CN109975783B - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种激光雷达，包括：激光发射装置，用于生成发射激光；激光接收装置，与激光发射装置相对设置；反射组件，设置于激光发射装置和激光接收装置之间；反射组件包括相互固定连接的第一反射镜和第二反射镜；第二反射镜包围第一反射镜，且与第一反射镜的镜面之间存在间隙；第一反射镜的镜面朝向激光发射装置，以将发射激光投射至被探测目标；第二反射镜的镜面朝向激光接收装置，以将被探测目标反射回来的反射激光投射至激光接收装置；以及旋转驱动装置，与反射组件连接，用于驱动反射组件旋转以使发射激光进行不同方向上的扫描。上述激光雷达的结构可以带来更低的成本和更稳定的工作状态。

Description

激光雷达

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的系统，广泛应用于激光探测领域。激光雷达是一种能量收发系统，在光学设计上有同轴收发和离轴收发两种方式，在机械结构上有同侧收发和收发分离两种方式。其中离轴收发结构能够避免杂散光的干扰，但是整个光学系统较为冗余，会带来较高的成本且工作稳定性较差。

发明内容

基于此，有必要针对传统的激光雷达采用离轴收发结构时整个光学系统较为冗余，会带来较高的成本和工作稳定性较差的问题，提供一种激光雷达。

一种激光雷达，包括：

激光发射装置，用于生成发射激光；

激光接收装置，与所述激光发射装置相对设置；所述激光接收装置用于接收相应的反射激光；

反射组件，设置于所述激光发射装置和所述激光接收装置之间；所述反射组件包括相互固定连接的第一反射镜和第二反射镜；所述第二反射镜包围所述第一反射镜，且与所述第一反射镜的镜面之间存在间隙；所述第一反射镜的镜面朝向所述激光发射装置，以将所述发射激光投射至被探测目标；所述第二反射镜的镜面朝向所述激光接收装置，以将被探测目标反射回来的反射激光投射至所述激光接收装置；以及

旋转驱动装置，与所述反射组件连接，用于驱动所述反射组件旋转以使发射激光进行不同方向上的扫描。

在其中一个实施例中，所述第一反射镜的中心和所述第二反射镜的中心重合。

在其中一个实施例中，所述第一反射镜的镜面和所述第二反射镜的镜面相互垂直；所述第二反射镜为中空镜面；所述第一反射镜位于所述第二反射镜的中空区域内，且所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的内侧边缘固定连接。

在其中一个实施例中，所述第一反射镜和所述第二反射镜通过卡榫连接或者所述第一反射镜和所述第二反射镜为一体成型。

在其中一个实施例中，所述第二反射镜为中空的椭圆形，所述第一反射镜为椭圆形，且所述第一反射镜和所述第二反射镜的长轴均为各自短轴的预设倍数，以使得经过反射后的光束截面为圆形。

在其中一个实施例中，所述旋转驱动装置包括旋转组件以及连接组件；所述连接组件的一端与所述旋转组件连接，所述连接组件的另一端与所述第二反射镜连接；所述旋转组件转动进而通过所述连接组件驱动所述反射组件转动。

在其中一个实施例中，还包括壳体、第一电路板和第二电路板；所述第一电路板、所述第二电路板、所述旋转驱动装置、所述激光发射装置和所述激光接收装置均固定设置在所述壳体内；所述第一电路板与所述激光发射装置设置在同侧且电性连接；所述第二电路板与所述激光接收装置设置在同侧且电性连接；所述第一电路板和所述第二电路板之间通过电路板连接线电性连接。

在其中一个实施例中，所述旋转组件为中空结构；所述第一电路板与所述激光发射装置分别位于所述旋转组件的两侧，且所述第一电路板与所述激光发射装置之间的连接线经过所述旋转组件的中空区域。

在其中一个实施例中，所述激光接收装置包括探测器和聚焦透镜；所述聚焦透镜的接收面积大于或等于所述反射组件在所述聚焦透镜上形成的投影面积。

在其中一个实施例中，所述壳体包括位于所述反射组件四周的透射区；所述透射区朝向所述激光发射装置。

上述激光雷达通过将激光接收装置和激光发射装置相对设置，并通过对反射组件进行设置，从而完全实现收发分离，从根本上避免了杂散光干扰。并且旋转驱动装置驱动反射组件转动即可实现发射激光在不同方向上的扫描，而无需驱动激光发射装置和激光接收装置转动，这种结构可以带来更低的成本和更稳定的工作状态。并且这种结构的激光雷达的反射组件仅为异构转镜，成本低可靠性高，且其通光口径可以达到与激光雷达的外形尺寸相近，能量利用率较高，可以采用更低的功率以及更远的探测距离。

附图说明

图1为一实施例中的激光雷达的剖视图。

图2为激光回波等效光路示意图。

图3为图1中沿AA＇方向观看时的反射组件的结构示意图。

图4为图1中沿BB＇方向观看时的反射组件的结构示意图。

图5为另一实施例中的激光雷达的剖视图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

图1为一实施例中的激光雷达的剖面结构示意图。参见图1，该激光雷达包括激光发射装置100、激光接收装置200、反射组件300以及旋转驱动装置400。

激光发射装置100用于生成发射激光。激光发射装置100生成的发射激光的频率可以根据需要进行设定。比如，根据需要探测的距离生成对应的频率的发射激光。也即，生成的发射激光可以为可见光光束，也可以为红外发射激光等。本案中并不做具体限定。激光发射装置100可以包括激光器。在其他的实施例中，激光发射装置100在包括激光器的同时还包括对生成的发射激光进行处理的处理装置，比如调制器等。

激光接收装置200用于接收相应的反射激光，并将接收到的反射激光转换为处理器或者处理芯片所能够识别的电信号。在本实施例中，激光接收装置200与激光发射装置100相对设置，也即激光接收装置200和激光发射装置100分别设置在激光雷达的两端。通过将激光接收装置200和激光发射装置100相对设置，并结合反射组件300的工作可以实现激光雷达的激光发射与激光接收完全分离，从而避免杂散光的干扰，进而提高整个激光雷达的工作稳定性。

反射组件300用于实现对光的反射。具体地，反射组件300设置在激光发射装置100和激光接收装置200之间。反射组件300包括相互固定连接的第一反射镜310和第二反射镜320。第一反射镜310可以直接固定在第二反射镜320上，也可以通过中间连接件固定在第二反射镜320上。通过将第一反射镜310与第二反射镜320固定连接，从而使得反射组件300可以作为一个整体被驱动转动，转动过程中，第一反射镜310和第二反射镜320的相对位置关系保持恒定。其中，第一反射镜310的镜面朝向激光发射装置100，以将激光发射装置100产生的发射激光偏转一定角度后投射至被探测目标。第二反射镜320的镜面则朝向激光接收装置200，以将被探测目标反射回来的反射激光偏转一定角度后投射至激光接收装置200。可以理解，要实现第一反射镜310和第二反射镜320的作用，第一反射镜310和第二反射镜320均与水平面成锐角，而并不与水平面垂直或者平行。也即，第一反射镜310和第二反射镜320均与发射激光的出射方向成一定角度，并不与其平行或者垂直。在本案中，镜面均指反射面。

第二反射镜320包围第一反射镜310，并且第二反射镜320与第一反射镜310的镜面之间存在间隙330，参见图1和图3。因此，激光发射装置100产生的发射激光可以通过间隙330投射到第一反射镜310上，并经过第一反射镜310的反射后投射至被探测目标。第一反射镜310与水平面的夹角可以根据需要投射的发射激光与水平面的夹角来进行调整确定，而并不限于某一具体的状态，从而实现对激光的纵向扫描。通常激光发射过程中会带有一定的发散角，如图2所示。因此，从第一反射镜发射出来的发射激光在传播的过程中截面直径会越来越大，照射到被探测目标上的光斑也比第一反射镜310的口径大。故，由被探测目标反射回来的反射激光必然会有一部分光照射到包围在第一反射镜310的四周的第二反射镜320上，从而由第二反射镜320反射至激光接收装置200，从而实现整个激光探测过程。

旋转驱动装置400与反射组件300连接。旋转驱动装置400用于驱动反射组件300旋转，以使得发射激光进行不同方向上的扫描，比如实现360度的横向扫描。在本实施例中，旋转驱动装置400并不需要驱动激光接收装置200和激光发射装置100进行旋转，而只需要驱动反射组件300旋转即可实现激光的扫描功能。

上述激光雷达通过将激光接收装置200和激光发射装置100相对设置，并通过对反射组件300进行设置，从而完全实现收发分离，从根本上避免了杂散光干扰。并且旋转驱动装置400驱动反射组件300转动即可实现发射激光在不同方向上的扫描，而无需驱动激光发射装置100和激光接收装置200转动，这种结构可以带来更低的成本和更稳定的工作状态。并且这种结构的激光雷达的反射组件300仅为异构转镜，成本低可靠性高，且其通光口径可以达到与激光雷达的外形尺寸相近，能量利用率较高，可以采用更低的功率以及更远的探测距离。

在一实施例中，反射组件300中的第一反射镜310的中心和第二反射镜320的中心重合，从而确保发射光束和接收光束的光轴完全重合，进而实现同轴收发。通过实现同轴收发，可以避免结构上带来的系统测距误差，也能够避免雷达盲区的出现。并且在本实施例中，由于激光接收装置200和激光发射装置100相互分离，从而使得发射光的回波不会对激光接收装置200产生较强的干扰，进而在达到同轴收发效果的同时还能够克服传统的同轴收发存在的缺点。在本实施例中，发射光束为激光发射装置100产生的发射激光，接收光束则为激光接收装置200所探测到的反射激光。

在一实施例中，第一反射镜310和第二反射镜320的镜面相互垂直设置，如图1所示。第二反射镜320的镜面为中空镜面，如图1和图3所示。第一反射镜310则设置在第二反射镜320的中空区域，且第一反射镜310的边缘与第二反射镜320的内侧边缘固定连接，从而使得第一反射镜310的镜面与第二反射镜320之间存在有供发射激光通过的间隙330。可选地，第一反射镜310和第二反射镜320均与水平面成45度角设置。因此，第一反射镜310能够将激光发射装置100发出的发射激光偏转90度后水平射出，第二反射镜320则能够将反射回来的反射激光偏转90度后投射至激光接收装置200。在其他的实施例中，也可以根据发射激光投射至被探测目标的方向来调整反射组件300中的第一反射镜310和第二反射镜320与水平面的夹角。在一实施例中，第一反射镜310和第二反射镜320的边缘通过卡榫连接，结构简单且成本较低。在其他的实施例中，第一反射镜310和第二反射镜320也可以通过一体成型工艺制备得到，比如通过一体注塑成型工艺制备得到。

在一实施例中，第二反射镜320和第一反射镜310均为椭圆形，第二反射镜320的中心为中空区域，以固定第一反射镜310，如图3和图4所示。并且第一反射镜310和第二反射镜320的长轴均为各自短轴的预设倍数，以使得经过反射后的光束截面为圆形，从而得到具有相对理想的光斑形状。在一实施例中，第一反射镜310和第二反射镜320的长轴约为各自短轴的

倍。可以理解，第一反射镜310和第二反射镜320的长轴约为各自短轴的倍数关系并不需要严格的控制在

倍，也可以在制造允许的偏差范围内，比如的

倍。其中，第一反射镜310的短轴以及第二反射镜320的短轴均沿平行于水平面的方向设置。这样可以保证经过反射后的光束截面为圆形，从而得到具有相对理想的光斑形状。

在一实施例中，旋转驱动装置400包括旋转组件和连接组件430。在本实施例中，旋转组件包括电机410和旋转齿轮组420，参见图1。其中连接组件430的一端与第二反射镜320连接，另一端与旋转齿轮组420连接。因此，电机410工作时，能够带动旋转齿轮组420转动，进而通过连接组件430带动第二反射镜320转动，第二反射镜320与第一反射镜310固定连接，从而使得整个反射组件300作为一个整体被带动。反射组件300转动过程中，可以将发射激光投射至不同方向，进而实现激光扫描过程。可以理解，上述旋转驱动装置400还包括解码器440。解码器440用于测量电机410的转动位置。图1中的电机410为横置电机，此时旋转齿轮组420包括具有45度齿轮的齿轮422和齿轮424。连接组件430可以包括至少两个支撑结构，以支撑并固定第二反射镜320。通过将连接组件430与第二反射镜320固定连接，不会影响激光的发射和接收过程，不会产生干扰。

在一实施例中，上述激光雷达还包括壳体500、第一电路板610和第二电路板620。其中壳体500用于容纳并保护激光雷达中的各部件。第一电路板610、第二电路板620、激光接收装置200、激光发射装置100以及旋转驱动装置400均固定壳体500上，不发生转动。反射组件300在旋转驱动装置400的驱动下能够相对壳体500发生转动。也即，本实施例中的激光雷达，只有反射组件300这一个转动的内部部件，成本较低且结构较为简单。

在一实施例中，第一电路板610与激光发射装置100同侧设置，并且与激光发射装置100电性连接。第二电路板620则与激光接收装置200同侧设置，并且与激光接收装置200电性连接。第一电路板610与第二电路板620之间通过电路板连接线630连接。通过电路板连接线630实现第一电路板610和第二电路板620之间的电性连接，从而无需采用无线电分别对激光接收装置200和激光发射装置100供电，结构更加简单且具有更好的稳定性。电路板连接线630可以固定在壳体500上，从而增强连接的稳固性。其中，旋转齿轮组420为中空结构，也即齿轮424为中空齿轮。因此，位于旋转齿轮组420两侧的第一电路板610和激光发射装置100通过连接线10连接。连接线10经过齿轮424的中空区域，如图1所示。通过齿轮424的中空区域作为连接线10的走线区域，可以缩短连接线10的长度降低损耗，且有利于降低连接线10的绕线复杂度。在本实施例中，由于齿轮424为中空结构，无法设置支撑轴，因此齿轮424采用轴承式连接来实现自身的固定。在另一实施例中，旋转组件包括环形电机410，如图5所示。环形电机410的中间区域则作为连接线10的走线区域。

在一实施例中，激光接收装置200包括探测器210和聚焦透镜220。探测器210固定在第二电路板620上。聚焦透镜220固定在壳体500上，且平行于激光发射装置100的发射面设置。聚焦透镜220用于将第二反射镜320偏转的反射激光聚焦至探测器210的表面，从而使得探测器210实现对反射激光的探测。探测器210可以由光电二极管等光电转换元件构成。在一实施例中，聚焦透镜220的接收面积大于或等于反射组件300在聚焦透镜220上的投影面积，从而确保反射回来的反射激光都能够投射至聚焦透镜220，被聚焦透镜220聚焦并最终被探测。因此，可以使得整个激光雷达具有较高的能量利用率，带来更低的功率或者获得更远的探测距离。在一实施例中，聚焦透镜220为菲涅尔透镜，其通光口径设置为大于第二反射镜320在其表面投影的最大尺寸。比如，可以将聚焦透镜229的通光口径设置为与激光雷达的外壳500的尺寸相近，从而使得整个激光雷达具有较高的能量利用率。通常激光雷达的通光口径由反射组件300和聚焦透镜229中通光口径较小的一个来决定。在本实施例中，反射组件300和聚焦透镜229的通光口径均可以达到与外形尺寸相接近，从而确保整个激光雷达具有极高的能量利用率。菲涅尔透镜只保留了发生折射的曲面，在省下大量材料同时达到相同的聚光效果，有利于降低成本。当上述激光雷达为单线激光雷达时，其视场为零，在这种情况下菲涅尔透镜可以更低的成本做到更大口径，从而既可以降低成本也可以提高能量利用率。

在一实施例中，壳体500包括位于反射组件300四周的透射区510。透射区510为透明区域，激光可以穿过该透明区域投射至被探测目标或者经由被探测目标反射至激光雷达内部。可选的，透射区510朝向激光发射装置100设置，也即透射区510形成一个向激光发射装置100渐扩的锥形结构。通过将透射区510朝激光发射装置100设置，可以确保第一反射镜310反射后的部分发射激光在透射区510发生反射时，不会反射至激光接收装置200中形成干扰光，可以提高测量的准确度。

在一实施例中，激光雷达可以根据内部的部件所占用的体积形成多段结构，相邻段壳体之间采用轴承式连接，结构简单且有利于实现激光雷达的小型化。

上述激光雷达可以广泛应用于激光探测领域。在一实施例中，上述激光雷达为单线激光雷达，线数即为激光雷达纵向的发射方向或者接收方向数目，激光雷达为单线时，具有一个发射方向，从而实现对一个方向的目标探测。也即此时激光发射装置100中具有一个激光发射器，对应的激光接收装置200中则设置有一个探测器210即可。单线激光雷达是激光雷达中较为重要的一种，因其结构简单成本低廉，通常在工业、安防等领域有广泛的应用前景。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射装置，用于生成发射激光；

激光接收装置，与所述激光发射装置相对设置；所述激光接收装置用于接收对应的反射激光；

反射组件，设置于所述激光发射装置和所述激光接收装置之间；所述反射组件包括相互固定连接的第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜的镜面朝向所述激光发射装置，以将所述发射激光投射至被探测目标；所述第二反射镜的镜面朝向所述激光接收装置，以将被探测目标反射回来的反射激光投射至所述激光接收装置；所述第二反射镜包围所述第一反射镜，且与所述第一反射镜的镜面之间存在间隙，所述发射激光通过所述间隙投射于所述第一反射镜，并经所述第一反射镜反射后投射至所述被探测目标，其中所述第一反射镜的中心和所述第二反射镜的中心重合，以使所述发射激光和所述反射激光的光轴完全重合；以及

旋转驱动装置，与所述反射组件连接，用于驱动所述反射组件旋转以使发射激光进行不同方向上的扫描。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射镜的镜面和所述第二反射镜的镜面相互垂直；所述第二反射镜为中空镜面；所述第一反射镜位于所述第二反射镜的中空区域内，且所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的内侧边缘固定连接。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜通过卡榫连接或者所述第一反射镜和所述第二反射镜为一体成型。

4.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第二反射镜为中空的椭圆形，所述第一反射镜为椭圆形，且所述第一反射镜和所述第二反射镜的长轴均为各自短轴的预设倍数，以使得经过反射后的光束截面为圆形。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述旋转驱动装置包括旋转组件以及连接组件；所述连接组件的一端与所述旋转组件连接，所述连接组件的另一端与所述第二反射镜连接；所述旋转组件转动进而通过所述连接组件驱动所述反射组件转动。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，还包括壳体、第一电路板和第二电路板；所述第一电路板、所述第二电路板、所述旋转驱动装置、所述激光发射装置和所述激光接收装置均固定设置在所述壳体内；所述第一电路板与所述激光发射装置设置在同侧且电性连接；所述第二电路板与所述激光接收装置设置在同侧且电性连接；所述第一电路板和所述第二电路板之间通过电路板连接线电性连接。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述旋转组件为中空结构；所述第一电路板与所述激光发射装置分别位于所述旋转组件的两侧，且所述第一电路板与所述激光发射装置之间的连接线经过所述旋转组件的中空区域。

8.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收装置包括探测器和聚焦透镜；所述聚焦透镜的接收面积大于或等于所述反射组件在所述聚焦透镜上形成的投影面积。

9.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述壳体包括位于所述反射组件四周的透射区；所述透射区朝向所述激光发射装置。

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