CN109828254B - 基于多视场合束镜的激光雷达光学装置及激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多视场合束镜的激光雷达光学装置及激光雷达系统，所述装置包括前镜组、多视场合束镜、矫正镜组和光电探测器；前镜组用于将经由被测物反射的不同视场的光导入多视场合束镜；多视场合束镜用于将前镜组汇聚的不同视场的反射光汇入矫正镜组；矫正镜组用于将不同视场的反射光矫正像差后汇聚于光电探测器；光电探测器用于将光信号转化为电信号。本发明相比于现有大视场激光雷达光学装置，使用了多视场合束镜，将较大探测区域分视场接收，降低了系统设计难度，提高了系统探测能力，减小了原器件数量，降低了成本，缩小了尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于多视场合束镜的激光雷达光学装置及激光雷达系统。
背景技术
随着无人驾驶、高精地图测绘、辅助驾驶、机器人视觉技术的不断发展，测距能力强、大扫描视场、小体积、低成本的激光雷达的需求不断增加，对光学系统设计领域和相关配合领域，如半导体工艺，信号处理领域，精密加工等领域都提出了新的要求和挑战。激光雷达对于其核心光学系统的设计成本、实现成本、系统稳定性、空间尺寸及核心光电器件成本都提出了严格的要求。系统稳定性高度会影响到使用安全，体积过于庞大不利于集成使用，成本过高也不利于激光雷达的民用化推广。降低光学系统的设计难度，采用通用光电探测器在一定程度上能够提高系统稳定性，减小空间尺寸，同时也能够降低激光雷达的成本。
然而，目前常用的大视场光学雷达系统在保证空间尺寸的同时不能够兼顾简化光学系统设计，并通常会使用特殊的光电传感器，这些因素会导致系统稳定性降低，同时增加了激光雷达的成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于多视场合束镜的激光雷达光学装置及激光雷达系统，本发明在保证测距能力的同时简化了大视场光学系统的设计，并通过使用通用的光电探测器降低激光雷达系统的成本。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，包括激光发射单元、扫描单元和控制单元，还包括：前镜组、多视场合束镜、矫正镜组和光电探测器；
所述激光发射单元，用于发射整形后的调制激光光束；
所述扫描单元，用于将所述激光发射单元发射的激光光束进行偏转，实现对被测物的扫描；
所述控制单元，用于控制所述扫描单元的扫描形态，使所述扫描单元能够在一维或二维方向完成对发射光束的偏转；
所述前镜组，用于将经由所述被测物反射的不同视场的光导入所述多视场合束镜；
所述多视场合束镜，用于将所述前镜组汇聚的不同视场的反射光汇入所述矫正镜组；
所述矫正镜组，用于将不同视场的反射光矫正像差后汇聚于所述光电探测器；
所述光电探测器，用于将所述矫正镜组汇聚的光信号转化为电信号。
进一步地，所述前镜组至少包括两组汇聚镜组，不同汇聚镜组主光轴之间成预设角度，不同汇聚镜组用于接收不同视场方向上被测物反射的反射光束，并将反射光束导入所述多视场合束镜。
进一步地，所述汇聚镜组至少包括一片自由曲面透镜或球面镜，用于将经由所述被测物反射的光导入所述多视场合束镜。
进一步地，所述多视场合束镜至少包括两条合束路径，通过反射原理将所述前镜组汇聚的不同视场的反射光进行合束。
进一步地，所述矫正镜组至少包括一片自由曲面透镜或球面镜，用于将所述多视场合束镜导入的不同视场的反射光矫正像差后汇聚于所述光电探测器。
进一步地，所述前镜组、所述多视场合束镜以及所述矫正镜组由对近红外透过率高于90％的材料加工而成。
第二方面，本发明还提供了一种激光雷达系统，包括如上面所述的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置。
进一步地，所述扫描单元为MEMS振镜扫描单元；所述MEMS振镜扫描单元用于利用MEMS振镜的谐振对所述激光发射单元发射的激光光束进行偏转，实现对被测物的扫描。
由上述技术方案可知，本发明提供的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，通过前镜组将经由被测物反射的不同视场的光导入所述多视场合束镜，再由多视场合束镜利用反射原理将不同视场的反射光导入矫正镜组，最后经由矫正镜组将不同视场的反射光矫正像差后汇聚于单个光电探测器。相比于通常大视场激光雷达光学装置，该装置中使用了多视场合束镜，将较大探测区域分视场接收，降低了光学系统设计难度，提高了系统的探测能力，减小了原器件数量，降低了成本，缩小了尺寸。可见，本发明在保证测距能力的同时简化了大视场光学系统的设计，并通过使用通用的光电探测器降低了激光雷达系统的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置的结构示意图；
其中，图中各标号含义如下：
101表示激光发射单元；102表示发射光束；103表示扫描单元；104表示控制单元；105表示被测物；106表示反射光束；107表示前镜组；108表示汇聚镜组；109表示多视场合束镜；1010表示矫正镜组；1011表示光电探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，参见图1，包括：激光发射单元101、扫描单元103和控制单元104，还包括：前镜组107、多视场合束镜109、矫正镜组1010和光电探测器1011；
所述激光发射单元101，用于发射整形后的调制激光光束(参见图1中的102)；
所述扫描单元103，用于将所述激光发射单元101发射的激光光束进行偏转，实现对被测物105的扫描；
所述控制单元104，用于控制所述扫描单元103的扫描形态，使所述扫描单元103能够在一维或二维方向完成对发射光束的偏转；
所述前镜组107，用于将经由所述被测物105反射的不同视场的光(参见图1中的106)导入所述多视场合束镜109；
所述多视场合束镜109，用于将所述前镜组107汇聚的不同视场的反射光汇入所述矫正镜组1010；可以理解的是，所述多视场合束镜109至少包括两条合束路径，通过反射原理将所述前镜组107汇聚的不同视场的反射光进行合束；
所述矫正镜组1010，用于将不同视场的反射光矫正像差后汇聚于所述光电探测器1011；
所述光电探测器1011，用于将所述矫正镜组1010汇聚的光信号转化为电信号。
可以理解的是，所述矫正镜组1010主光轴位于多视场合束镜109的中心轴；所述光电探测器1011位于矫正镜组1010焦平面上，且其中心轴与矫正镜组1010主光轴重合。
可以理解的是，上述扫描单元103优选采用MEMS振镜扫描单元实现，所述MEMS振镜扫描单元用于在所述控制单元104的控制下利用MEMS振镜的谐振对所述激光发射单元101发射的激光光束进行偏转，实现对被测物的扫描。可以理解的是，关于上述扫描单元103的实现方式，本发明不做具体限定，只要能将所述激光发射单元101发射的激光光束进行偏转，实现对被测物105扫描的器件均可。
根据上面描述可知，本实施例提供的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，通过前镜组将经由被测物反射的不同视场的光导入所述多视场合束镜，再由多视场合束镜利用反射原理将不同视场的反射光导入矫正镜组，最后经由矫正镜组将不同视场的反射光矫正像差后汇聚于单个光电探测器。相比于通常大视场激光雷达光学装置，该装置中使用了多视场合束镜，将较大探测区域分视场接收，降低了光学系统设计难度，提高了系统的探测能力，减小了原器件数量，降低了成本，缩小了尺寸。可见，本实施例在保证测距能力的同时简化了大视场光学系统的设计，并通过使用通用的光电探测器降低了激光雷达系统的成本。
优选地，所述前镜组107至少包括两组汇聚镜组108，不同汇聚镜组的主光轴之间成预设角度(如90°、60°、45°、30°等)，不同汇聚镜组用于接收不同视场方向上被测物反射的反射光束，并将反射光束导入所述多视场合束镜。图1中示出了前镜组107包含三组汇聚镜组108的情况。
可以理解的是，关于前镜组107中包含的汇聚镜组108的个数，本发明对此不做限定，只要能将经由所述被测物105反射的不同视场的光导入所述多视场合束镜109即可。
优选地，所述汇聚镜组108至少包括一片自由曲面透镜或球面镜，用于将经由所述被测物105反射的光导入所述多视场合束镜109。
优选地，所述矫正镜组1010至少包括一片自由曲面透镜或球面镜，用于将所述多视场合束镜109导入的不同视场的反射光矫正像差后汇聚于所述光电探测器1011。
优选地，所述前镜组107、所述多视场合束镜109以及所述矫正镜组1010中涉及的光学镜采用对近红外透过率高于90％的材料加工而成。
需要说明的是，现有的激光雷达光学装置为保证测距能力及大视场扫描角度多采用特殊的大面积光电探测器或成本高昂的光电器件。采用特殊的大面积光电探测器可以降低光学系统的设计难度，但大面积光电探测器容易受环境光干扰，且自身有较大的暗电流噪声成本较高，因此使得采用特殊的大面积光电探测器的激光雷达抗干扰能力差。另一方面，使用成本高昂的光电器件虽然能够保证测距能力，但增加了光学设计难度，导致光学系统复杂且光电器件成本较高，不利于减小系统体积降低系统成本。
而本实施例提供的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置正好可以解决上述问题，本实施例提供的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，通过前镜组及多视场合束镜将大扫描视场分为若干小视场进行反射光束接收，在降低了光学系统设计难度的同时采用通用光电探测器完成了光电信号的转换。相比与基于特殊光电器件的激光雷达，多视场合束镜降低了激光雷达光学系统设计的难度，降低了光学系统的设计生产成本。此外，由于使用了通用的光电探测器，提高了系统光电器件的抗干扰能力，降低了系统成本。
基于相同的发明构思，在上述实施例提供的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置的基础上，本发明另一实施例还提供了一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括以上实施例所述的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置。
可以理解的是，在本实施例提供的激光雷达系统中，上述扫描单元优选为MEMS振镜扫描单元，所述MEMS振镜扫描单元用于利用MEMS振镜的谐振对所述激光发射单元发射的激光光束进行偏转，实现对被测物的扫描。
本实施例提供的激光雷达系统，由于包括了上述实施例所述的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，因此该激光雷达系统，通过前镜组及多视场合束镜将大扫描视场分为若干小视场进行反射光束接收，在降低了光学系统设计难度的同时采用通用光电探测器完成了光电信号的转换。相比与基于特殊光电器件的激光雷达，多视场合束镜降低了激光雷达光学系统设计的难度，降低了光学系统的设计生产成本。此外，由于使用了通用的光电探测器，提高了系统光电器件的抗干扰能力，降低了系统成本。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于多视场合束镜的激光雷达光学装置，包括激光发射单元、扫描单元和控制单元，其特征在于，还包括：前镜组、多视场合束镜、矫正镜组和光电探测器；
所述激光发射单元，用于发射整形后的调制激光光束；
所述扫描单元，用于将所述激光发射单元发射的激光光束进行偏转，实现对被测物的扫描；
所述控制单元，用于控制所述扫描单元的扫描形态，使所述扫描单元能够在一维或二维方向完成对发射光束的偏转；
所述前镜组，用于将经由所述被测物反射的不同视场的光导入所述多视场合束镜，所述前镜组至少包括两组汇聚镜组，不同汇聚镜组主光轴之间成预设角度，不同汇聚镜组用于接收不同视场方向上被测物反射的反射光束，并将反射光束导入所述多视场合束镜；
所述多视场合束镜，用于将所述前镜组汇聚的不同视场的反射光汇入所述矫正镜组，所述多视场合束镜至少包括两条合束路径，通过反射原理将所述前镜组汇聚的不同视场的反射光进行合束；
所述矫正镜组，用于将不同视场的反射光矫正像差后汇聚于所述光电探测器；
所述光电探测器，用于将所述矫正镜组汇聚的光信号转化为电信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述汇聚镜组至少包括一片自由曲面透镜或球面镜，用于将经由所述被测物反射的光导入所述多视场合束镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述矫正镜组至少包括一片自由曲面透镜或球面镜，用于将所述多视场合束镜导入的不同视场的反射光矫正像差后汇聚于所述光电探测器。
4.根据权利要求1～3任一项所述的装置，其特征在于，所述前镜组、所述多视场合束镜以及所述矫正镜组由对近红外透过率高于90％的材料加工而成。
5.一种激光雷达系统，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的基于多视场合束镜的激光雷达光学装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述扫描单元为MEMS振镜扫描单元；所述MEMS振镜扫描单元用于利用MEMS振镜的谐振对所述激光发射单元发射的激光光束进行偏转，实现对被测物的扫描。
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