CN109814088B - 一种大视场接收装置及大视场接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大视场接收装置及方法，装置包括光束汇聚单元和光束接收单元；其中，光束汇聚单元接收待测物平面的漫反射光束，将漫反射光束汇聚后传输给光束接收单元；光束接收单元包括按照预设方式设置的至少两个光电探测器，其中，光电探测器的光敏面与光束汇聚单元对应设置。光束接收单元通过至少两个光电探测器的光敏面探测从光束汇聚单元传输的光信号，实现分视场接收。由于采用至少两个光电探测器作为光束接收单元实现分视场接收，可在不增大单个光电探测器光敏面尺寸的情况下实现大视场接收，可获取更多待测物平面的细节信息，稳定性好，抗干扰性强，解决了定制光电探测器的信号干扰等问题，简化接收光学系统，降低成本，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，更具体地，涉及一种大视场接收装置及大视场接收方法。
背景技术
伴随着社会科技的发展，激光雷达技术已广泛应用到社会各个领域。特别是近年来，无人驾驶已成为未来最值得期待的汽车行业之一。激光雷达技术作为无人驾驶汽车的关键技术，成为目前无人驾驶环境感测最有效方案。在利用激光雷达进行探测时需要发出多条线束光对待测物视场进行扫描，以获取被测物信息。为获取待测物的更多细节信息，往往需要不断增加扫描角度及线束，对应的接收端需要对大视场区域进行信号接收。
但目前接收大视场的技术方案常采用定制的大光敏面光电探测器，随着光敏面的增大，其造价昂贵，并且探测器整体性能受到外加环境光干扰大，其自身的暗电流及系统噪声无法抑制；也有采用复杂的光学镜组设计实现大视场接收的技术方案，但其系统复杂并且不易实现。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的大视场接收装置及大视场接收方法。
第一方面，本发明提供一种大视场接收装置，包括：光束汇聚单元和光束接收单元；
所述光束汇聚单元，用于接收待测物平面的漫反射光束，将所述漫反射光束汇聚后传输给所述光束接收单元；所述光束接收单元包括按照预设方式设置的至少两个光电探测所述光电探测器的光敏面与所述光束汇聚单元对应设置，用于通过光敏面探测所述光束汇聚单元传输的光信号，实现分视场接收。
优选的，还包括：信号控制及处理单元和微位移单元；
所述信号控制及处理单元与所述微位移单元连接，所述微位移单元与所述至少两个光电探测器连接；
所述至少两个光电探测器，用于将接收到的光信号进行光电转化成电信号，并发送给所述信号控制及处理单元；
所述信号控制及处理单元，用于在接收到所述电信号时，向所述微位移单元发送移动驱动信号；
所述微位移单元，用于根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
优选的，所述微位移单元包括：微位移驱动器和压电陶瓷；
所述微位移驱动器连接所述信号控制及处理单元，用于接收所述信号控制及处理单元发送的移动驱动信号；
所述微位移驱动器连接所述压电陶瓷，用于根据所述移动驱动信号驱动所述压电陶瓷移动；
所述压电陶瓷连接所述光电探测器，用于带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
优选的，所述光束汇聚单元与所述光束接收单元的主光轴重合。
优选的，所述光束接收单元包括位于所述光束接收单元的主光轴上的第一光电探测器组和位于所述第一光电探测器组两侧的第二光电探测器组，所述第二光电探测器组的每个光电探测器上安装一个所述压电陶瓷。
优选的，所述光束接收单元的至少两个光电探测器呈等间距矩阵形式排列或阵列封装。
第二方面，本发明还提供一种基于所述的大视场接收装置的大视场接收方法，包括：
所述光束汇聚单元接收待测物平面的漫反射光束，将所述漫反射光束汇聚后传输给所述光束接收单元；
所述光束接收单元的至少两个光电探测器通过光敏面探测所述光束汇聚单元传输的光信号，实现分视场接收。
优选的，所述方法还包括：
所述至少两个光电探测器将接收到的光信号进行光电转化成电信号，并发送给信号控制及处理单元；
所述信号控制及处理单元在接收到所述电信号时，向微位移单元发送移动驱动信号；
所述微位移单元根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
优选的，所述方法还包括：
所述信号控制及处理单元在所述光电探测器位移量等于所述间隙的大小时，向微位移单元发送复位驱动信号；
所述微位移单元根据所述复位驱动信号带动所述光电探测器移动，以复位。
优选的，若所述微位移单元包括微位移驱动器和压电陶瓷，则，所述微位移单元根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号，包括：
所述微位移驱动器接收所述信号控制及处理单元发送的移动驱动信号；
所述微位移驱动器根据所述移动驱动信号驱动所述压电陶瓷移动；
每个所述压电陶瓷带动所述与该压电陶瓷连接的光电探测器向相邻光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
由上述技术方案可知，本发明由于采用至少两个光电探测器作为光束接收单元实现分视场接收，因此，可以在不增大单个光电探测器光敏面尺寸的情况下实现大视场接收，配合发射系统可获取更多待测物平面的细节信息，稳定性好，抗干扰性强，解决了定制光电探测器的信号干扰等问题，而且能够简化接收光学系统，有效降低成本，易于实现。
附图说明
图1为本发明一实施例的大视场接收装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的大视场接收装置的原理框图；
图3为本发明另一实施例的大视场接收装置的结构示意图；
图4为与图1对应的微位移单元驱动光电探测器消除视场盲区的结构示意图；
图5为与图3对应的微位移单元的结构示意图；
图6为与图5对应的微位移单元驱动光电探测器消除视场盲区的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的大视场接收方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一实施例的大视场接收装置的结构示意图。
如图1所示的一种大视场接收装置，包括：光束汇聚单元102和光束接收单元103；所述光束汇聚单元102，用于接收待测物平面101的漫反射光束；所述光束接收单元103包括按照预设方式设置的至少两个光电探测器，所述光电探测器的光敏面与所述光束汇聚单元102对应设置，用于通过光敏面探测所述光束汇聚单元102传输的光信号，实现分视场接收。图1中光束接收单元103包括三个光电探测器，分别为光电探测器a、b和c，三个光电探测器a、b和c的光敏面与所述光束汇聚单元102对应设置。
值得说明的是，所述至少两个光电探测器的光敏面尺寸相同，所述光电探测器的光敏面尺寸的大小可由待测物平面101的具体视场位置范围决定。所述光束汇聚单元102由2～3片透镜或场镜组成。
本实施例由于采用至少两个光电探测器作为光束接收单元实现分视场接收，因此，可以在不增大单个光电探测器光敏面的情况下实现大视场接收，配合发射系统可获取更多待测物平面的细节信息，稳定性好，抗干扰性强，解决了定制光电探测器的信号干扰等问题，而且能够简化接收光学系统，有效降低成本，易于实现。
采用多个光电探测器作为光束接收单元时，由于相邻两个光电探测器间存在间隙，会导致待测物平面视场范围的部分视场的光信号无法被接收到，产生视场盲区，其大小满足：
上式中，L为待测物平面视场盲区距离；p为相邻两个光电探测器的间距(相邻两个光电探测器的间隙的大小)；h为待测物平面到光束接收单元的距离(探测距离)；f为光束接收单元的整体焦距。
图1中光电探测器1033和1034之间的间隙以及光电探测器1034和1035之间的间隙会产生视场盲区301和视场盲区302，以100m外的待测物为例分析，相邻两个光电探测器的间隔为0.1mm，以光束接收单元的组合焦距为15mm，那么在待测物面形成的盲区宽度L可通过相似三角形进行计算：
L＝0.67m
可见，在100m外的待测物，会有0.67m的待测物平面的信息无法被接收而丢失。这样会接收视场的信息不够全面，无法真实反映待测物平面的实际信息。
基于上述原因，如图2所示，作为一种优选实施例，还包括：信号控制及处理单元105和微位移单元104；所述信号控制及处理单元105与所述微位移单元104连接，所述微位移单元104与所述至少两个光电探测器连接；所述至少两个光电探测器，用于将接收到的光信号进行光电转换转换成电信号，并发送给所述信号控制及处理单元105；所述信号控制及处理单元105，用于在接收到所述电信号时，向所述微位移单元104发送移动驱动信号；所述微位移单元104，用于根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
可以理解的是，此处的所述微位移单元104，用于根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动在具体实现时，均向靠近光束接收装置的主光轴方向的间隙移动。
微位移单元的位移量和外加驱动力的关系为：
微位移单元产生位移量为x，外加驱动作用力与位移量呈现线性关系：
上述公式中，x为位移量，dt为应变系数，为外加驱动力；并且位移片产生的位移量x满足：x＝p。
设光束接收单元共有n(n≥2)个光敏面尺寸相同的光电探测器，每个光敏面的尺寸为d，共产生了(n-1)个视场盲区，相邻两个光电探测器间距为p；此时满足每个光敏面的尺寸d不小于相邻两个光电探测器的间距p：即d≥p；可由光电探测器整体接收的视场范围(光束接收单元接收的视场范围)W和光束接收单元的整体焦距f决定，其关系满足：
本实施例由于可以带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，可以接收视视场盲区区域内的光信号，解决了多个光电探测器接收存在的视场盲区的问题，且结构简单。
如图3所示，作为一种优选实施例，所述微位移单元104包括：微位移驱动器2041和压电陶瓷，压电陶瓷分别为1041-1046；所述微位移驱动器2041连接所述信号控制及处理单元105，用于接收所述信号控制及处理单元105发送的移动驱动信号；所述微位移驱动器2041连接所述压电陶瓷1041-1046，用于根据所述移动驱动信号驱动所述压电陶瓷1041-1046移动；所述压电陶瓷1041-1046连接所述光电探测器1031-1037，用于带动所述光电探测器1031-1033以及1035-1037向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
值得说明的是，图3所示的实施例为光束汇聚单元和光束接收单元的主光轴重合的结构，光电探测器1034位于主光轴上，因此，保持光电探测器1034不动，位置保持不变，只用使光电探测器1031-1033和1035-1037向光电探测器1034移动即可。
本实施例中压电陶瓷敏感性好，它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽,而且体积小、不吸潮、寿命长,可以提高抗干扰性。
本实施例是以电场力作为驱动力来控制光电探测器产生位移的，事实上，任何一种能够利用能量转化效应将其它形式的能量转化为机械能的物体均可替代本发明的压电陶瓷，如可采用可将磁场力转换为机械能的物体或装置，本发明不再一一列举。
如图4-图6所示，作为一种优选实施例，所述光束汇聚单元102与所述光束接收单元103的主光轴201重合。本实施例光束接收单元便于探测光束汇聚单元接收到的漫反射光束。基于上述实施例，所述光束接收单元103包括位于所述光束接收单元的主光轴201上的第一光电探测器组和位于所述第一光电探测器组两侧的第二光电探测器组，所述第二光电探测器组的每个光电探测器上安装一个所述压电陶瓷。基于上述实施例，所述光束接收单元103的至少两个光电探测器呈等间距矩阵形式排列或阵列封装。
图4为本发明一实施例中微位移单元驱动光电探测器消除视场盲区的结构示意图，包括光电探测器1033～1035和压电陶瓷1033～1034为例，此时，光电探测器1034在所述主光轴201上，微位移驱动器2041可以驱动压电陶瓷以任意频率向特定方向产生位移，此时带动光电探测器1033和光电探测器1035向间隙方向移动，光电探测器1034的位置保持不变，此时可以接收到间隙里被湮没的光信号，被信号控制与处理单元105接收并进行信号处理。
进一步地，由图5和图6可以看出,光电探测器1034为中心位置探测器，压电陶瓷1041～1043带动光电探测器1031～1033向中心(向下)移动，压电陶瓷1044～1046带动光电探测器1035～1037向中心(向上)位置移动，进而可以接收到相邻光电探测器的间隙引起的盲区，实现全视场扫描。并且压电陶瓷的驱动频率大于发射驱动频率。
图4-图6所示的实施例无需在每个光电探测器上安装压电陶瓷，节省了压电陶瓷的用量，简化了结构，降低了成本，且控制简单。
值得说明的是，上述信号控制及处理单元、微位移驱动器均可采用能实现上述功能的电子器件或电子电路实现，本发明对此不再详述。
图7为本发明一实施例提供的大视场接收方法的流程图。
如图7所示的一种基于所述的大视场接收装置的大视场接收方法，包括：
S701、所述光束汇聚单元接收待测物平面的漫反射光束，将所述漫反射光束汇聚后传输给所述光束接收单元；
S702、所述光束接收单元的至少两个光电探测器通过光敏面探测所述光束汇聚单元传输的光信号，实现分视场接收。
本实施例由于采用至少两个光电探测器作为光束接收单元实现分视场接收，因此，可以在不增大单个光电探测器光敏面尺寸的情况下实现大视场接收，配合发射系统可获取更多待测物平面的细节信息，稳定性好，抗干扰性强，解决了定制光电探测器的信号干扰等问题，而且能够简化接收光学系统，有效降低成本，易于实现。
根据上述大视场接收装置部分的介绍可知，采用多个光电探测器作为光束接收单元时，由于相邻两个光电探测器间存在间隙，会导致待测物平面视场范围的部分视场的光信号无法被接收到，产生视场盲区，因此，作为一种优选实施例，所述方法还包括：所述至少两个光电探测器将接收到的光信号进行光电转化成电信号，并发送给信号控制及处理单元；所述信号控制及处理单元在接收到所述电信号时，向微位移单元发送移动驱动信号；所述微位移单元根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
本实施例由于可以带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，可以接收视视场盲区区域内的光信号，解决了多个光电探测器接收存在的视场盲区的问题，且结构简单。
作为一种优选实施例，所述方法还包括：所述信号控制及处理单元在所述光电探测器位移量等于所述间隙的大小时，向微位移单元发送复位驱动信号；所述微位移单元根据所述复位驱动信号带动所述光电探测器移动，以复位。
本实施例保证移动过的光电探测器可以复位，以便下次使用。
作为一种优选实施例，若所述微位移单元包括微位移驱动器和压电陶瓷，则，所述微位移单元根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视觉盲区区域内的光信号，包括：所述微位移驱动器接收所述信号控制及处理单元发送的移动驱动信号；所述微位移驱动器根据所述移动驱动信号驱动所述压电陶瓷移动；每个所述压电陶瓷带动所述与该压电陶瓷连接的光电探测器向相邻光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
本实施例中压电陶瓷敏感性好，它频率稳定性好,精度高及适用频率范围宽,而且体积小、不吸潮、寿命长,可以提高抗干扰性。
应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种大视场接收装置，其特征在于，包括：光束汇聚单元、光束接收单元、信号控制及处理单元和微位移单元；
所述光束汇聚单元，用于接收待测物平面的漫反射光束，将所述漫反射光束汇聚后传输给所述光束接收单元；
所述光束接收单元包括按照预设方式设置的至少两个光电探测器，所述光电探测器的光敏面与所述光束汇聚单元对应设置，用于通过光敏面探测所述光束汇聚单元传输的光信号，实现分视场接收；所述至少两个光电探测器的光敏面尺寸相同；
所述信号控制及处理单元与所述微位移单元连接，所述微位移单元与所述至少两个光电探测器连接；
所述至少两个光电探测器，用于将接收到的光信号进行光电转化成电信号，并发送给所述信号控制及处理单元；
所述信号控制及处理单元，用于在接收到所述电信号时，向所述微位移单元发送移动驱动信号；
所述微位移单元，用于根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
2.根据权利要求1所述的大视场接收装置，其特征在于，所述微位移单元包括：微位移驱动器和压电陶瓷；
所述微位移驱动器连接所述信号控制及处理单元，用于接收所述信号控制及处理单元发送的移动驱动信号；
所述微位移驱动器连接所述压电陶瓷，用于根据所述移动驱动信号驱动所述压电陶瓷移动；
所述压电陶瓷连接所述光电探测器，用于带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
3.根据权利要求1所述的大视场接收装置，其特征在于，所述光束汇聚单元与所述光束接收单元的主光轴重合。
4.根据权利要求3所述的大视场接收装置，其特征在于，所述光束接收单元包括位于所述光束接收单元的主光轴上的第一光电探测器组和位于所述第一光电探测器组两侧的第二光电探测器组，所述第二光电探测器组的每个光电探测器上安装一个压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的大视场接收装置，其特征在于，所述光束接收单元的至少两个光电探测器呈等间距矩阵形式排列或阵列封装。
6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的大视场接收装置的大视场接收方法，其特征在于，包括：
所述光束汇聚单元接收待测物平面的漫反射光束，将所述漫反射光束汇聚后传输给所述光束接收单元；
所述光束接收单元的至少两个光电探测器通过光敏面探测所述光束汇聚单元传输的光信号，实现分视场接收；所述至少两个光电探测器的光敏面尺寸相同；
所述至少两个光电探测器将接收到的光信号进行光电转化成电信号，并发送给所述信号控制及处理单元；
所述信号控制及处理单元在接收到所述电信号时，向所述微位移单元发送移动驱动信号；
所述微位移单元根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述信号控制及处理单元在所述光电探测器位移量等于所述间隙的大小时，向所述微位移单元发送复位驱动信号；
所述微位移单元根据所述复位驱动信号带动所述光电探测器移动，以复位。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若所述微位移单元包括微位移驱动器和压电陶瓷，则，所述微位移单元根据所述移动驱动信号带动所述光电探测器向相邻两个光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号，包括：
所述微位移驱动器接收所述信号控制及处理单元发送的移动驱动信号；
所述微位移驱动器根据所述移动驱动信号驱动所述压电陶瓷移动；
每个所述压电陶瓷带动与该压电陶瓷连接的光电探测器向相邻光电探测器的间隙移动，以接收视场盲区区域内的光信号。
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