CN110749893B - 一种二维扫描激光雷达装置及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维扫描激光雷达装置，包括有发射单元、接收单元、与发射单元和接收单元连接的控制单元、分光器件、以及旋转棱镜；其中，发射单元包括至少两个激光器，用于发射激光信号；分光器件用于对激光信号进行准直和/或汇聚，并反射经扫描区域上反射的回波信号；接收单元包括至少两个探测器，用于接收所述回波信号；所述旋转棱镜至少为三个，分别为第一、第二、第三旋转棱镜，以用于调节激光信号的扫描方向及角度。本发明通过旋转棱镜，可实现水平及垂直方向多个角度范围内进行扫描，解决了二维扫描激光雷达的扫描范围小、且可靠性低的问题，可实现多区域扫描，使得激光雷达装置的扫描范围更大，大大提升了激光雷达测距能力。

Description

一种二维扫描激光雷达装置及电子设备
技术领域
本发明涉及光学及电子技术领域，特别涉及一种二维扫描激光雷达装置及电子设备。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。具有精准度高、作业速度快和效率高等优势，是汽车自动驾驶、机器人定位导航、空间环境测绘、安保安防等领域必不可少的核心传感器。
目前，激光雷达在工作时，主要通过激光雷达内部设置的激光发射部件，将激光信号发射到目标物体上面，并通过设置的激光接收部件接收目标物体反射回来的激光反射信号，通过记录激光发射以及激光接收时的时间点，来获取两者时间的时间差，然后根据光速计算目标物体的距离，从而实现激光测距的功能，而目前为了提高激光雷达的测距范围，通常会设置多路激光雷达进行扫描，但是，现有的多路激光雷达，每一路的激光发射部件以及激光接收部件都设置有单独的发射板以及接收板，一个发射板上的激光发射部件发射的激光信号由一个对应的接收板上设置激光接收部件接收，并进行距离计算。
但是，现有的多线激光雷达，由于每路的激光发射部件和激光接收部件都有单独的发射板和接收板，光学调试过程中相邻光路容易互相干扰，可靠性低；且目前二维激光雷达的接收口径小，扫描范围小。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种二维扫描激光雷达装置及电子设备，以解决二维激光雷达的接收口径小，扫描范围小，可靠性低的问题。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种二维扫描激光雷达装置，用于向扫描区域发射激光束，包括有发射单元、接收单元、与发射单元和接收单元连接的控制单元、分光器件、以及旋转棱镜；其中，所述发射单元包括至少两个激光器，用于向所述扫描区域发射激光信号；所述分光器件用于对发射的激光信号进行准直和/或汇聚，并反射经扫描区域上反射的回波信号；所述接收单元包括至少两个探测器，用于接收所述回波信号；所述旋转棱镜至少为三个，分别为第一、第二、第三旋转棱镜，以用于通过旋转调节激光信号的扫描方向及角度；所述控制单元，用于对所述发射单元和所述接收单元进行控制，并对接收到的所述回波信号进行处理。
可选地，所述激光器为第一、第二激光器，所述探测器为第一、第二探测器；对应于第一、第二探测器，分光器件包括有第一、第二分光器件；第一、第二激光器分别发射激光信号至第一、第二分光器件，激光信号经过第一、第二分光器件准直和/或汇聚后发射至第一、第二旋转棱镜。
可选地，所述分光器件包括偏振分光片、以及四分之一波片；所述偏振分光片用于反射由激光器发射的经扫描区域反射回的激光束，而所述四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光。
可选地，所述分光器件为反射镜，所述反射镜上设置有入光孔，用于透过由激光器发射的激光束。
可选地，所述第一旋转棱镜与第二旋转棱镜在水平方向上对激光信号进行调节，被调节后的激光信号发射至第三旋转棱镜，第三旋转棱镜通过旋转对激光信号进行垂直方向的调节，使激光信号以不同的角度发射从而对扫描区域进行扫描。
可选地，还包括有第一透镜和第二透镜，其中，激光器发射激光束通过第一透镜进行准直后经由偏振分光片发射至四分之一波片；经扫描区域反射回的激光束透过四分之一波片后发射至偏振分光片，再由偏振分光片反射至第二透镜，经过第二透镜的汇聚后，发射至探测器。
可选地，所述反射镜为镀膜分光反射镜，所述镀膜分光反射镜包括有透明基板与高反射膜。
可选地，第一激光器、第一旋转棱镜以及第三旋转棱镜对应具有第一扫描区域；第二激光器、第二旋转棱镜以及第三旋转棱镜对应具有第二扫描区域；第一扫描区域与第二扫描区域重叠部分形成第三扫描区域；第一探测器与第二探测器分别探测到第一扫描区域和第二扫描区域的回波信号将其转换为电信号后，控制单元根据重叠的第三扫描区域的信息，将第一扫描区域和第二扫描区域的信息相匹配。
可选地，所述控制单元包括有寄存器、处理器、以及控制电路，用于对发射单元、接收单元进行控制和处理。
本发明的另一技术方案为：
一种电子设备，包括有上述方案所述的二维扫描激光雷达装置，用于对目标对象进行激光雷达扫描，获取目标对象的相关信息；以及CPU处理器单元，用于对二维扫描激光雷达装置所获取的目标对象的相关信息进行处理。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明二维扫描激光雷达装置通过旋转棱镜，可实现水平及垂直方向上在多个角度范围内进行扫描，解决了二维扫描激光雷达的扫描范围小、且可靠性低的问题，可实现多区域扫描，使得激光雷达装置的扫描范围更大，大大提升了激光雷达的测距能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明二维扫描激光雷达装置的模块框图；
图2是本发明二维扫描激光雷达装置的原理结构图示；
图3是本发明二维扫描激光雷达装置另一实施例的结构图示；
图4是本发明二维扫描激光雷达装置又一实施例的结构图示；
图5是图4的镀膜分光反射镜的示意图；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1-图2所示，作为本发明一实施例，提供一种二维扫描激光雷达装置100，用于向扫描区域发射激光束，包括发射单元101、接收单元102与控制单元103。其中，所述控制单元103与发射单元101连接，用于驱动发射单元101发射激光束至扫描区域104；控制单元103还与接收单元102连接，用于控制接收单元102接收经由扫描区域104反射回的激光束，并通过控制单元103内部处理得到扫描区域104的相关信息。
所述发射单元101包括有激光器、激光调制器、以及激光驱动电路，以用于发射激光信号；所述接收单元102包括有光电探测器，用于对接收到的回波信号进行接收；所述控制单元103包括有寄存器、处理器、以及控制电路，用于对发射单元101、接收单元102进行相应控制和处理。作为一实施例，具体地，所述控制单元103用于对所述发射单元101和所述接收单元102进行控制，并对接收到的所述回波信号进行处理。
参照图2所示，作为本发明一实施例二维扫描激光雷达装置200，所述发射单元包括至少两个激光器；对应于发射单元，接收单元包括至少两个探测器；所述二维激光雷达装置200还包括有分光器件、以及旋转棱镜。其中，所述两个激光器为第一、第二激光器201，202；所述探测器为第一、第二探测器208，209；对应于第一、第二探测器208，209，所述分光器件包括第一、第二分光器件203，204。所述旋转棱镜至少为三个，分别为第一、第二、第三旋转棱镜205，206，207。所述第一激光器201与第二激光器202用于发射激光信号；所述第一分光器件203与第二分光器件204用于准直和/或汇聚激光信号以及用于反射经扫描目标调制的回波信号至第一探测器208与第二探测器209；所述第一旋转棱镜205、第二旋转棱镜206与第三旋转棱镜207用于调节发射激光信号的扫描方向及角度；所述第一探测器208与第二探测器209接收回波信号，将其转换为电信号，经过处理器的处理得到扫描目标信息。
在本发明实施例中，第一激光器201与第二激光器202分别发射激光信号(如图2中实线箭头所示)至第一分光器件203与第二分光器件204，经过第一分光器件203与第二分光器件204准直和/或汇聚，激光信号发射至第一旋转棱镜205与第二旋转棱镜206。第一旋转棱镜205与第二旋转棱镜206在水平方向上对激光信号进行调节，被调节后的激光信号发射至第三旋转棱镜207，第三旋转棱镜207通过旋转对激光信号进行垂直方向的调节，使激光信号以不同的角度发射从而对扫描区域进行扫描。扫描后经目标调制后的回波信号(如图2中虚线箭头所示)分别通过第三旋转棱镜207、第二旋转棱镜206以及第一旋转棱镜205反射至第二分光器件204与第一分光器件203，回波信号经第一分光器件503和第二分光器件204的准直和/或汇聚后发射第一探测器208与第二探测器209，从而完成激光雷达扫描。
在本发明实施例中，第一激光器201、第一旋转棱镜205以及第三旋转棱镜207对应具有第一扫描区域210；第二激光器202、第二旋转棱镜206以及第三旋转棱镜207对应具有第二扫描区域212，第一扫描区域210与第二扫描区域212重叠部分形成第三扫描区域211。第一探测器208与第二探测器209分别探测到第一扫描区域210和第二扫描区域212的回波信号将其转换为电信号后，控制单元根据重叠的第三扫描区域211的信息，将第一扫描区域210和第二扫描区域212的信息相匹配，从而实现多区域扫描，使得激光雷达装置的扫描范围更大。
可以理解的是，所述旋转棱镜属于扫描器件，其也可以是机械振镜、MEMS振镜、多棱镜组合或本领域技术人员可知的其他类型的扫描镜代替，此处不做限制。
本发明解决了二维扫描激光雷达的接收口径小，扫描范围小，且可靠性低等问题，实现多扫描区域，使得激光雷达装置的扫描范围更大，大大提升了激光雷达测距能力。
图3为本发明二维扫描激光雷达装置另一实施例示意图，所述激光雷达装置300包括激光器301、第一透镜302与第二透镜305、分光元件以及探测器306。其中，所述分光元件包括偏振分光片303、四分之一波片304；所述偏振分光片303用于反射由激光器301发射的经扫描区域反射回的激光束，而所述四分之一波片304用于将线偏振光转换为圆偏振光。在一个实施例中，激光器301发射激光束至第一透镜302，并通过第一透镜302进行准直，准直后的激光束透过偏振分光片303，再经由偏振分光片303发射光束至四分之一波片304，激光束通过四分之一波片304至扫描区域。经扫描区域调制返回的激光束再次透过四分之一波片304，调制的激光束被转换为圆偏振光后发射至偏振分光片303，再由偏振分光片303反射至第二透镜305，经过第二透镜305的汇聚后，发射至探测器306，从而完成激光雷达扫描。
在一些实施例中，所述激光器301可以是红宝石激光器、氦氖激光器、激光二极管等，用于发射激光信号，探测目标的位置、速度等特征量。需要说明的是，所述激光器301还可以是由激光器与光学部件(如，透镜、光锥等)组合而成的激光发射端，还可根据具体需求进行设置，此处不作限制。
所述第一透镜302与第二透镜305为普通光学透镜，其可以为凸透镜、凹透镜或多种透镜组合，用于对激光束进行准直、汇聚等，使得激光束更加优化。
图4为本发明二维扫描激光雷达装置又一实施例示意图，所述激光雷达装置400包括激光器401、第一透镜402与第二透镜404、分光元件以及探测器405；其中，所述分光元件为反射镜403，反射镜403上设置有入光孔，用于透过由激光器401发射的激光束。在一个实施例中，激光器401发射光束经过第一透镜402进行准直，准直后的光束通过反射镜403上的入光孔入射至扫描区域。经扫描区域调制返回的光束经过反射镜403的反射至第二透镜404，被调制的光束经过第二透镜404聚焦在探测器405上，从而产生测量信号。
在一个实施例中，所述反射镜403可以是镀膜分光反射镜，如图5所示，镀膜分光反射镜500包括透明基板501与高反射(High-Reflection)膜502，其中，高反射膜502设置有接收经扫描区域返回的反射光束的一面，用于提高返回的反射光束的光通量；所述高反射膜502上设置有透光孔，可供入射激光束透过。当入射激光束透过镀膜分光反射镜500时，激光束通过透镜基板501和高反射膜502上的透光孔入射至扫描区域，经扫描区域调制后的激光束返回到高反射膜502上，激光束在高反射膜502上反射至探测器，从而完成激光雷达扫描。需要说明的是，所述高反射膜502可以是一层或者多层结构，根据激光器发射激光的波长以及具体需求而定，此外，其镀膜方式包含磁控溅射、电子束热蒸发、气相沉积以及一些化学镀膜方式，在本实施例中不作特别限制。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述设备的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件结合软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维扫描激光雷达装置，用于向扫描区域发射激光束，包括有发射单元、接收单元以及与发射单元和接收单元连接的控制单元；其特征在于：还包括有分光器件、以及旋转棱镜；其中，
所述发射单元包括至少两个激光器，用于向所述扫描区域发射激光信号；
所述分光器件用于对发射的激光信号进行准直和/或汇聚，并反射经扫描区域上反射的回波信号；
所述接收单元包括至少两个探测器，用于接收所述回波信号；
所述旋转棱镜至少为三个，分别为第一、第二、第三旋转棱镜，以用于通过旋转调节激光信号的扫描方向及角度；
所述控制单元，用于对所述发射单元和所述接收单元进行控制，并对接收到的所述回波信号进行处理。
2.如权利要求1所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述激光器为第一、第二激光器，所述探测器为第一、第二探测器；对应于第一、第二探测器，分光器件包括有第一、第二分光器件；第一、第二激光器分别发射激光信号至第一、第二分光器件，激光信号经过第一、第二分光器件准直和/或汇聚后发射至第一、第二旋转棱镜。
3.如权利要求1所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述分光器件包括偏振分光片、以及四分之一波片；所述偏振分光片用于反射由激光器发射的经扫描区域反射回的激光束，而所述四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光。
4.如权利要求1所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述分光器件为反射镜，所述反射镜上设置有入光孔，用于透过由激光器发射的激光束。
5.如权利要求2所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述第一旋转棱镜与第二旋转棱镜在水平方向上对激光信号进行调节，被调节后的激光信号发射至第三旋转棱镜，第三旋转棱镜通过旋转对激光信号进行垂直方向的调节，使激光信号以不同的角度发射从而对扫描区域进行扫描。
6.如权利要求3所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，还包括有第一透镜和第二透镜，其中，激光器发射激光束通过第一透镜进行准直后经由偏振分光片发射至四分之一波片；经扫描区域反射回的激光束透过四分之一波片后发射至偏振分光片，再由偏振分光片反射至第二透镜，经过第二透镜的汇聚后，发射至探测器。
7.如权利要求3所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述反射镜为镀膜分光反射镜，所述镀膜分光反射镜包括有透明基板与高反射膜。
8.如权利要求4所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，第一激光器、第一旋转棱镜以及第三旋转棱镜对应具有第一扫描区域；第二激光器、第二旋转棱镜以及第三旋转棱镜对应具有第二扫描区域；第一扫描区域与第二扫描区域重叠部分形成第三扫描区域；第一探测器与第二探测器分别探测到第一扫描区域和第二扫描区域的回波信号将其转换为电信号后，控制单元根据重叠的第三扫描区域的信息，将第一扫描区域和第二扫描区域的信息相匹配。
9.如权利要求1-8任一项所述的二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述控制单元包括有寄存器、处理器、以及控制电路，用于对发射单元、接收单元进行控制和处理。
10.一种电子设备，其特征在于，包括有权利要求9所述的二维扫描激光雷达装置，用于对目标对象进行激光雷达扫描，获取目标对象的相关信息；以及CPU处理器单元，用于对二维扫描激光雷达装置所获取的目标对象的相关信息进行处理。
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