CN109991614B - 激光雷达测距装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光雷达测距装置，包括：发射系统；分光镜，用于使出射激光的出射P偏振光穿过；双折射晶体，用于使出射P偏振光从第一光口入射、第二光口出射；振镜，用于改变出射P偏振光的方向向外出射，还用于接收反射激光；双折射晶体，还用于使振镜接收的反射激光从第二光口入射，反射激光在双折射晶体内分为两路，分别为第一反射激光和第二反射激光，其中的P偏振光没有偏折、S偏振光发生偏折，反射激光分为第一反射P偏振光、第一反射S偏振光、第二反射P偏振光、第二反射S偏振光从第一光口出射；分光镜，还用于将反射激光中的S偏振光发生偏转；接收系统，用于接收分光镜偏转的反射激光。利用该装置可以提高激光雷达的测距能力。

Description

激光雷达测距装置

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达测距装置。

背景技术

激光雷达根据发射光路和接收光路之间的相对关系，可以分为同轴激光雷达和离轴激光雷达，离轴激光雷达在测距时，受限于探测器器件的集成度等原因，在背景光较强时，其测距能力会明显降低，因此，一般都使用同轴激光雷达来进行测距。

传统技术中，同轴激光雷达在测距时，一般均采用的是偏振分光的方式，在激光雷达向目标物体发射出射激光时可以使P偏振光(与发射光信号的入射面垂直的光信号)发射出去，在激光雷达接收来自目标物体的反射激光时使S偏振光(与发射光信号的入射面平行的光信号)反射到激光雷达的接收系统上，并被接收系统的探测器接收，然后接收系统根据接收的S偏振光所携带的信息来计算得到目标物体与激光雷达的距离。

但是上述技术仅能接收反射激光中的S偏振光，而P偏振光被浪费，对反射激光的利用率不高；同时，受目标物体的表面粗糙度(退偏程度)影响较大，对光滑表面的目标物体(退偏程度低)探测能力弱。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种激光雷达测距装置。

一种激光雷达测距装置，包括：

发射系统，用于发射出射激光；

分光镜，用于使出射激光的出射P偏振光穿过分光镜；

双折射晶体，用于使出射P偏振光从双折射晶体的第一光口入射、第二光口出射；

振镜，用于改变出射P偏振光的方向向外出射，还用于接收反射激光，反射激光为出射P偏振光向外出射后被物体反射产生的激光；

所述双折射晶体，还用于使振镜接收的反射激光从第二光口入射，反射激光在双折射晶体内分为两路，分别为第一反射激光和第二反射激光，第一反射激光和第二反射激光中的P偏振光没有偏折、S偏振光发生偏折，反射激光分为第一反射P偏振光、第一反射S偏振光、第二反射P偏振光、第二反射S偏振光从第一光口出射；

所述分光镜，还用于将射向所述分光镜的所述反射激光中的S偏振光发生偏转；

接收系统，用于接收分光镜偏转的反射激光。

在其中一个实施例中，所述激光雷达测距装置还包括：

半波片，所述半波片设置在所述分光镜和所述双折射晶体之间；所述半波片用于将所述第一反射P偏振光转化成第一反射S’偏振光。

在其中一个实施例中，所述出射P偏振光的光斑面积不大于所述振镜的面积的一半。

在其中一个实施例中，所述出射P偏振光的光轴与所述振镜的中心轴之间存在第一偏移量，所述第一偏移量为所述出射P偏振光的光斑尺寸的一半。

在其中一个实施例中，所述半波片的面积不小于所述第一反射P偏振光的光斑面积。

在其中一个实施例中，所述半波片不接触所述第一光口侧的所述出射P偏振光。

在其中一个实施例中，所述第一反射激光和所述第二反射激光中的S偏振光偏折第二偏移量，所述第二偏移量等于所述出射P偏振光的光斑尺寸。

在其中一个实施例中，所述第一反射S偏振光偏折后的光轴和所述第二反射P偏振光的光轴重合。

在其中一个实施例中，所述出射P偏振光的光轴与所述第一反射S光和/或第二反射P偏振光的光轴同轴。

在其中一个实施例中，所述激光雷达测距装置还包括：反射镜，所述反射镜用于将所述分光镜偏转的所述反射激光反射后射向所述接收系统。

上述激光雷达测距装置，激光雷达测距装置包括发射系统，用于发射出射激光；分光镜，用于使出射激光的出射P偏振光穿过；双折射晶体，用于使出射P偏振光从第一光口入射、第二光口出射；振镜，用于改变出射P偏振光的方向向外出射，还用于接收出射P偏振光向外出射后被物体反射产生的激光；该双折射晶体，还用于使振镜接收的反射激光从第二光口入射，该反射激光在双折晶体中分为两路，分别为第一反射激光和第二反射激光，第一反射激光和第二反射激光中的P偏振光没有偏折、S偏振光发生偏折，该反射激光分为第一反射P偏振光、第一反射S偏振光、第二反射P偏振光、第二反射S偏振光从第一光口出射；该分光镜，还用于将射向分光镜的反射激光中的S偏振光发生偏转；接收系统，用于接收分光镜偏转的反射激光；激光雷达最后对接收系统接收的反射激光进行探测和处理，就可以得到物体与激光雷达的距离。第一反射P偏振光的光路上设置有半波片，将第一反射P偏振光转化成第一反射S’偏振光；射向分光镜的S偏振光被偏转后由接收系统接收。接收系统能够接收反射激光中的所有S偏振光，同时还能接收部分P偏振光，对反射激光的接收利用率提高，探测距离和探测能力提高；同时既能接收S偏振光，又能接收P偏振光，不同表面粗糙度的目标物体对探测影响小，对光滑表面的目标物体探测能力提高，整体探测性能提高。

附图说明

图1为一个实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图；

图2为另一个实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图；

图3为另一个实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图。

附图标记说明：

10：激光雷达测距装置；

100：发射系统；

101：分光镜；

102：双折射晶体；

103：振镜；

104：接收系统；

105：半波片；

106：反射镜；

11：目标物体。

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。

传统技术中，激光雷达在探测目标物体时，一般采用的是偏振分光的方式，在激光雷达向目标物体发射出射激光时可以使P偏振光(与发射光信号的入射面垂直的光信号)发射出去，在激光雷达接收来自目标物体的反射激光时使S偏振光(与发射光信号的入射面平行的光信号)反射到激光雷达的接收系统上，并被接收系统的探测器接收，然后接收系统根据接收的S偏振光所携带的信息来计算得到目标物体与激光雷达的距离。但是上述技术仅能接收反射激光中的S偏振光，而P偏振光被浪费，对反射激光的利用率不高，同时，受目标物体的表面粗糙度(退偏程度)影响较大，对光滑表面的目标物体(退偏程度低)探测能力弱。本申请实施例提供的激光雷达测距装置，主要用于解决上述技术问题。

需要说明的是，在下述实施例所介绍的图1-图3中，为了表示清楚，将发射光路和接收光路在图1-图3中错开表示，实际发射光路和接收光路在空间上是重合的。

图1为一个实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图。如图1所示，该激光雷达测距装置10包括：发射系统100，用于发射出射激光；分光镜101，用于使出射激光的出射P偏振光穿过分光镜101；双折射晶体102，用于使出射P偏振光从双折射晶体102的第一光口入射、第二光口出射；振镜103，用于改变出射P偏振光的方向向外出射，还用于接收反射激光，反射激光为出射P偏振光向外出射后被物体反射产生的激光；该双折射晶体102，还用于使振镜103接收的反射激光从第二光口入射，该反射激光在双折晶体内分为两路，分别为第一反射激光和第二反射激光，第一反射激光和第二反射激光中的P偏振光没有偏折、S偏振光发生偏折，该反射激光分为第一反射P偏振光、第一反射S偏振光、第二反射P偏振光、第二反射S偏振光从第一光口出射；该分光镜101，还用于将射向分光镜的反射激光中的S偏振光发生偏转；接收系统104，用于接收分光镜101偏转的反射激光。

其中，发射系统100可以包括激光器和准直模块，激光器用于发射激光信号，准直模块用于将激光器发射的激光信号进行准直，得到出射激光，该激光器可以为半导体激光器；分光镜101可以是偏振分光平片、偏振分光棱镜等；振镜103也可以是微机电系统、微机电传感器等；接收系统104可以包括探测器和聚焦模块，其中，聚焦模块用于对反射激光进行会聚，探测器用于对经过聚焦模块会聚的反射激光进行接收。可选的，上述聚焦模块可以是会聚镜，可以包括以下任一种：球透镜、球透镜组、柱透镜组。可选的，探测器可以可以是APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)、SIPM(Silicon photomultiplier，硅光电倍增管)、APD阵列、SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)、MPPC(硅光电倍增管)、PMT(photomultiplier tube，光电倍增管)等。

具体的，发射系统100产生的出射激光首先经过分光镜101，出射激光的出射P偏振光在穿过分光镜101之后，可以从双折射晶体102的第一光口入射，然后从第二光口出射到振镜103上，并通过振镜103改变出射P偏振光的方向向外出射，该出射P偏振光发射到目标物体11上之后，会发生反射，并产生反射激光；

该反射激光在接收光路上首先经过振镜103进行接收，该反射激光中含有100％的S偏振光和100％的P偏振光，之后该反射激光经过双折射晶体102，并从双折射晶体102的第二光口入射，该反射激光在双折射晶体102中分为两路，分为第一反射激光和第二反射激光，该两个反射激光中均含有50％的S偏振光和50％的P偏振光，其中，第一反射激光和第二反射激光中的P偏振光没有偏折、S偏振光以一个偏移量偏折出去，之后该反射激光分为第一反射P偏振光(50％P偏振光)、第一反射S偏振光(50％S偏振光)、第二反射P偏振光(50％P偏振光)、第二反射S偏振光(50％S偏振光)，并从双折射晶体102的第一光口出射出去，该四束偏振光在经过分光镜101时，其中的S偏振光会发生偏转，最后射向接收系统104，接收系统104通过对接收的反射激光进行处理，就可以得到目标物体11与激光雷达的距离。

可选的，上述出射P偏振光的光斑面积不大于上述振镜103的面积的一半。可选的，上述出射P偏振光的光轴与上述振镜103的中心轴之间存在第一偏移量，该第一偏移量为出射P偏振光的光斑尺寸的一半。该第一偏移量可以是出射P偏振光的光轴相对于振镜103的中心轴偏上第一偏移量，还可以是出射P偏振光的光轴相对于振镜103的中心轴偏下第一偏移量，以使振镜103在向目标物体11发射出射P偏振光的同时，还可以同轴接收该出射P偏振光在目标物体11上进行反射后得到的反射激光。

可选的，上述第一反射激光和第二反射激光中的S偏振光偏折第二偏移量，该第二偏移量等于出射P偏振光的光斑尺寸，使得从第一光口出射的反射激光的光轴与出射P偏振光的光轴没有较大偏移，从而反射激光能够射向分光镜中间位置，避免分光镜尺寸过大造成结构冗余。可选的，上述第一反射S偏振光偏折后的光轴与第二反射P偏振光的光轴重合，可选的，其中，第一反射S偏振光的光斑尺寸可以和第二反射P偏振光的光斑尺寸相同。在上述的基础上，可选的，出射P偏振光的光轴与第一反射S偏振光和/或第二反射P偏振光的光轴重合，也就是说，出射P偏振光的光轴与第一反射S偏振光的光轴重合，同时也是出射P偏振光的光轴与第二反射P偏振光的光轴重合。

本实施例提供的激光雷达测距装置，激光雷达测距装置包括发射系统，用于发射出射激光；分光镜，用于使出射激光的出射P偏振光穿过；双折射晶体，用于使出射P偏振光从第一光口入射、第二光口出射；振镜，用于改变出射P偏振光的方向向外出射，还用于接收出射P偏振光向外出射后被物体反射产生的激光；该双折射晶体，还用于使振镜接收的反射激光从第二光口入射，该反射激光在双折晶体中分为两路，分别为第一反射激光和第二反射激光，第一反射激光和第二反射激光中的P偏振光没有偏折、S偏振光发生偏折，该反射激光分为第一反射P偏振光、第一反射S偏振光、第二反射P偏振光、第二反射S偏振光从第一光口出射；该分光镜，还用于将射向分光镜的反射激光中的S偏振光发生偏转；接收系统，用于接收分光镜偏转的反射激光；激光雷达最后对接收系统接收的反射激光进行探测和处理，就可以得到物体与激光雷达的距离。第一反射P偏振光的光路上设置有半波片，将第一反射P偏振光转化成第一反射S’偏振光；射向分光镜的S偏振光被偏转后由接收系统接收。接收系统能够接收反射激光中的所有S偏振光，同时还能接收部分P偏振光，对反射激光的接收利用率提高，探测距离和探测能力提高；同时既能接收S偏振光，又能接收P偏振光，不同表面粗糙度的目标物体对探测影响小，对光滑表面的目标物体探测能力提高，整体探测性能提高。

图2为另一个实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图。在上述实施例的基础上，如图2所示，该激光雷达测距装置10还可以包括：半波片105，该半波片105设置在分光镜101和双折射晶体102之间；该半波片105用于将第一反射P偏振光转化成第一反射S’偏振光。

其中，半波片105也称之为二分之一波片，通常多由云母片来制作而成；P偏振光在经过双折射晶体102时直接透射过去，S偏振光在经过双折射晶体102时会发生偏折，产生一个平行偏移量，之后再透射出去。以图2所示为例，半波片105设置在分光镜101和双折射晶体102之间，最下侧一束光为第一反射P偏振光，其只含有50％的P偏振光，该第一反射P偏振光可以经过半波片105，并转化成S偏振光。可选的，上述半波片105的面积不小于上述第一反射P偏振光的光斑面积，以使该半波片105可以将第一反射P偏振光尽可能多地转化成S偏振光。可选的，上述半波片105不接触上述第一光口侧的上述出射P偏振光，也就是说，半波片105的设计要不侵犯发射光路，以使半波片105不会对出射P偏振光产生影响，导致出射P偏振光转化成出射S偏振光，无法出射，从而导致用于扫描的出射P偏振光能量减少，影响激光雷达测距能力。

以上述四束光为例，假定光在传输过程中没有损失，在经过双折射晶体102后，从双折晶体的第一光口出射第一反射S偏振光(50％)和第二反射S偏振光(50％)、第一反射P偏振光(50％)和第二反射P偏振光(50％)，第一反射P偏振光(50％)经过半波片105后转化成第一反射S’偏振光，射向分光镜101的S偏振光和S’偏振光被偏转后，由接收系统104接收。由此可见，通过双折射晶体102和半波片105，可以使得反射激光中100％的S偏振光和50％的P偏振光进入接收系统104，由接收系统104接收的的P偏振光成分增多，对反射激光的接收利用率提高，探测距离和探测能力提高；同时既能接收S偏振光，又能接收P偏振光，不同表面粗糙度的目标物体对探测影响小，对光滑表面的目标物体探测能力提高，整体探测性能提高。

本实施例提供的激光雷达测距装置，该装置还可以包括：半波片，该半波片设置在分光镜和双折射晶体之间，用于将第一反射P偏振光转化成第一反射S’偏振光。在本实施例中，由于利用半波片，可以使得第一反射P偏振光可以转化成S偏振光，从而可以使得部分P偏振光转化后可以由分光镜偏折，接收系统得到的反射激光中100％的S偏振光和50％的P偏振光，接收系统接收的反射激光的能量和信息也随之增多，即接收到的反射激光利用率高，探测性能提高；同时，使得激光雷达在对光滑目标物体测距时，可以得到一个更准确的距离，使得激光雷达探测能力受目标物体表面粗糙度的影响减小，从而增强激光雷达对光滑物体的探测能力。

图3为另一个实施例提供的激光雷达测距装置的结构示意图。在上述实施例的基础上，如图3所示，该激光雷达测距装置10还可以包括：反射镜106，用于将上述分光镜101偏转的上述反射激光反射后射向上述接收系统104。

其中，反射镜106可以是平面反射镜106、柱面反射镜106等，其形状可以是圆形、方形、椭圆形等；另外，该反射镜106的倾斜角度可以根据实际情况而定，可以是45度、50度等；该反射镜106相对于分光镜101的倾斜角度也可以根据实际情况而定，本实施例对此不做限定。

具体的，上述经过分光镜101偏转的反射的S偏振光还可以再经过反射镜106进行反射，使得分光镜101和接收系统104之间的接收光路经过反射镜106进行折叠，从而减小激光雷达测距装置10的体积，上述经过反射镜106进行反射得到的反射激光可以射向接收系统104，被接收系统104接收。

本实施例提供的激光雷达测距装置，还可以包括反射镜，该反射镜用于将分光镜偏转的反射激光反射后射向接收系统。在本实施例中，由于利用反射镜对经过分光镜偏转的反射激光可以再进行反射，使得经过反射镜的接收光路可以与在经过分光镜之前的接收光路一起进行折叠，从而可以减小激光雷达测距装置的体积，因此，利用本实施例的激光雷达测距装置，其体积相对较小，可以进一步减小激光雷达的体积。

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

Claims (10)

1.一种激光雷达测距装置，其特征在于，包括：

发射系统，用于发射出射激光；

分光镜，用于使所述出射激光的出射P偏振光穿过所述分光镜；

双折射晶体，用于使所述出射P偏振光从所述双折射晶体的第一光口入射、第二光口出射；

振镜，用于改变所述出射P偏振光的方向向外出射，还用于接收反射激光，所述反射激光为所述出射P偏振光向外出射后被物体反射产生的激光，所述反射激光含有P偏振光和S偏振光；

所述双折射晶体，还用于使所述振镜接收的所述反射激光从所述第二光口入射，所述反射激光在所述双折射晶体内分为两路，分别为第一反射激光和第二反射激光，所述第一反射激光和所述第二反射激光中的P偏振光没有偏折、S偏振光发生偏折，所述反射激光分为第一反射P偏振光、第一反射S偏振光、第二反射P偏振光、第二反射S偏振光从所述第一光口出射；

所述分光镜，还用于将射向所述分光镜的所述反射激光中的S偏振光发生偏转；

接收系统，用于接收所述分光镜偏转的所述反射激光。

2.根据权利要求1所述的激光雷达测距装置，其特征在于，还包括：半波片，所述半波片设置在所述分光镜和所述双折射晶体之间；

所述半波片用于将所述第一反射P偏振光转化成第一反射S’偏振光。

3.根据权利要求1所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述出射P偏振光的光斑面积不大于所述振镜的面积的一半。

4.根据权利要求3所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述出射P偏振光的光轴与所述振镜的中心轴之间存在第一偏移量，所述第一偏移量为所述出射P偏振光的光斑尺寸的一半。

5.根据权利要求2所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述半波片的面积不小于所述第一反射P偏振光的光斑面积。

6.根据权利要求2所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述半波片不接触所述第一光口侧的所述出射P偏振光。

7.根据权利要求1所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述第一反射激光和所述第二反射激光中的S偏振光偏折第二偏移量，所述第二偏移量等于所述出射P偏振光的光斑尺寸。

8.根据权利要求1所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述第一反射S偏振光和所述第二反射P偏振光从所述第一光口出射后，所述第一反射S偏振光的光轴和所述第二反射P偏振光的光轴重合。

9.根据权利要求8所述的激光雷达测距装置，其特征在于，所述出射P偏振光的光轴与从所述第一光口出射后的所述第一反射S偏振光的光轴同轴。

10.根据权利要求2所述的激光雷达测距装置，其特征在于，还包括：反射镜，所述反射镜用于将所述分光镜偏转的所述反射激光反射后射向所述接收系统。

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