CN109343029A - 一种激光雷达光学系统及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达光学系统及扫描方法，该激光雷达光学系统包括发射单元、第一反射单元、第二反射单元和接收单元；发射单元、第一反射单元、第二反射单元和接收单元沿光线传播路径依次排列；发射单元用于发出激光光束；发射单元和接收单元的相对位置固定；第一反射单元包括第一反射面，第一反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使激光光束完成在第一方向的扫描；第二发射单元包括第二反射面，第二反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使激光光束完成在第二方向的扫描；其中，第一方向和第二方向交叉。本发明提供的激光雷达光学系统可以实现扩大扫瞄区域，简化处理电路的目的。

Description

一种激光雷达光学系统及扫描方法

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光雷达光学系统及扫描方法。

背景技术

激光雷达具有分辨率高，抗干扰能力强，可三维成像等特点，适用于多种使用环境。

目前，最常用的激光雷达包括单线激光雷达光学系统和多线激光雷达光学系统，其中，单线激光雷达光学系统是对半导体激光器或光纤激光器发出的激光进行准直后发出，通过电机旋转带动发射、接收光学系统对周围环镜进行扫瞄，其缺陷是单光束扫瞄，扫瞄区域太小；多线激光雷达光学系统是利用大靶面的长焦发射准直光学系统将按照一定空间位置布局的同一种激光发生器出射的激光准直发射出去，通过电机旋转对周围环境进行扫瞄，长焦大靶面接收光学系统将被照射物返回来的光线聚焦在相对应的光电感应器上，此种光学系统能将多个阵列的光束发射出去和接收回来，对周围环镜一定区域进行扫瞄，其缺陷是所需激光发生器太多，接收感应器也相应的多，处理电路比较复杂。

发明内容

本发明提供一种激光雷达光学系统及扫描方法，以实现扩大扫瞄区域，简化处理电路的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种激光雷达光学系统，包括发射单元、第一反射单元、第二反射单元和接收单元；

所述发射单元、所述第一反射单元、所述第二反射单元和所述接收单元沿光线传播路径依次排列；

所述发射单元，用于发出激光光束；

所述发射单元和所述接收单元的相对位置固定；

所述第一反射单元包括第一反射面，所述第一反射面与所述发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第一方向的扫描；

所述第二发射单元包括第二反射面，所述第二反射面与所述发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第二方向的扫描；

其中，所述第一方向和所述第二方向交叉。

进一步的，所述第一方向与所述第二方向垂直。

进一步的，所述第一反射单元和/或所述第二反射单元为旋转棱镜；

所述旋转棱镜的形状为直棱柱；

所述直棱柱中至少一个侧面设置有反射镜；

令经过所述直棱柱的底面的几何中心且与所述直棱柱的侧棱平行的直线为轴线；所述旋转棱镜可绕所述轴线转动。

进一步的，所述第一反射单元和/或所述第二反射单元为MEMS微振镜；

所述MEMS微振镜包括反射镜和微机电控制系统；

所述微机电控制系统与所述反射镜固定连接，所述反射镜可在微机电控制系统的控制下发生相对运动。

进一步的，所述发射单元包括激光器，所述激光器包括半导体激光器、单波长光纤激光器或多波长光纤激光器。

进一步的，所述激光雷达光学系统，还包括：至少一个第三反射单元；

所述反射单元设置于所述发射单元和所述第一反射单元之间的光线传播的路径上。

进一步的，所述激光雷达光学系统，还包括：准直单元；

所述准直单元设置于所述发射单元和所述第一反射单元之间的光线传播的路径上。

第二方面，本发明实施例还提供了一种激光雷达扫描方法，所述激光雷达扫描方法基于第一方面的激光雷达光学系统实现；

所述激光雷达扫描方法包括：

开启所述发射单元，以形成激光光束；

调整所述第一反射单元的所述第一反射面与所述发射单元的相对位置关系，完成第一方向的扫描；

调整所述第二反射单元的所述第二反射面与所述发射单元的相对位置关系，完成第二方向的扫描。

本发明通过发射单元发出激光光束，第一反射单元中的第一反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第一方向的扫描，第二反射单元中的第二反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第二方向的扫描，解决了单线激光雷达光学系统的扫瞄区域太小，多线激光雷达光学系统的处理电路比较复杂的问题，达到了扩大扫描区域，简化处理电路的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光雷达光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种激光雷达光学系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种激光雷达扫描方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达光学系统的结构示意图，激光雷达光学系统包括发射单元1、第一反射单元2、第二反射单元3和接收单元4；发射单元1、第一反射单元2、第二反射单元3和接收单元4沿光线传播路径依次排列；发射单元1，用于发出激光光束；发射单元1和接收单元4的相对位置固定；第一反射单元2包括第一反射面，第一反射面与发射单元1的相对位置关系可变，以使激光光束完成在第一方向的扫描；第二反射单元3包括第二反射面，第二反射面与发射单元1的相对位置关系可变，以使激光光束完成在第二方向的扫描；其中，第一方向和第二方向交叉。

当激光光束由发射单元1出射后，依次经过第一反射单元2和第二反射单元3，最后反射到接收单元4后，促使接收单元4内产生电流，进而完成扫描。

本实施例的技术方案，通过发射单元发出激光光束，第一反射单元中的第一反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第一方向的扫描，第二反射单元中的第二反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第二方向的扫描，解决了单线激光雷达光学系统的扫瞄区域小，多线激光雷达光学系统因发射单元和接收单元数目众多，处理电路比较复杂的问题，达到了扫描区域大的效果，且减小了发射单元和接收单元的使用数量，简化处理电路。

可选的，该激光雷达光学系统还包括电机5和电极6，电机5与第一反射单元2相连，以带动第一反射单元2运动，使第一反射单元2的第一反射面与发射单元1的相对位置关系变化；电机6与第二反射单元3相连，以带动第二反射单元3运动，使第二反射单元3的第二反射面与发射单元1的相对位置关系变化。本技术方案通过电机控制第一反射单元2和第二反射单元3的旋转速度，使激光光束扫描速度均匀，且周期性稳定，方便对扫瞄区域进行采样。

另外，上述技术方案，只需电机控制第一反射单元2和第二反射单元3运动，发射单元、接收单元及相关的处理电路无需运动，所以只需对电机进行供电即可，较其它雷达在电路传电处理系统上简单，且稳定性要好。

可选地，发射单元1可以发出一束或多束激光光束。若发射单元1发出多束激光光束，多束激光的波长可以相同，也可以不同。可选地，多束激光成一定角度分布，这样接收单元能将不同角度发射的光束按其角度分布接收回来，各光束接收回来后的聚焦点会有序排列，互不影响。

在上述技术方案的基础上，可选的，第一方向与第二方向垂直。示例性的，参见图1，设置第一反射单元2在垂直方向(即图1中的Y方向)旋转，第二反射单元3在水平方向(即图1中的X方向)旋转，实现在竖直及水平方向一定角度周期性的扫描。可选地，还可以设置第一反射单元2在水平方向旋转，第二反射单元3在垂直方向旋转，实现在竖直及水平方向一定角度周期性的扫描。

在上述技术方案中，第一反射单元和第二反射单元的设置方案有多种，可选的，第一反射单元和/或第二反射单元为旋转棱镜；旋转棱镜的形状为直棱柱；直棱柱中至少一个侧面设置有反射镜；令经过直棱柱的底面的几何中心且与直棱柱的侧棱平行的直线为轴线；所述旋转棱镜可绕所述轴线转动。或者，第一反射单元和/或第二反射单元为MEMS微振镜；MEMS微振镜包括反射镜和微机电控制系统；微机电控制系统与反射镜固定连接，反射镜可在微机电控制系统的控制下发生相对运动。

下面就典型示例进行详细说明，但不构成对本申请的限制。

继续参见图1，图1中的第一反射单元和第二反射单元均为旋转棱镜，第一反射单元2对应的旋转棱镜为第一旋转棱镜，第一旋转棱镜为十二棱柱，十二棱柱中至少一个侧面设置有反射镜，此反射镜作为第一反射面，第二反射单元3对应的旋转棱镜为第二旋转棱镜，第一旋转棱镜为五棱柱，五棱柱中至少一个侧面设置有反射镜，此反射镜作为第二反射面，且第一旋转棱镜和第二旋转棱镜互成90°放置。令经过第一旋转棱镜的底面的几何中心且与第一旋转棱镜的侧棱平行的直线为第一轴线，经过第二旋转棱镜的底面的几何中心且与第二旋转棱镜的侧棱平行的直线为第二轴线，其中，第一旋转棱镜可绕第一轴线转动，第二旋转棱镜可绕第二轴线转动。接收单元4的接收镜头的中轴线(即光轴)位于第一旋转棱镜的十二个侧面的中垂面内，且垂直于第一轴线。

发射单元1发出激光光束，照射到第一旋转棱镜的第一反射面上，经第一反射面反射后入射到第二反射面上，在经第二反射面反射后被接收单元接收。在这个过程中，电机5带动第一旋转棱镜绕第一轴线转动，进而在第一方向形成一定的扫描角度，实现第一方向的扫描，电机6带动第二旋转棱镜绕第二轴线转动，进而在第二方向形成一定的扫描角度，实现第二方向的扫描。

图2为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学系统的结构示意图，参见图2，第一反射单元2为MEMS微振镜，第二反射单元3为旋转棱镜，发射单元1发出激光光束，照射到第一旋转棱镜的第一反射面上，经第一反射面反射后入射到第二反射面上，在经第二反射面反射后被接收单元接收。在这个过程中，MEMS微振镜通过内部电磁作用下旋转反射镜7，进而在第一方向形成一定的扫描角度，实现第一方向的扫描，电机6带动旋转棱镜转动，进而在第二方向形成一定的扫描角度，实现第二方向的扫描。

在上述技术方案的基础上，可选的，发射单元1包括激光器，激光器包括半导体激光器、单波长光纤激光器或多波长光纤激光器。

其中，发射单元1包括多波长光纤激光器，多波长光纤激光器可以分时发射不同波长的激光光束，此多波长激光通过一个激光器发射，使不同波长的激光光束分时分角度发射出来，增加了激光雷达的测量点数，即增加了角度分辨率。

在上述技术方案的基础上，可选的，激光雷达光学系统还包括：至少一个第三反射单元8；

第三反射单元8设置于发射单元1和第一反射单元2之间的光线传播的路径上。

其中，发射单元1发射的激光光束发射至第三反射单元8，并通过第三反射单元8反射到第一反射单元2的第一反射面上，改变了激光光束的传播方向。

在上述技术方案的基础上，可选的，激光雷达光学系统还包括：准直单元9；准直单元9设置于发射单元1和第一反射单元2之间的光线传播的路径上。

其中，发射单元1发出的激光光束为发散的光束，准直单元9用于将发射单元1发出的激光光束准直，同时控制激光光束光斑的大小，示例性的，准直单元9可以使发射单元1发出的激光光束在100米处的光斑直径小于200mm。准直单元9将由发射单元1发出的发散的光束进行准直，将激光光束聚集到一起，使激光光束能量集中，形成平行光束后照射到第一反射单元2的第一反射面上，进而提高由发射单元1发出的激光光束的信号的强度，从而可以实现远距离的激光扫描，使用方便，且成本不高。

图3为本发明实施例提供的一种激光雷达扫描方法的流程图，该激光雷达扫描方法基于上述实施例任意一种激光雷达光学系统实现；

激光雷达扫描方法包括：

S110、开启发射单元，以形成激光光束；

S120、调整第一反射单元的第一反射面与发射单元的相对位置关系，完成第一方向的扫描；

S130、调整第二反射单元的第二反射面与发射单元的相对位置关系，完成第二方向的扫描。

本实施例的技术方案，通过发射单元发出激光光束，第一反射单元中的第一反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第一方向的扫描，第二反射单元中的第二反射面与发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第二方向的扫描，解决了单线激光雷达光学系统的扫瞄区域太小，多线激光雷达光学系统的处理电路比较复杂的问题，达到了扫描区域大的效果，且减小了发射单元和接收单元的使用数量，简化处理电路的目的。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种激光雷达光学系统，其特征在于，包括发射单元、第一反射单元、第二反射单元和接收单元；

所述发射单元、所述第一反射单元、所述第二反射单元和所述接收单元沿光线传播路径依次排列；

所述发射单元，用于发出激光光束；

所述发射单元和所述接收单元的相对位置固定；

所述第一反射单元包括第一反射面，所述第一反射面与所述发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第一方向的扫描；

所述第二发射单元包括第二反射面，所述第二反射面与所述发射单元的相对位置关系可变，以使所述激光光束完成在第二方向的扫描；

其中，所述第一方向和所述第二方向交叉。

2.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直。

3.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述第一反射单元和/或所述第二反射单元为旋转棱镜；

所述旋转棱镜的形状为直棱柱；

所述直棱柱中至少一个侧面设置有反射镜；

令经过所述直棱柱的底面的几何中心且与所述直棱柱的侧棱平行的直线为轴线；所述旋转棱镜可绕所述轴线转动。

4.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述第一反射单元和/或所述第二反射单元为MEMS微振镜；

所述MEMS微振镜包括反射镜和微机电控制系统；

所述微机电控制系统与所述反射镜固定连接，所述反射镜可在微机电控制系统的控制下发生相对运动。

5.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，所述发射单元包括激光器，所述激光器包括半导体激光器、单波长光纤激光器或多波长光纤激光器。

6.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，还包括：至少一个第三反射单元；

所述第三反射单元设置于所述发射单元和所述第一反射单元之间的光线传播的路径上。

7.根据权利要求1所述的激光雷达光学系统，其特征在于，还包括：准直单元；

所述准直单元设置于所述发射单元和所述第一反射单元之间的光线传播的路径上。

8.一种激光雷达扫描方法，其特征在于，所述激光雷达扫描方法基于权利要求1-7中任一项所述的激光雷达光学系统实现；

所述激光雷达扫描方法包括：

开启所述发射单元，以形成激光光束；

调整所述第一反射单元的所述第一反射面与所述发射单元的相对位置关系，完成第一方向的扫描；

调整所述第二反射单元的所述第二反射面与所述发射单元的相对位置关系，完成第二方向的扫描。