CN110118960B - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达，包括：激光光源，用于发射激光光束；光源扩展件，设置在所述激光光束发射的光路上，用于将一束激光光束扩展为两束偏振态相同的偏振光；反射镜，设置在所述光源扩展件的一侧，用于反射其中一束偏振光；扫描器，设置在所述光源扩展件的另一侧，用于改变所述两束偏振光的出射方向，使所述两束偏振光成为不同角度出射的探测光信号；环形器，设置在所述扫描器与目标物体之间，用于将所述探测光信号透射或者反射至目标物体；所述环形器还用于将目标物体反射回来的回波光信号反射或者透射至接收单元；接收单元，用于接收所述回波光信号。本发明可以扩大激光雷达的视场角度和提高激光雷达的精度。

Description

激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达系统根据发射端和接收端光轴的相对位置，可以分为离轴和同轴两种。现有的固态激光雷达主要采用离轴方式，即激光器发射的光束经第一镜组后照射到目标物体，经目标物体反射的激光光束经第二镜组后被探测器探测到，第一镜组和第二镜组为不同的镜组。对于同轴激光雷达而言，激光器发射的激光光束与探测器探测到的激光光束共用同一镜组，其具有背景噪声较小，对接收单元要求低等优势。

然而，现有的技术方案中，同轴激光雷达采用的扫描器的扫描范围非常有限，使得激光雷达扫描的视场范围也很小，同时因为光能量的损耗，使得激光雷达的精度也不够高。

发明内容

基于此，有必要针对现有同轴激光雷达扫描视场范围小的问题，提供一种激光雷达。

一种激光雷达，包括：

激光光源，用于发射激光光束；

光源扩展件，设置在所述激光光束发射的光路上，用于将一束激光光束扩展为两束偏振态相同的偏振光；

反射镜，设置在所述光光源扩展件的一侧，用于反射其中一束偏振光；

扫描器，设置在所述光源扩展件的另一侧，用于改变所述两束偏振光的出射方向，使所述两束偏振光成为不同角度出射的探测光信号；

环形器，设置在所述扫描器与目标物体之间，用于将所述探测光信号透射或者反射至目标物体；所述环形器还用于将目标物体反射回来的回波光信号反射或者透射至接收单元；

接收单元，用于接收所述回波光信号。

上述激光雷达通过设置光源扩展件可以将激光光源进行扩展得到至少两个光源，实现扫描角度的拼凑，从而扩大激光雷达的视场角度；通过设置环形器实现了激光雷达的同轴设计，从而降低了对探测器的要求；另外，因为通过光源扩展件扩展的光束属于偏振态相同的偏振光，这样在经过环形器时光能量不会被损耗，提高了激光雷达的精度。

在其中的一个实施例中，所述光源扩展件包括：

第一偏振分光棱镜，用于将一束激光光束分为P偏振光和第一S偏振光，所述第一偏振分光棱镜包括第一出光口和第二出光口，所述P偏振光经所述第一偏振分光棱镜透射从所述第一出光口出射，所述第一S偏振光经所述第一偏振分光棱镜反射从所述第二出光口出射；

二分之一波片，设置在所述第一出光口，用于将从所述第一出发光口出射的P偏振光变成第二S偏振光。

在其中的一个实施例中，所述反射镜设置在靠近所述第一出光口的一侧，所述扫描器设置在靠近所述第二出光口的一侧；

所述第一S偏振光从所述第二出光口出射至所述扫描器；

所述反射镜用于反射所述第二S偏振光，所述第二S偏振光经所述反射镜反射至所述扫描器。

在其中的一个实施例中，所述环形器包括：

第二偏振分光棱镜，包括第三出光口和第四出光口，用于反射所述探测光信号使所述探测光信号从所述第三出光口出射；还用于透射所述回波光信号使所述回波光信号从所述第四出光口出射；

四分之一波片，设置在所述第三出光口，用于将线偏振光变成圆偏振光，所述圆偏振光的探测光信号出射至目标物体。

在其中的一个实施例中，所述光源扩展件包括：

第一偏振分光棱镜，用于将一束激光光束分为第一P偏振光和S偏振光，所述第一偏振分光棱镜包括第一出光口和第二出光口，所述第一P偏振光经所述第一偏振分光棱镜透射从所述第一出光口出射，所述S偏振光经所述第一偏振分光棱镜反射从所述第二出光口出射；

二分之一波片，设置在所述第二出光口，用于将从所述第二出发光口出射的S偏振光变成第二P偏振光。

在其中的一个实施例中，所述反射镜设置在靠近所述第二出光口的一侧，所述扫描器设置在靠近所述第一出光口的一侧；

所述第一P偏振光从所述第二出光口出射至所述扫描器；

所述反射镜用于反射所述第二P偏振光，所述第二P偏振光经所述反射镜反射至所述扫描器。

在其中的一个实施例中，所述环形器包括：

第二偏振分光棱镜，包括第三出光口和第四出光口，用于透射所述探测光信号使所述探测光信号从所述第三出光口出射；还用于反射所述回波光信号使所述回波光信号从所述第四出光口出射；

四分之一波片，设置在所述第三出光口，用于将线偏振光变成圆偏振光，所述圆偏振光的探测光信号出射至目标物体。

在其中的一个实施例中，所述激光光源为多波长激光器，所述多波长激光器可以发射两个以上不同波长的激光光束；

所述激光雷达还包括波分复用器，用于将所述两个以上不同波长的激光光束按照波长分束。

在其中的一个实施例中，所述激光光源为单波长激光器，所述单波长激光器发射单波长的激光光束；

所述激光雷达还包括光纤耦合器，用于将所述单波长的激光光束按照预设比例分为两束激光光束。

在其中一个实施例中，还包括角度放大器；

所述角度放大器设置在所述环形器与目标物体之间，用于将所述探测光信号的扫描角度扩大。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为一实施例中的激光雷达的系统模块示意图。

图2为一实施例中光源扩展件的结构示意图。

图3为一实施例中环形器的结构示意图。

图4为一实施例中激光雷达的光路图。

图5为一实施例中的激光雷达的系统模块示意图。

图6为一实施例中的激光雷达的系统模块示意图。

图7为一实施例中的激光雷达的系统模块示意图。

图8为一实施例中光源扩展件的结构示意图。

图9为一实施例中环形器的结构示意图。

图10为一实施例中激光雷达的光路图。

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。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

本发明提供的激光雷达包括激光光源、光源扩展件、反射镜、扫描器、环形器和接收单元。

所述激光光源用于发射激光光束；所述光源扩展设置在所述激光光束发射的光路上，用于将一束激光光束扩展为两束偏振态相同的偏振光(如扩展为两束P偏振光或者扩展为两束S偏振光)；所述反射镜设置在所述光源扩展件的一侧，用于反射其中一束偏振光；所述扫描器设置在所述光源扩展件的另一侧，用于改变所述两束偏振光的出射方向，使所述两束偏振光成为不同角度出射的探测光信号；所述环形器设置在所述扫描器与目标物体之间，用于将所述探测光信号透射或者反射至目标物体，所述环形器还用于将目标物体反射回来的回波光信号反射或者透射至接收单元；所述接收单元用于接收所述回波信号。

下面以所述光源扩展件将一束激光光束扩展为两束P偏振光为例进行描述。图1为一实施例中的激光雷达的系统模块示意图。参见图1，该激光雷达包括：激光光源110、光源扩展件120、反射镜130、扫描器140、环形器150、接收单元160。

激光光源110用于发射激光光束。激光光源110例如可以采用光纤激光器、激光二极管、气体激光器或者固体激光器等。当采用光纤激光器时，又可以选择单波长激光器或多波长激光器。

光源扩展件120设置在所述激光光束发射的光路上，用于将一束激光光束扩展为两束P偏振光。在一个实施例中，光源扩展件120包括第一偏振分光棱镜122和二分之一波片125。

具体可结合图2，为一实施例中光源扩展件的原理示意图。第一偏振分光棱镜122为正方体，包括第一出光口123和第二出光口124。第一偏振分光棱镜122可以使入射的激光光束中的P偏振光透射出去，使入射的激光光束中的S偏振光反射出去，即第一偏振分光棱镜122用于将每一束激光光束分为P偏振光和S偏振光，其中P偏振光从第一出光口123透射出去，S偏振光从第二出光口124反射出去。二分之一波片125设置在所述第二出光口124表面，用于将从所述第二出光口124反射出来的S偏振光变为P偏振光。为了便于描述，这里将从第一出光口123透射出来的P偏振光记为第一P偏振光，将经二分之一波片125变换的P偏振光记为第二P偏振光。可以理解，在其他实施例中，还可以采用偏振分光片代替第一偏振分光棱镜122。

反射镜130设置在所述第二P偏振光出射的光路上，用于反射第二P偏振光。具体地，所述S偏振光经过二分之一波片125之后变成第二P偏振光，第二P偏振光出射到达反射镜130表面时被反射至扫描器140。

扫描器140，用于改变所述第一P偏振光和第二P偏振光的出射方向，使所述第一P偏振光和第二P偏振光成为不同角度出射的探测光信号以实现对目标物体在一个维度上的扫描。扫描器140包括MEMS扫描器或者机械振镜、旋转棱镜等，这里不作任何限制。

环形器150，设置在所述扫描器140的一侧，用于将不同角度出射的探测光信号透射至目标物体，还用于将目标物体反射回来的回波光信号反射至接收单元160。

具体可结合图3，为一实施例中环形器的原理示意图。环形器150包括第二偏振分光棱镜152和四分之一波片155。第二偏振分光棱镜152为正方体，包括第三出光口153和第四出光口154。探测光信号从第三出光口153透射出去，使从目标物体反射回来的回波光信号从第四出光口154反射出去。第一P偏振光和第二P偏振光属于线偏振光，四分之一波片155设置在所述第三出光口153表面，用于将从所述第三出光口153透射出来的线偏振光变为圆偏振态光。可以理解，在其他实施例中，还可以采用偏振分光片代替第二偏振分光棱镜152。

接收单元160，用于接收从所述第四出光口154出来的回波光信号，并将回波光信号转换为电信号。在一个实施例中，接收单元160包括光电探测器。

本发明提供的激光雷达，通过设置光源扩展件可以将激光光源进行扩展得到至少两个光源，实现扫描角度的拼凑，从而扩大激光雷达的视场角度；通过设置环形器实现了激光雷达的同轴设计，从而降低了对探测器的要求；另外，因为通过光源扩展件扩展的光束属于偏振态相同的偏振光，这样在经过环形器时光能量不会被损耗，提高了激光雷达的精度。

请参考图4，为一实施例中的激光雷达的系统光路示意图，其在图1所示实施例的基础上增加了准直器和角度放大镜。参见图4，该激光雷达包括：激光光源210、准直器220、光源扩展件230、反射镜240、扫描器250、环形器260、角度放大镜270以及接收单元280。

其中，准直器220设置在激光光源210和光源扩展件230之间，用于将激光光源210发射出来的激光光束准直。可以理解，在其他实施例中，激光光源210内部可直接设准直镜，这样准直器220可以省略。

角度放大镜270设置在环形器260与目标物体之间，用于将探测光信号的扫描角度扩大。角度放大镜270可以为一个负透镜或多个负透镜形成的透镜组或正透镜和负透镜组成的透镜组。

接收单元280包括接收镜头282和光电探测器284，接收镜头282用于将从环形器260出来的回波光信号进行聚焦并照射到光电探测器284上。进一步地，还可以在接收镜头282和光电探测器284之间设置滤光片，这样或以过滤掉除探测光信号以外的干扰光，从而可以进一步提高激光雷达的信噪比。

具体地，激光光源210发射出的激光光束经准直器220准直后进入光源扩展件230。进入光源扩展件230的每一束激光光束被分为两束P偏振光，其中第一P偏振光从光源扩展件230透射出来至扫描器250，第二P偏振光经反射镜240反射至扫描器250，相当于一个激光光源变成两个激光光源。第一P偏振光和第二P偏振光经扫描器改变出射角度后成为不同角度出射的探测光信号，再通过角度放大镜270放大扫描角度，最后出射到达目标物体以对目标物体进行扫描。目标物体再将探测光信号反射回来作为回波光信号被环形器260反射至接收单元280。

在一个实施例中，激光光源可选择多波长激光器，激光雷达还可以包括波分复用器，多波长激光器可以发射两个以上不同波长的激光光束，所述两个以上不同波长的激光光束经所述波分复用器后被按照波长分束。请参照图5，以两个波长的激光光束为例，多波长激光器发射的激光光束包括波长为λ1和波长为λ2的激光光束，激光光束进入波分复用器后分为两路光，一路是波长为λ1激光光束，另一路是波长为λ2的激光光束。两路激光光束分别经准直镜准直和经光源扩展件件扩展，就变成了四路偏振光入射至扫描器，相当于一个光源变成了四个光源。波分复用器可以为稀疏波分复用器(Coarse Wavelength DivisionMultiplexing，CWDM)或为密集波分复用器(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)。

在一个实施例中，激光光源可选择单波长激光器，激光雷达还可以包括光纤耦合器，单波长激光器发射的激光光束经所述光纤耦合器后被按预设比例分为两路以上。请参照图6，以光纤耦合器按50:50将激光光束分为两路为例。单波长激光器发射的激光光束进入光纤耦合器后分为两路，两路激光光束分别经准直镜准直和经光源扩展件件扩展，就变成了四路偏振光入射至扫描器，相当于一个光源变成了四个光源。

上面各个实施例中的光源扩展件都是将每一束激光光束扩展为两束P偏振光。接下来以光源扩展件将一束激光光束扩展为两束S偏振光为例进行描述，且仅描述与上述各实施例中的不同之处，其他相同之处可以参照上述各实施例的描述，这里不再赘述。

图7为一实施例中的激光雷达的系统模块示意图。参见图7，该激光雷达包括：激光光源310、光源扩展件320、反射镜330、扫描器340、环形器350、接收单元360。

光源扩展件320设置在激光光束发射的光路上，用于将一束激光光束扩展为两束S偏振光。在一个实施例中，光源扩展件320包括第一偏振分光棱镜322和二分之一波片325。

具体可结合图8，为一实施例中光源扩展件的原理示意图。第一偏振分光棱镜322为正方体，包括第一出光口323和第二出光口324。第一偏振分光棱镜322可以使入射的激光光束中的P偏振光透射出去，使入射的激光光束中的S偏振光反射出去，即第一偏振分光棱镜322用于将每一束激光光束分为P偏振光和S偏振光，其中P偏振光从第一出光口323透射出去，S偏振光从第二出光口324反射出去。二分之一波片325设置在所述第一出光口323表面，用于将从所述第一出光口323透射出来的P偏振光变为S偏振光。为了便于描述，这里将从第二出光口324反射出来的S偏振光记为第一S偏振光，将经二分之一波片325变换的S偏振光记为第二S偏振光。可以理解，在其他实施例中，还可以采用偏振分光片代替第一偏振分光棱镜322。

反射镜330设置在所述第二S偏振光出射的光路上，用于反射第二S偏振光。具体地，所述P偏振光经过二分之一波片325之后变成第二S偏振光，第二S偏振光出射到达反射镜330表面时被反射至扫描器340。

扫描器340，用于改变所述第一S偏振光和第二S偏振光的出射方向，使所述第一S偏振光和第二S偏振光成为不同角度出射的探测光信号以实现对目标物体在一个维度上的扫描。

环形器350，设置在所述扫描器340的一侧，用于将不同角度出射的探测光信号透射至目标物体，还用于将目标物体反射回来的回波光信号反射至接收单元360。

具体可结合图9，为一实施例中环形器的原理示意图。环形器350包括第二偏振分光棱镜352和四分之一波片355。第二偏振分光棱镜352为正方体，包括第三出光口353和第四出光口354。探测光信号从第三出光口353反射出去，使从目标物体反射回来的回波光信号从第四出光口354透射出去。第一S偏振光和第二S偏振光属于线偏振光，四分之一波片355设置在所述第三出光口353表面，用于将从所述第三出光口353反射出来的线偏振光变为圆偏振态光。可以理解，在其他实施例中，还可以采用偏振分光片代替第二偏振分光棱镜352。

请参考图10，为一实施例中的激光雷达的系统光路示意图，其在图7所示实施例的基础上增加了准直器和角度放大镜。参见图10，该激光雷达包括：激光光源410、准直器420、光源扩展件430、反射镜440、扫描器450、环形器460、角度放大镜470以及接收单元480。

具体地，激光光源410发射出的激光光束经准直器420准直后进入光源扩展件430。进入光源扩展件430的每一束激光光束被分为两束S偏振光，其中第一S偏振光从光源扩展件430反射出来至扫描器450，第二S偏振光经反射镜440反射至扫描器450，相当于一个激光光源变成两个激光光源。第一S偏振光和第二S偏振光经扫描器改变出射角度后成为不同角度出射的探测光信号，再通过角度放大镜470放大扫描角度，最后出射到达目标物体以对目标物体进行扫描。目标物体再将探测光信号反射回来作为回波光信号被环形器460透射至接收单元480。

进一步地，在一个实施例中，激光雷达还包括控制器和处理器，所述控制器与激光光源电连接，用于控制激光光源发射激光束的频率和功率等。所述处理器用于根据回波光信号转换的电信号计算目标物体的参数信息，目标物体的参数信息包括如目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状中的一种或多种参数。

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 (10)

1.一种激光雷达，包括：

激光光源，用于发射激光光束；

光源扩展件，设置在所述激光光束发射的光路上，用于将一束激光光束扩展为两束偏振态相同的偏振光；

反射镜，设置在所述光源扩展件的一侧，用于反射其中一束偏振光；

扫描器，设置在所述光源扩展件的另一侧，用于改变两束偏振光的出射方向，使所述两束偏振光成为不同角度出射的探测光信号；

环形器，设置在所述扫描器与目标物体之间，用于将所述探测光信号透射或者反射至目标物体；所述环形器还用于将目标物体反射回来的回波光信号反射或者透射至接收单元；

接收单元，用于接收所述回波光信号。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光源扩展件包括：

第一偏振分光棱镜，用于将一束激光光束分为P偏振光和第一S偏振光，所述第一偏振分光棱镜包括第一出光口和第二出光口，所述P偏振光经所述第一偏振分光棱镜透射从所述第一出光口出射，所述第一S偏振光经所述第一偏振分光棱镜反射从所述第二出光口出射；

二分之一波片，设置在所述第一出光口，用于将从所述第一出光口出射的P偏振光变成第二S偏振光。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述反射镜设置在靠近所述第一出光口的一侧，所述扫描器设置在靠近所述第二出光口的一侧；

所述第一S偏振光从所述第二出光口出射至所述扫描器；

所述反射镜用于反射所述第二S偏振光，所述第二S偏振光经所述反射镜反射至所述扫描器。

4.根据权利要求3述的激光雷达，其特征在于，所述环形器包括：

第二偏振分光棱镜，包括第三出光口和第四出光口，用于反射所述探测光信号使所述探测光信号从所述第三出光口出射；还用于透射所述回波光信号使所述回波光信号从所述第四出光口出射；

四分之一波片，设置在所述第三出光口，用于将线偏振光变成圆偏振光，所述圆偏振光的探测光信号出射至目标物体。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光源扩展件包括：

第一偏振分光棱镜，用于将一束激光光束分为第一P偏振光和S偏振光，所述第一偏振分光棱镜包括第一出光口和第二出光口，所述第一P偏振光经所述第一偏振分光棱镜透射从所述第一出光口出射，所述S偏振光经所述第一偏振分光棱镜反射从所述第二出光口出射；

二分之一波片，设置在所述第二出光口，用于将从所述第二出光口出射的S偏振光变成第二P偏振光。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述反射镜设置在靠近所述第二出光口的一侧，所述扫描器设置在靠近所述第一出光口的一侧；

所述第一P偏振光从所述第二出光口出射至所述扫描器；

所述反射镜用于反射所述第二P偏振光，所述第二P偏振光经所述反射镜反射至所述扫描器。

7.根据权利要求6述的激光雷达，其特征在于，所述环形器包括：

第二偏振分光棱镜，包括第三出光口和第四出光口，用于透射所述探测光信号使所述探测光信号从所述第三出光口出射；还用于反射所述回波光信号使所述回波光信号从所述第四出光口出射；

四分之一波片，设置在所述第三出光口，用于将线偏振光变成圆偏振光，所述圆偏振光的探测光信号出射至目标物体。

8.根据权利要求1～7任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光光源为多波长激光器，所述多波长激光器可以发射两个以上不同波长的激光光束；

所述激光雷达还包括波分复用器，用于将所述两个以上不同波长的激光光束按照波长分束。

9.根据权利要求1～7任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光光源为单波长激光器，所述单波长激光器发射单波长的激光光束；

所述激光雷达还包括光纤耦合器，用于将所述单波长的激光光束按照预设比例分为两束激光光束。

10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括角度放大器；

所述角度放大器设置在所述环形器与目标物体之间，用于将所述探测光信号的扫描角度扩大。

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