CN110596677A - 基于多空间光调制器拼接激光雷达扫描装置及系统 - Google Patents

基于多空间光调制器拼接激光雷达扫描装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，包括：光源组件、分光棱镜、探测目标、空间光调制器；所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜后到达探测目标，或者；所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器后到达探测目标。本发明利用空间光调制器的相位调制能力，控制光束的形状和偏转方向，并一次生成多点激光点阵，然后结合空间光调制器的时序刷新能力，快速生成激光扫描点阵，完成对目标空间的扫描探测，提高了激光雷达系统的工作效率。

Description

基于多空间光调制器拼接激光雷达扫描装置及系统
技术领域
本发明涉及雷达扫描技术领域，具体地，涉及基于多空间光调制器拼接激光雷达扫描装置及系统。
背景技术
激光雷达是通过向目标发射激光束，并接受散射回波来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达对目标的探测需要以发射激光对探测空间的扫描为前提的，当前应用较为广泛的扫描方式为光机扫描方式和基于光学相控阵器件的扫描方式。光机扫描方式一般通过一个旋转的扫描镜来实现，由于这类系统包含运动部件，因此扫描速度相对较低，应用受到限制。基于光学相控阵器件的扫描方式不需要机械运动部件，通过电控方式即可实现扫描，但是由于受到目前器件的限制，扫描角度较小。
专利文献CN108169956A(申请号：201810074424.0)一种基于空间光调制器的低栅瓣多波束扫描方法及系统，涉及光学扫描领域，尤其涉及光学相控阵式多波束的扫描。所述系统包括：光束经过空间光调制器的相位调制后，经透镜聚焦后在透镜焦平面上产生多个焦点，通过控制空间光调制器所加载的相位阵列可以改变焦点在焦平面上的位置以实现二维扫描。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多空间光调制器拼接激光雷达扫描装置及系统。
根据本发明提供的一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，包括：
光源组件、分光棱镜、探测目标、空间光调制器；
所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器后到达探测目标。
优选地，还包括投射系统；
所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器、投射系统后到达探测目标。
优选地，所述光源组件包括：光源、扩束器、偏振片；
光源发射的光束依次经过扩束器、偏振片后射出。
优选地，所述空间光调制器包括以下任一项或任多项：
一个或多个透射式空间光调制器、一个或多个反射式空间光调制器、一个或多个数字微反射镜；
所述光源组件发射的光束依次经过透射式空间光调制器、分光棱镜、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、反射式空间光调制器、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、数字微反射镜、投射系统后到达探测目标。
优选地，还包括控制模块，所述控制模块分别与光源组件、空间光调制器相连；
所述多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起；
所述投射系统包括以下任一种：
广角投射系统、鱼眼镜头。
根据本发明提供的一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，包括：
控制模块：获取控制信号及用户指令，根据用户指令将控制信息通过全息图算法转换为全息图，输出全息图及用户指令至空间光调制器模块，并输出用户指令至光源模块；
光源模块：根据接收到的用户指令，驱动光源射入初始光束到空间光调制器模块；
空间光调制器模块：根据接收到的全息图及用户指令，对射入的初始光束进行调制，投射出多点激光点阵至投射系统；
投射系统模块：拓展射入的激光点阵的扫描角度后，发射至探测目标，实现对探测目标的扫描。
优选地，所述控制模块包括：
全息图生成模块：将控制信号通过全息图算法转换为全息图，输出全息图至空间光调制器模块；
外部通信接口模块：接收外部数据，获取控制信号；
控制程序界面模块：接收用户指令。
优选地，所述光源模块包括：
扩束模块：对光源入射的初始光束进行扩束，形成平行光束或者发散光束入射到空间光调制器模块；
偏振片模块：控制光源入射的初始光束的偏振态。
优选地，所述空间光调制器模块：
根据接收到的全息图及用户指令，对射入的初始光束进行调制，将全息图进行分块获得多个子块，每个子块加载不同的数字闪耀光栅，通过控制数字闪耀光栅的周期，实现光束偏转角度的控制，生成偏转角度单独可控的多点激光点阵。
优选地，所述空间光调制器模块包括：多个空间光调制器；
多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起；
单个空间光调制器的扫描角度为：
其中，
θ表示单个空间光调制器的扫描角度；
λ表示入射光的波长；
P表示空间光调制器的像素大小；
多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起后的扫描角度为：
其中，
θt表示曲面拼接后的扫描角度；
n表示空间光调制器的数量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用空间光调制器的相位调制能力，控制光束的形状和偏转方向，并一次生成多点激光点阵，然后结合空间光调制器的时序刷新能力，快速生成激光扫描点阵，完成对目标空间的扫描探测，提高了激光雷达系统的工作效率。
2、本发明解决了现有空间光调制器投射角度有限的问题，采用多空间光调制器曲面无缝拼接方式实现来拓展激光点阵的扫描角度，并在空间光调制器的出射端增加一个广角投射系统，来进一步扩大该系统的投射光束的偏转角度，实现大角度扫描。
3、本发明无需机械部件即可完成点阵的扫描，使得激光雷达的扫描系统更加的稳定。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明优选例1提供的基于多空间光调制器拼接的大角度激光雷达扫描系统结构示意图
图2为本发明优选例1提供的多空间光调制器曲面无缝拼接系统结构示意图。
图3为本发明优选例1提供的控制模块结构示意图。
图4为本发明优选例2提供的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统结构示意图。
图5为本发明优选例3提供的基于多空间光调制器拼接的大角度激光雷达扫描系统结构示意图。
图6为本发明优选例1提供的光源模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，包括：
光源组件、分光棱镜、探测目标、空间光调制器；
所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器后到达探测目标。
具体地，还包括投射系统；
所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器、投射系统后到达探测目标。
具体地，所述光源组件包括：光源、扩束器、偏振片；
光源发射的光束依次经过扩束器、偏振片后射出。
具体地，所述空间光调制器包括以下任一项或任多项：
一个或多个透射式空间光调制器、一个或多个反射式空间光调制器、一个或多个数字微反射镜；
所述光源组件发射的光束依次经过透射式空间光调制器、分光棱镜、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、反射式空间光调制器、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、数字微反射镜、投射系统后到达探测目标。
具体地，还包括控制模块，所述控制模块分别与光源组件、空间光调制器相连；
所述多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起；
所述投射系统包括以下任一种：
广角投射系统、鱼眼镜头。
根据本发明提供的一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，包括：
控制模块：获取控制信号及用户指令，根据用户指令将控制信息通过全息图算法转换为全息图，输出全息图及用户指令至空间光调制器模块，并输出用户指令至光源模块；
光源模块：根据接收到的用户指令，驱动光源射入初始光束到空间光调制器模块；
空间光调制器模块：根据接收到的全息图及用户指令，对射入的初始光束进行调制，投射出多点激光点阵至投射系统；
投射系统模块：拓展射入的激光点阵的扫描角度后，发射至探测目标，实现对探测目标的扫描。
具体地，所述控制模块包括：
全息图生成模块：将控制信号通过全息图算法转换为全息图，输出全息图至空间光调制器模块；
外部通信接口模块：接收外部数据，获取控制信号；
控制程序界面模块：接收用户指令。
具体地，所述光源模块包括：
扩束模块：对光源入射的初始光束进行扩束，形成平行光束或者发散光束入射到空间光调制器模块；
偏振片模块：控制光源入射的初始光束的偏振态。
具体地，所述空间光调制器模块：
根据接收到的全息图及用户指令，对射入的初始光束进行调制，将全息图进行分块获得多个子块，每个子块加载不同的数字闪耀光栅，通过控制数字闪耀光栅的周期，实现光束偏转角度的控制，生成偏转角度单独可控的多点激光点阵。
具体地，所述空间光调制器模块包括：多个空间光调制器；
多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起；
单个空间光调制器的扫描角度为：
其中，
θ表示单个空间光调制器的扫描角度；
λ表示入射光的波长；
P表示空间光调制器的像素大小；
多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起后的扫描角度为：
其中，
θt表示曲面拼接后的扫描角度；
n表示空间光调制器的数量。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
所述的一种基于多空间光调制器拼接的大角度激光雷达扫描系统如图1所示，包括光源模块、控制模块、空间光调制器1(SLM1)、空间光调制器2(SLM2)、分光棱镜(BS)、投射系统、探测目标。首先控制模块将相应的控制信号通过全息图算法转换为全息图形式，并输出加载到空间光调制器上进行显示，对光源系统入射到空间光调制器上进行调制，从而投射出形状和出射方向单独可控的激光点阵，并利用空间光调制器的时序刷新能力形成更大数量的激光扫描点阵；空间光调制器1(SLM1)、空间光调制器2(SLM2)、分光棱镜(BS)构成多空间光调制器曲面无缝拼接系统，拓展激光点阵的扫描角度，并通过投影系统后，实现对探测目标的大角度扫描。
所述的空间光调制器可以是反射式液晶空间光调制器、透射式液晶空间光调制器、数字微反射镜器件等。
所述的多空间光调制器曲面无缝拼接系统如图2所示，空间光调制器1(SLM1)和空间光调制器2(SLM2)通过分光棱镜(BS)的镜像作用以曲面的形式无缝的拼接到一起，实现激光点阵扫描角度的拓展。单个空间光调制器的扫描角度可表示为：
式中，
θ1表示单个空间光调制器的扫描角度
θ2表示单个空间光调制器的扫描角度
λ为入射光的波长，
p为空间光调制器的像素大小。
因此，曲面拼接后的扫描角度可以拓展为θt＝4·arcsin(λ/2p)
其中，
θt表示曲面拼接后的扫描角度。
所述的多空间光调制器曲面无缝拼接系统中空间光调制器的数量不局限于2个，当空间光调制器的数量为n个时，扫描角度可以拓展为：
其中，
n表示空间光调制器的数量；
所述投射系统可以是广角投射系统或者是鱼眼镜头，用来进一步拓展多空间光调制器曲面无缝拼接系统投射出的激光点阵的扫描角度，实现对探测目标的大角度扫描。
所述的光源模块主要完成对空间光调制的照明工作，如图6所示，主要包括光源、扩束器、偏振片。光源为具有相干性的一个单色可见或者红外的激光光源；扩束器用来对光源进行扩束整形，形成平行光束或者发散光束入射到空间光调制器上，同时可以兼具滤波作用以提高光束质量；偏振片用来控制入射光束的偏振态以保证空间光调制器的工作状态。
所述的控制模块主要完成控制信号的全息图算法计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作。如图3所示，控制模块主要包括主控制单元、控制程序界面、外部通信接口、存储单元、全息图生成单元、多SLMs同步控制单元、SLM驱动单元、光源驱动单元、以及接收系统通信接口。
主控制单元完成整个系统的控制工作；控制程序界面主要提供人机接口界面；外部通信接口主要包括视频、数据等有线接口，或无线、蓝牙、红外等无线接口接收外部数据；全息图生成单元将对应的控制信号通过全息图算法生成全息图，并通过主控制单元输出到空间光调制器驱动单元上，从而驱动空间光调制对入射到其上的光束进行调制从而输出对应的激光点阵；SLMs同步控制单元用来对多个空间光调制器进行同步控制；主控制单元还可以通过内部或者外部的存储单元事先存储的全息图输出到空间光调制器上；主控制单元可以实现对空间光调制和光源的同步驱动；主控制单元可以通过接收系统通信接口与激光雷达的接受系统实现同步控制。
空间光调制器通过加载到其上的全息图对入射光束进行调制，一次生成偏转角度单独可控的多点激光点阵，该方法可以是将全息图进行分块，每个子块加载不同的数字闪耀光栅，通过控制数字闪耀光栅的周期，即可实现光束偏转角度的控制。数字闪耀光栅对光束出射方向的改变大小为：
式中，λ为入射光的波长，p为空间光调制器的像素大小，T表示每个周期所占的空间光调制器的像素个数。
优选例2：
一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，没有投射系统，空间光调制器投射出的激光点阵直接多探测目标进行扫描，如图4所示。
优选例3：
一种基于多空间光调制器拼接的大角度激光雷达扫描系统，透射式空间光调制器。两个光源模块分别对不同空间光调制器提供照明，如图5所示。
优选例4：
一种基于多空间光调制器拼接的大角度激光雷达扫描系统，采用反射式空间光调制器。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“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。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，其特征在于，包括：
光源组件、分光棱镜、探测目标、空间光调制器；
所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器后到达探测目标。
2.根据权利要求1所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，其特征在于，还包括投射系统；
所述光源组件发射的光束依次经过空间光调制器、分光棱镜、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、空间光调制器、投射系统后到达探测目标。
3.根据权利要求2所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述光源组件包括：光源、扩束器、偏振片；
光源发射的光束依次经过扩束器、偏振片后射出。
4.根据权利要求3所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述空间光调制器包括以下任一项或任多项：
一个或多个透射式空间光调制器、一个或多个反射式空间光调制器、一个或多个数字微反射镜；
所述光源组件发射的光束依次经过透射式空间光调制器、分光棱镜、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、反射式空间光调制器、投射系统后到达探测目标，或者；
所述光源组件发射的光束依次经过分光棱镜、数字微反射镜、投射系统后到达探测目标。
5.根据权利要求4所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描装置，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块分别与光源组件、空间光调制器相连；
所述多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起；
所述投射系统包括以下任一种：
广角投射系统、鱼眼镜头。
6.一种基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，其特征在于，包括：
控制模块：获取控制信号及用户指令，根据用户指令将控制信息通过全息图算法转换为全息图，输出全息图及用户指令至空间光调制器模块，并输出用户指令至光源模块；
光源模块：根据接收到的用户指令，驱动光源射入初始光束到空间光调制器模块；
空间光调制器模块：根据接收到的全息图及用户指令，对射入的初始光束进行调制，投射出多点激光点阵至投射系统；
投射系统模块：拓展射入的激光点阵的扫描角度后，发射至探测目标，实现对探测目标的扫描。
7.根据权利要求6所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，其特征在于，所述控制模块包括：
全息图生成模块：将控制信号通过全息图算法转换为全息图，输出全息图至空间光调制器模块；
外部通信接口模块：接收外部数据，获取控制信号；
控制程序界面模块：接收用户指令。
8.根据权利要求7所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，其特征在于，所述光源模块包括：
扩束模块：对光源入射的初始光束进行扩束，形成平行光束或者发散光束入射到空间光调制器模块；
偏振片模块：控制光源入射的初始光束的偏振态。
9.根据权利要求8所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，其特征在于，所述空间光调制器模块：
根据接收到的全息图及用户指令，对射入的初始光束进行调制，将全息图进行分块获得多个子块，每个子块加载不同的数字闪耀光栅，通过控制数字闪耀光栅的周期，实现光束偏转角度的控制，生成偏转角度单独可控的多点激光点阵。
10.根据权利要求9所述的基于多空间光调制器拼接的激光雷达扫描系统，其特征在于，所述空间光调制器模块包括：多个空间光调制器；
多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起；
单个空间光调制器的扫描角度为：
其中，
θ表示单个空间光调制器的扫描角度；
λ表示入射光的波长；
p表示空间光调制器的像素大小；
多个空间光调制器通过分光棱镜的镜像作用拼接到一起后的扫描角度为：
其中，
θt表示曲面拼接后的扫描角度；
n表示空间光调制器的数量。
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