CN110658509A - 基于一维衍射光学元件doe的激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统。包括激光发射装置、一维DOE、光学转镜、激光接收装置。激光发射装置，用于发射激光束；一维DOE，用于将激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束；光学转镜，能够围绕转轴转动，在转动过程中接收一维点阵激光束并调整一维点阵激光束的方向，将一维点阵激光束反射到目标物；一维点阵激光束在目标物上发生漫反射后的回波回到光学转镜，回波经光学转镜反射后被激光接收装置接收。通过设置一维DOE能够使经过一维DOE的激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，使光能集中分布在需要的点上，这样，有效地利用激光能量，提高激光雷达系统的扫描效率和探测距离。

Description

基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统

技术领域

本公开涉及激光雷达扫描领域，尤其涉及一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统。

背景技术

激光雷达技术被广泛应用于自动驾驶、地表形貌测绘、军事侦察、大气探测、机器人视觉等领域。基于飞行时间法TOF(Time of Flight)和光学扫描系统能够实现不同方向上目标物的距离测量信息。

激光雷达的探测距离和测距精度主要受限于光能量：接收到的光能量不高和对出射激光束的光能量利用率不高，导致激光雷达系统的信噪比降低、探测距离小、测距精度差等问题。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统，有效地利用激光能量，能够提高激光雷达系统的扫描效率和探测距离。

根据本公开的一方面，提供了一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统，包括：激光发射装置、一维DOE、光学转镜、激光接收装置；

激光发射装置，用于发射激光束；

一维DOE，用于将所述激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，其中，所述一维点阵激光束是指照射到一个平面上形成的光斑呈一维阵列分布的多条激光束；

光学转镜，能够围绕转轴转动，在转动过程中接收所述一维点阵激光束并调整一维点阵激光束的方向，将所述一维点阵激光束反射到目标物；

所述一维点阵激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。

在一种可能的实现方式中，所述激光雷达系统还包括：

准直系统，位于所述激光发射装置和一维DOE之间的光路上，用于压缩所述激光束的发散角，以准直所述激光束。

在一种可能的实现方式中，所述激光接收装置包括：

光学接收元件和线阵APD探测器，

所述光学接收元件用于将接收到的回波会聚到线阵APD探测器。

在一种可能的实现方式中，所述一维DOE是透射式DOE。

在一种可能的实现方式中，所述一维DOE是反射式DOE。

在一种可能的实现方式中，所述反射式DOE和所述光学转镜分离设置。

在一种可能的实现方式中，所述光学转镜包括至少两个镀膜的镜面。

在一种可能的实现方式中，所述一维点阵激光束包含的光束数量与线阵APD探测器的阵列单元相匹配。

根据本公开的另一方面，提供了一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统，包括：激光发射装置、一维DOE、激光接收装置；

激光发射装置，用于发射激光束；

一维DOE包括：反射式DOE和反射单元，反射式DOE用于将所述激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，其中，所述一维点阵激光束是指照射到一个平面上形成的光斑呈一维阵列分布的多条所述激光束；

所述一维点阵激光束照射到在目标物上发生漫反射后的回波照射到所述反射单元，回波经所述反射单元反射后被所述激光接收装置接收。

在一种可能的实现方式中，所述反射单元为包括至少两个镀膜的镜面的光学转镜。

通过设置一维DOE能够使经过一维DOE的激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，使光能集中分布在需要的点上，这样，有效地利用激光能量，提高激光雷达系统的扫描效率和探测距离。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构框图。

图2示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构框图。

图3示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的一维DOE的分束原理图。

图4示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构示意图。

图5示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构示意图。

图6示出根据本公开另一实施例的激光雷达系统的结构框图。

图7示出根据本公开另一实施例的激光雷达系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构框图。如图1所示，该激光雷达系统可以是基于一维衍射光学元件DOE(Diffractive Optical Elements)，该激光雷达系统可以包括：激光发射装置、一维DOE、光学转镜、激光接收装置；

激光发射装置，用来发射激光束。其中，所述激光束可以为点状激光束，激光发射装置可以为光纤激光器、半导体激光器等。

一维DOE，可以固定在激光发射装置的传输光路上，能够将激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，其中，一维点阵激光束可以是指照射到一个平面上形成的光斑呈一维阵列分布的多条激光束。

一维DOE可以是一种二元衍射光学元件，比如说，台阶状位相光栅、阶梯状光栅、二值相位光栅(例如达曼光栅等)等。

利用衍射原理，可以在DOE的表面上，周期性的制备凹槽，其中，一个周期内的刻槽数以及每一个凹槽的槽宽可以根据实际的需求设置。当激光束通过DOE时能够产生不同的光程差，实现对激光束的相位(例如激光束照射的空间坐标)调制，这样，通过这种周期性重复的微细结构，经过优化设计，能够使一定角谱范围内的输出光的光强均等，且能够使激光束的能量分布在所需要的点上。

图3示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的一维DOE的分束原理图。如图3所示，在一个周期内，在一维DOE2的表面上制备N个不同尺寸的凹槽4，一维DOE2可以是具有1×N分束的、栅格之间不等间距、且周期性重复的线阵二元相位光栅，能够使入射的单色激光束1经过傅里叶变换后，分束为1×N的一维点阵激光束，能够在远场产生夫琅禾费衍射图样，其中，夫琅禾费衍射图样可以是在一个平面上分束为1×N条激光束形成的光强均匀分布的一维光斑点阵3。这样，能够使激光发射装置发射的激光束的能量主要集中分布在所需要的点上，能够有效利用激光束的能量，提高光能利用率。

光学转镜可以固定在一维DOE的输出光路上，光学转镜可以包括转轴，且能够围绕转轴匀速转动，在转动过程中实时接收一维DOE分束成的光强均匀分布的一维点阵激光束，由于光学转镜表面的反射从而调整了一维点阵激光束的传输方向，将一维点阵激光束反射到目标物。

在一种可能的实现方式中，激光雷达系统还可以包括：转镜驱动机构和控制模块，转镜驱动机构可以为电机等能够带动光学转镜旋转的部件，控制模块可以向转镜驱动机构发送控制信号，以控制转镜驱动机构的旋转，根据扫描范围不同可以输出不同的控制信号以控制转镜驱动机构的转动，从而控制光学转镜的转动范围。这样，在转镜驱动机构的带动下，光学转镜能够围绕转轴做匀速旋转，在不同方向反射一维点阵激光束。

光学转镜将所述一维点阵激光束反射到目标物后，所述一维点阵激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。

其中，回波可以是指在目标物上发生漫反射后返回的光。

举例来说，光学转镜将一维点阵激光束反射到目标物后会发生漫反射，漫反射后的一部分光回到光学转镜，经光学转镜反射后再由激光接收装置接收。在使用激光雷达系统之前，可以通过静态量标定来消除激光雷达系统内部光程对测量结果带来的影响，这样，使得激光雷达系统的测量结果更加准确。

回到光学转镜的回波会在光学转镜上发生反射，激光接收装置可以固定在光学转镜的扫描范围内，能够接收光学转镜反射的回波。在一种可能的实现方式中，激光接收装置可以为光探测器，例如可以为线阵APD探测器或者面阵APD探测器等，具体根据发射的激光束设置即可。

通过设置一维DOE，能够使经过一维DOE的激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，使光能集中分布在需要的点上，这样，有效地利用激光能量，提高激光雷达系统的扫描效率和探测距离。

在一种可能的实现方式中，光学转镜可以包括至少两个镜面，至少两个镜面可以通过真空镀膜镀上一层金属银或铝的薄膜。光学转镜可以为双面镀膜的反射镜、多面镀膜的多棱镜等。由于包括至少两个镀膜的镜面，实现了二维扫描，光学转镜能够在更长的扫描时间和/或更大的角度范围内采集到有效信息，大大提高了激光雷达系统的测量效率。

举例来说，以光学转镜包括两个镀膜的镜面为例，两个镀膜的镜面对应的扫描角度范围相同，但是两个镀膜的镜面都可以反射激光束，因此，两个镀膜的镜面分别旋转到与激光发射装置相对时，都可以对目标物进行扫描，相比于一个镀膜的镜面的扫描时间更长，可以提高激光雷达系统的测量效率。

光学转镜能够做到较大的尺寸，其可以反射更多的回波。光学转镜能够围绕转轴进行360度的转动，其扫描角度更大。且光学转镜包括至少两个镀膜的镜面。因此，能够在更大的角度范围内采集到更多的有效信息，提高了扫描范围和效率。

在一种可能的实现方式中，所述激光雷达系统还可以包括：准直系统，用于压缩所述激光束的发散角，以准直所述激光束。举例来说，准直系统可以为平凸透镜、透镜组等。

图2示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构框图。

如图2所示，准直系统可以固定在激光发射装置和一维DOE之间的传输光路上，能够压缩减小激光发射装置发射的激光束的发散角，使激光束变成平行光束，实现对激光束的准直，并将准直后的平行光束照射到一维DOE。

通过设置准直系统，能够压缩激光束的发散角，准直激光束，经一维DOE分束，能够将激光束转换为激光雷达系统所需要的光束，可以有效利用激光束的能量。

在一种可能的实现方式中，光接收装置还可以包括光学接收元件和线阵APD探测器。其中，光学接收元件用于将接收到的回波会聚到线阵APD探测器

如图2所示，光学接收元件可以固定在光学转镜、线阵APD探测器中间的传输光路上，用于接收光学转镜反射的回波。回波经过光学接收元件会聚后，能够被线阵APD探测器的各个单元所接收。

其中，光学接收元件可以为会聚透镜等，结合线阵APD探测器的有效区域尺寸，合理选择会聚透镜的口径和会聚透镜的焦距，以使回波经过会聚透镜会聚后能够充分地被线阵APD探测器接收。

通过激光接收装置包括光学接收元件和线阵APD探测器，光学接收元件将接收到的回波会聚到线阵APD探测器上，能够有效利用激光发射装置发射的激光束的能量，实现激光雷达系统的多通道并行测量系统，提高激光雷达系统的扫描效率。

一维DOE可以是透射式DOE、或反射式DOE。

图4示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构示意图。

如图4所示，一维DOE2可以是透射式DOE。激光发射装置5、准直系统6、透射式DOE、光学转镜7可以设置在同一直线上，例如，激光发射装置5、透射式DOE的横轴线可以与准直系统6的主光轴重合，光学转镜7可以设置在透射式DOE的出射光路上，这样，能够使经一维DOE2分束的激光束直接传输到光学转镜7上，经光学转镜7反射到目标物上。

图5示出根据本公开一实施例的激光雷达系统的结构示意图。

如图5所示，一维DOE2可以是反射式DOE，其中，反射式DOE和光学转镜7可以是分离设置的。激光发射装置5、准直系统6、反射式DOE可以设置在同一直线上，例如，激光发射装置5可以与准直系统6的主光轴重合。反射式DOE可以设置在准直系统6的出射光路上，光学转镜7可以设置在反射式DOE的出射光路上。这样，能够使激光发射装置5发出的激光束经过准直系统6准直后，经由反射式DOE分束后的一维点阵激光束反射到光学转镜7上，经光学转镜7反射后，能够实现激光雷达系统的二维平面扫描。

针对不同类型的DOE，通过合理设置激光发射装置、准直系统、一维DOE、光学转镜的位置及相关参数，使激光发射装置发出的激光束经过准直系统准直后，经由一维DOE分束成一维点阵激光束，经光学转镜反射至目标物上。本实施例的激光雷达系统可以实现二维平面扫描，提高激光雷达系统的扫描效率。

在一种可能的实现方式中，一维点阵激光束包含的光束数量与线阵APD探测器的阵列单元数量相匹配。

其中，阵列单元可以是线阵APD探测器的单个像元。可以根据线阵APD探测器的阵列单元数量确定一维DOE的分束比，例如，当线阵APD探测器的阵列单元数量为1×N时，一维DOE应当将入射激光束分束为1×N的一维点阵激光束，得到N个排列在一条直线上的点状光斑。

通过合理设置分束光束的相位调制参数，使激光发射装置发射的激光束，经一维DOE分束的一维点阵激光束包含的光束数量与线阵APD探测器的阵列单元相匹配，使得一维点阵激光束对应的光斑与线阵APD探测器的阵列单元一一对应，这样，能够使一维点阵激光束对应的光斑回波集中在线阵APD探测器的各个阵列单元，充分接收经光学转镜反射的回波，减少激光能量的损失，提高激光能量的利用率，在激光发射装置的功率一定的情况下，能较大幅度提升激光雷达系统的探测距离和探测精度。

图6示出根据本公开另一实施例的激光雷达系统的结构框图。

如图6所示，激光雷达系统可以包括：激光发射装置、一维DOE、激光接收装置。

激光发射装置，用于发射激光束。其中，所述激光束可以为点状激光束，激光发射装置可以为光纤激光器、半导体激光器等。

一维DOE，可以包括反射式DOE和反射单元。一维DOE可以固定在激光发射装置的出射光路上，能够将所述激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，其中，所述一维点阵激光束是指照射到一个平面上形成的光斑呈一维阵列分布的多条所述激光束。一维点阵激光束照射到在目标物上发生漫反射后的回波照射到反射单元，回波经反射单元反射后被所述激光接收装置接收。

图7示出根据本公开另一实施例的激光雷达系统的结构示意图。

如图7所示，一维DOE2可以包括：反射式DOE和反射单元，反射单元可以是反射镜。反射式DOE和反射单元依次设置在一维DOE的同一表面上，其中，反射式DOE可以设置在准直系统6的出射光路上。

一维DOE2可以包括转轴，且能够围绕转轴匀速转动。在转动过程中反射式DOE能够实时接收准直系统准直的激光束，分束激光束为光强均匀分布的一维点阵激光束，并反射一维点阵激光束到目标物上，一维点阵激光束在目标物发生漫反射的回波回到一维DOE的反射单元，一维DOE的反射单元反射回波到激光接收装置，被激光接收装置所接收。

在一个示例中，反射单元的结构可以参见上文中描述的光学转镜的结构，具体来说，反射单元可以为包括至少两个镀膜的镜面的光学转镜，光学转镜以一维DOE2的转轴为转轴。

以两个镀膜的镜面为例，两个镀膜的镜面对应的扫描角度范围相同，这样，在围绕转轴转动的过程中，都可以实时接收并反射回波，能够在更大的角度范围内采集到更多的有效信息，提高了扫描范围和效率。

通过设置包含反射式DOE和反射单元、且能够旋转的一维DOE的激光雷达系统，可以不用单独设置光学转镜和一维DOE，就能够实现对目标物的二维扫描。并且，可以使光能集中分布在需要的点上，有效地利用激光能量，提高光能利用效率，提高激光雷达系统的扫描效率和探测距离。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射装置、一维DOE、光学转镜、激光接收装置；

激光发射装置，用于发射激光束；

一维DOE，用于将所述激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，其中，所述一维点阵激光束是指照射到一个平面上形成的光斑呈一维阵列分布的多条激光束；

光学转镜，能够围绕转轴转动，在转动过程中接收所述一维点阵激光束并调整一维点阵激光束的方向，将所述一维点阵激光束反射到目标物；

所述一维点阵激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述系统还包括：

准直系统，位于所述激光发射装置和一维DOE之间的光路上，用于压缩所述激光束的发散角，以准直所述激光束。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收装置包括：

光学接收元件和线阵APD探测器，

所述光学接收元件用于将接收到的回波会聚到线阵APD探测器。

4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述一维DOE是透射式DOE。

5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述一维DOE是反射式DOE。

6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述反射式DOE元件和所述光学转镜分离设置。

7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光学转镜包括至少两个镀膜的镜面。

8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，

所述一维点阵激光束包含的光束数量与线阵APD探测器的阵列单元相匹配。

9.一种基于一维衍射光学元件DOE的激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射装置、一维DOE、激光接收装置；

激光发射装置，用于发射激光束；

一维DOE包括：反射式DOE和反射单元，反射式DOE用于将所述激光束分束成光强均匀分布的一维点阵激光束，其中，所述一维点阵激光束是指照射到一个平面上形成的光斑呈一维阵列分布的多条所述激光束；

所述一维点阵激光束照射到在目标物上发生漫反射后的回波照射到所述反射单元，回波经所述反射单元反射后被所述激光接收装置接收。

10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其特征在于，

所述反射单元为包括至少两个镀膜的镜面的光学转镜。

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