到的扫描区域大于仅使用一个激光器对被测物面进行扫描得到的扫描区域。

当然，光源501包括两个激光器时，光源501的位置不仅限于图8a，还可以参见图8b等其他安装位置，本实施例对此不做限定。图8b中的激光束C与图8a中的激光束B对称，图8b中的激光束D与图8a中的激光束A对称。

根据图8a和图8b，光源501可以包括的多个激光器中，多个激光器可以两两对称，即激光束C与激光束B对称，激光束D与激光束A对称，从而使得在被测物面上形成的总扫描区域为四个激光器分别对应的扫描区域之和，参见图8c所示，其中，激光束C和激光束D并未示出。

若激光束在被测物面上形成的光斑为条形窄线，此时，每个激光束在被测物面的扫描区域的扫描情况参见图9所示，即每个激光束在被测物面上形成的条状窄线在相应的扫描区域向着某一方向不断移动(图9中从右向左移动，即为扫描方向)，从而完成对被测物面相应扫描区域的扫描。

当光源包括多个激光器，扫描方式可以包括两种，其中，一种扫描方式可以是，所述多个激光器按照预定顺序依次发出激光束，即多个激光器分区域轮流扫描，以图8a为例，即激光束A完成对被测物面上的A扫描区域的扫描后，再由激光束B继续完成对被测物面上的B扫描区域的扫描。

然而，在一些情况下，由于单个激光器因各种限制因素而发光能量有限，且每个激光器完成对相应的扫描区域的扫描都需要一定的时间，所以，为了增强扫描过程中激光束的能量、提高扫描效率，因此，可以采用多个激光器同时发出激光束同时进行扫描的扫描方式。为了实现耦合多个激光器发出的激光束同时进行扫描，所述液晶结构502可以是液晶空间光调制器(Liquid Crystal-Spatial Light Modulator，简称LC-SLM)，利用LC-SLM所述多个激光器同时发出的激光束进行耦合。

以图8c为例，激光束A、激光束B、激光束C和激光束D，同时发出激光束，同时对各自对应的扫描区域进行扫描，提高扫描频率。

本申请实施例提供的扫描装置可以应用于激光雷达，所述装置包括光源、液晶结构和电学结构。其中，所述光源向所述液晶结构发射激光束；所述液晶结构接收所述激光束，并通过所述液晶结构的反射面反射所述激光束，反射后的激光束在被测物面上形成光斑，所述液晶结构位于电场中，所述电学结构通过对所述液晶结构施加预设规律的电压形成所述电场，这样，当利用具有该扫描装置的激光雷达对待测物面进行扫描测量时，由于液晶结构具有一定的流动性，在对液晶结构施加电压时，液晶结构内部分子会发生对应偏转，改变液晶结构反射面的折射率，从而改变激光束经过所述反射面后的出射方向，进而改变所述光斑在所述被测物面上的位置，实现对被测物面的扫描。与传统扫描装置相比，机械旋转结构的安装和校准精度要求极高，且为了保证其测量精度和重复性需要的后续维护校准成本也极高，而该装置则可以避免这种情况，具有测量可重复性；该扫描装置无需机械转动，不存在机械磨损和错位，从而精度和稳定性更高；另外，该装置只需改变施加在液晶结构上的电压，就可以实现对出射光方向的任意改变、也能改变光斑的大小和形状，具有很高的可控性。

基于前述实施例提供的扫描装置，本申请实施例还提供了一种激光雷达，参见图10，所述激光雷达包括基于前述任一实施例实现的扫描装置1001，还包括：发射光学结构1002、接收光学结构1003和探测器1004；

图10中，所述扫描装置1001为上述实施例中所提供的一种实现方式，仅是扫描装置1001的一种示例，并不作为对扫描装置1001结构的限定。

所述发射光学结构1002，用于接收所述扫描装置出射的激光束，并将所述激光束透射到被测物面上；

所述接收光学结构1003，用于接收所述被测物面反射的所述激光束，并将所述激光束透射到所述探测器1004上，在所述探测器1004上成像。

需要说明的是，为了加快扫描速度，实现更快的对整个被测物面进行测量，还可以保证所述扫描装置在被测物面上形成的光斑满足预设条件，所述预设条件可以是大于一定阈值，例如，可以是大于第一阈值，从而实现面状扫描，相应的，用于接收被测物面反射的激光束并进行成像的探测器应该为面阵探测器。

需要说明的是，利用激光雷达对被测物面进行扫描测量时，若被测物面上的光斑为条状窄线，则在扫描方向上扫描测量的分辨力由条状窄线的宽度及扫描角度精度和面阵探测器决定，而与扫描方向垂直的方向上的扫描测量分辨力需要依靠面阵探测器决定。

为了保证激光雷达的体积小、重量轻、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，所述面阵探测器可以为面阵电荷耦合元件(Charge-coupled Device，简称CCD)。

从上述技术方案可以看出，应用了图1至图9任意实施例提供的扫描装置的激光雷达，由于其扫描装置包括光源、液晶结构和电学结构，所述液晶结构位于电场中，所述电学结构通过对所述液晶结构施加预设规律的电压形成所述电场，这样，当利用具有该扫描装置的激光雷达对待测物面进行扫描测量时，由于液晶结构具有一定的流动性，在对液晶结构施加电压时，液晶结构内部分子会发生对应偏转，改变液晶结构反射面的折射率，从而改变激光束经过所述反射面后的出射方向，进而改变所述光斑在所述被测物面上的位置，实现对被测物面的扫描。与传统激光雷达相比，该激光雷达中不存在机械结构，无需高精度安装和校准，具有测量可重复性，且不存在机械运动，属于固态激光雷达，因此，不存在机械磨损和错位，精度和稳定性更高；另外，该激光雷达只需改变施加在液晶结构上的电压，就可以实现对出射光方向的任意改变、也能改变光斑的大小和形状，具有很高的可控性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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申请。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申请的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (11)

1.一种扫描装置，其特征在于，所述装置应用于激光雷达，所述装置包括光源、液晶结构和电学结构：

所述光源，用于向所述液晶结构发射激光束；

所述液晶结构，用于接收激光束，并通过所述液晶结构的反射面反射所述激光束，反射后的激光束在被测物面上形成光斑，所述液晶结构位于所述电学结构形成的电场中，所述电学结构通过对所述液晶结构施加预设规律的电压形成所述电场，在所述装置应用于激光雷达对待测物面进行扫描测量时，所述液晶结构的折射率在所述电场的作用下发生改变，以便改变所述光斑在所述被测物面上的位置，所述光斑在所述被测物面上的位置的集合作为所述激光雷达在所述被测物面上的扫描区域。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设规律通过所述电压与时刻的对应关系体现，针对扫描测量过程中的任意时刻，对所述液晶结构施加电压得到的反射后的激光束相对于未施加电压得到的反射后的激光束偏转第一偏转角，所述装置还包括放大光学结构：

所述放大光学结构用于接收所述反射后的激光束，扩大所述第一偏转角。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括准直扩束结构：

所述准直扩束结构，用于在所述光源发射的激光束经过所述液晶结构之前，对所述激光束进行扩束，使得被测物面上光斑的大小满足预设条件。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源包括至少一个激光器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，若所述光源包括多个激光器，所述多个激光器按照预定顺序依次发出激光束。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液晶结构为液晶空间光调制器。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，若所述光源包括多个激光器，所述多个激光器同时发出激光束，所述液晶空间光调制器还用于对所述多个激光器同时发出的激光束进行耦合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括偏振器：

所述光源发射的激光束经过所述偏振器得到偏振光束，则所述液晶结构接收到的激光束为偏振光束。

9.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括权利要求1-8任一项所述的扫描装置，还包括：发射光学结构、接收光学结构和探测器；

所述发射光学结构，用于接收所述扫描装置出射的激光束，并将所述激光束透射到被测物面上；

所述接收光学结构，用于接收所述被测物面反射的所述激光束，并将所述激光束透射到所述探测器上，在所述探测器上成像。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，若所述扫描装置在所述被测物面上形成的光斑满足预设条件，则所述探测器为面阵探测器。

11.根据权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，所述面阵探测器为面阵电荷耦合元件。