CN110873871A - 激光发射阵列、扫描装置、激光雷达及智能车辆、无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光发射阵列、扫描装置、激光雷达及智能车辆、无人机。该激光发射阵列包括：第一发射电路板，具有第一表面以及第二表面；第二发射电路板，具有第三表面以及第四表面，该第二表面与该第三表面相对；多个第一激光发射装置，设置于该第二表面；多个第二激光发射装置，设置于该第三表面；其中该第一激光发射装置与该第二激光发射装置相互交错设置，以减小该第一发射电路板与该第二发射电路板之间的间距。本发明通过将激光发射阵列结构设置的较为紧凑，进而使得激光雷达的结构紧凑，实现轻薄短小。

Description

激光发射阵列、扫描装置、激光雷达及智能车辆、无人机

技术领域

本发明涉及三维信息重建领域，特别是涉及一种激光发射阵列、扫描装置、激光雷达及智能车辆、无人机。

背景技术

激光雷达是一种利用激光光波探测目标的位置的电子装置。随着技术的发展，激光雷达已逐渐成为无人驾驶智能汽车或者无人机的关键传感器。智能汽车以及无人机的组成构造复杂，且以较高的速度行进，其体积以及重量的参数选择对行驶以及飞行安全来说至关重要，故而对于结构设计来说，如果能够实现激光雷达的结构的轻薄短小，对于提升产品性能，改善激光雷达载体的稳定性，具有非常重大的意义。特别是，实现激光雷达的结构紧凑，轻薄短小是本领域的技术人员追求的方向。为了实现这一目的，使得激光发射阵列结构更为紧凑，也是本领域的技术人员具体研发改进的方向。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，使得激光发射阵列结构更为紧凑。进而使得激光雷达的结构紧凑，实现轻薄短小。

更进一步的，通过提高发射装置的设置稳定性，提高接收装置的准确性。

本发明公开了一种激光发射阵列，该激光发射阵列包括至少一个发射电路板组，该发射电路板组包括：

第一发射电路板，具有第一表面以及第二表面；

第二发射电路板，具有第三表面以及第四表面，该第二表面与该第三表面相对；

多个第一激光发射装置，设置于该第二表面；

多个第二激光发射装置，设置于该第三表面；

其中该第一激光发射装置与该第二激光发射装置相互交错设置，以减小该第一发射电路板与该第二发射电路板之间的间距。

该第一激光发射装置以及该第二激光发射装置设置在发射透镜的焦平面上。

每个该第一激光发射装置发射的激光通过第一快准光学器件进行准直后出射，每个该第二激光发射装置发射的激光通过第二快准光学器件进行准直后出射。

该多个第一激光发射装置以及该多个第二激光发射装置位于同一条直线上或大体上位于同一条直线。

至少一对相邻第一激光发射装置之间的间距足以容置至少一该第二激光发射装置。

该多个第一激光发射装置分为至少两个第一激光发射组，该多个第二激光发射装置分为至少两个第二激光发射组，至少一对相邻第一激光发射组之间的间距足以容置该第二激光发射组。

该第一激光发射组包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个激光发射装置；

该第二激光发射组包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个激光发射装置。

所有该第一激光发射装置作为第一激光发射组，所有该第二激光发射装置作为第二激光发射组，该第一激光发射组与该第二激光发射组首尾相接并位于同一条直线或大体上位于同一直线。

该激光发射装置是光纤激光器或激光二极管，该激光发射装置是激光点光源或者激光面光源。

该激光发射阵列包括多个该发射电路板组，所有激光发射装置的出射激光依次错开组成一扫描线阵列。

所述的激光发射阵列还包括至少一第三发射电路板，设置于该发射电路板组的第一侧，多个第三激光发射装置设置于该第三发射电路板，所有激光发射装置的出射激光依次错开。

所述的激光发射阵列还包括至少一第三发射电路板以及至少一第四发射电路板，该第三发射电路板以及该第四发射电路板分别设置于该发射电路板组两侧，多个第三激光发射装置设置于该第三发射电路板，多个第四激光发射装置设置于该第四发射电路板，所有激光发射装置的出射激光依次错开。

多个该第三发射电路板在该发射电路板组的第一侧层叠设置，或者，多个该第三发射电路板在该发射电路板组的第一侧相互错开设置。

本发明还公开了一种包括所述的激光发射阵列的激光扫描装置，该装置包括：

扫描棱镜，该扫描棱镜包括多个扫描镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴旋转,每个该扫描镜面的法线分别与一参考面形成一空间角，所有的该空间角的角度各不相同；

激光发射阵列，该激光发射阵列朝向该扫描棱镜发出多束激光，该多束激光沿该扫描轴延伸方向排列，该多束激光形成的扫描视场在该扫描轴延伸方向上存在不同的分辨率。

本发明还公开了一种包括所述的激光发射阵列的激光雷达，该激光雷达包括：

所述的激光发射阵列，用于产生激光信号；

激光接收阵列，用于接收所述激光信号的回波信号；

发射透镜以及接收透镜，用于对该激光信号以及该回波信号进行光学调整；

数据处理装置，用于根据该回波信号产生目标物的位置信息。

本发明还公开了一种包括所述的激光雷达的智能车辆或无人机，该智能车辆的车体中设置有所述的激光雷达，或者，该无人机中设置有所述的激光雷达。

本发明通过将激光发射阵列结构设置的较为紧凑，进而使得激光雷达的结构紧凑，实现轻薄短小。同时还可保证良率。另外，由于在激光发射阵列一侧的结构紧凑、发光区域相对集中，使得激光接收阵列的接收区域相对紧凑，信号获取稳定性高，则激光雷达的最终输出数据的准确性好。

附图说明

图1所示为本发明的激光雷达的结构示意图。

图2所示为本发明的激光发射阵列的结构示意图。

图3A所示为本发明的第一发射电路板11的第二表面示意图。

图3B所示为本发明的第二发射电路板12的第三表面示意图。

图3C所示为本发明对应图3A、3B的激光发射阵列的结构示意图。

图4A所示为本发明一实施例的第一发射电路板11的第二表面示意图。

图4B所示为本发明一实施例的第二发射电路板12的第三表面示意图。

图4C所示为本发明对应图4A、4B的激光发射阵列的结构示意图。

图5A所示为本发明又一实施例的第一发射电路板11的第二表面示意图。

图5B所示为本发明又一实施例的第二发射电路板12的第三表面示意图。

图5C所示为本发明对应图5A、5B的激光发射阵列的结构示意图。

图6所示为本发明一实施例的激光发射阵列的结构示意图。

图7所示为本发明的激光发射阵列所组成的扫描线阵列的示意图。

图8-11所示为本发明的激光发射阵列的结构示意图。

图12所示为本发明另一实施例的激光雷达的结构示意图。

图13所示为本发明的激光扫描装置的主体结构示意图。

图14所示为本发明的扫描棱镜的结构示意图。

图15A所示为第一扫描镜面的剖面示意图。

图15B所示为第二扫描镜面的剖面示意图。

图15C所示为第三扫描镜面的剖面示意图。

图15D所示为第四扫描镜面的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本发明的技术方案的实现过程，不作为对本发明的限制。

如图1所示为本发明的激光雷达的结构示意图。该激光雷达100包括：激光发射阵列10、准直装置20、发射透镜以及接收透镜30、激光接收阵列40以及数据处理装置50。

该激光发射阵列10，用于产生激光信号。准直装置20用于对该激光信号进行准直。发射透镜以及接收透镜30用于对该激光信号进行光学调整以达到出射需求。该出射光照射到环境中目标物并产生回波信号，由发射透镜以及接收透镜30对回波信号进行光学调整后，由激光接收阵列40接收所述激光信号的回波信号。进而，数据处理装置50根据该回波信号产生目标物的位置信息。该发射透镜以及接收透镜30可以分为发射透镜和接收透镜两块透镜，也可以同一透镜同时实现发射和接收，根据实际需要来设定。另外，该准直装置20为可选，本领域的技术人员根据实际需要选择设置与否。

如图2所示为本发明的激光发射阵列的结构示意图。

该激光发射阵列10包括至少一个发射电路板组，该发射电路板组包括相对设置的第一发射电路板11和第二发射电路板12。该第一发射电路板11具有第一表面111以及第二表面112，该第二发射电路板12具有第三表面123以及第四表面124，该第二表面112与该第三表面123相对。多个第一激光发射装置15设置于该第二表面112，多个第二激光发射装置16设置于该第三表面123。如图2所示，第二表面上设置有4个第一激光发射装置15，第三表面上设置有4个第二激光发射装置16，仅为示例，不以此数量为限。第一激光发射装置15以及第二激光发射装置16均朝向N方向投射激光。参照图2所示，N方向为向垂直纸面向外，还可参照图3A、3B所示方向N。该第一激光发射装置15与第二激光发射装置16可以采用相同型号的激光发射装置，或者根据需求分别采用不同型号。

其中该第一激光发射装置15与该第二激光发射装置16相互交错设置，即以第一激光发射装置15之间的空隙容置第二激光发射装置16，以减小该第一发射电路板11与该第二发射电路板12之间的间距S，使得激光发射阵列10结构更为紧凑，进而使得激光雷达100的结构紧凑，实现轻薄短小。通过该合理的激光发射装置的摆放，该第一发射电路板11与该第二发射电路板12可以尽可能的相互靠近设置，使得该间距S可以降低至恰容置一激光发射装置，至少是恰容置其中体型较大的该激光发射装置。

为了保证出射光的光效率，该第一激光发射装置15以及第二激光发射装置16均设置在激光雷达100的发射透镜的焦平面上。

该激光发射装置是光纤激光器或激光二极管。该激光发射装置可以是激光点光源或者激光面光源。

如图3A所示为本发明的第一发射电路板11的第二表面示意图，如图3B所示为本发明的第二发射电路板12的第三表面示意图。其中，图3B为从第四表面一侧看向第二发射电路板12，以虚线表示第三表面一侧的部件。

基于焦平面为平面，其中，该多个第一激光发射装置15呈直线设置，位于直线A上，使得所有出射光基本位于同一平面内。该多个第二激光发射装置16也呈直线设置，位于直线B上，使得所有出射光也基本位于同一平面内。同时，图3B所产生的光线与图3A中所产生的光线在直线A方向上彼此错开。

更进一步的，该多个第一激光发射装置15以及该多个第二激光发射装置16共同位于同一条直线上，或近似位于同一条直线，参照图2、图3C所示，直线A与直线B可逐渐靠近，近似或等同于重合。

基于焦平面为曲面，该多个第一激光发射装置15、该多个第二激光发射装置16均呈曲线排布以贴合该焦平面的位置。

如图3A、3B所示，相邻第一激光发射装置15之间的间距D1大于第二激光发射装置16的边长L2，相邻第二激光发射装置16之间的间距D2大于第一激光发射装置15的边长L1，以使得该第一发射电路板11与该第二发射电路板12之间可以无限贴近，降低间距S。

图4A、4B所示为在图3A、3B基础上的进一步方案变化，在这一实施例中，该多个第一激光发射装置15分为两个第一激光发射组，该多个第二激光发射装置分为两个第二激光发射组。图4A中的上方两个第一激光发射装置为一个第一激光发射组,下方两个第一激光发射装置为一个第一激光发射组。图4B中的上方两个第二激光发射装置为一个第二激光发射组,下方两个第二激光发射装置为一个第二激光发射组。

相邻第一激光发射组之间具有间距D1，相邻第二激光发射组之间具有间距D2。第一激光发射组具有边长L1，第二激光发射组具有边长L2。D1大于L2，D2大于L1，使得相邻第一激光发射组之间足以容置该第二激光发射组。

以上以第一/二发射电路板上设置有四个第一/二激光发射装置为例，其他数量也在本发明的公开范围内，当设置有八个第一/二激光发射装置时，可同理分为四组，相邻第一激光发射组之间的间距足以容置该第二激光发射组。

图4A、4B、4C以每个激光发射组包括两个激光发射装置为例，其他数量也在本发明的公开范围内，例如该第一激光发射组可以包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或其他数量的激光发射装置，该第二激光发射组包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或其他数量的激光发射装置。

另外，如图5A、5B、5C所示为本发明的又一实施例，所有该第一激光发射装置15作为第一激光发射组，所有该第二激光发射装置16作为第二激光发射组，该第一激光发射组位于直线A，该第二激光发射组位于直线B。该第一激光发射组与该第二激光发射组首尾相接并位于同一条直线或接近同一直线。图中以四个第一、二激光发射装置15、16为例，其他数量也在本发明的公开范围内，即，一个发射电路板上的所有激光发射装置所有一组，不同发射电路板上的不同激光发射组彼此交错。

参阅图6所示，该激光发射阵列10可以包括多个该发射电路板组，例如包括2个如图2所示的该发射电路板组，其他数量也在本案公开范围内。多个该发射电路板组可沿多个该发射电路板组排列方式设置，使得所有出射激光得以依次排开。特别是，在同一平面内依次排开。图7所示为图6所示该激光发射阵列10的所有出射激光依次错开组成一扫描线阵列。所有出射激光相对基准线O的出射角度各不相同，以形成扇形的扫描线阵列。在一实施例中，所有相邻出射激光的出射角度之差相同。

如图8所示，该激光发射阵列10还包括至少一第三发射电路板13，设置于如图2所示的发射电路板组的第一侧，多个第三激光发射装置17设置于该第三发射电路板13，所有第三激光发射装置17的设置高度均与第一、二激光发射装置的设置高度不同，使得所有激光发射装置的出射激光依次错开。或者，所有第三激光发射装置17的出射激光的出射角度与第一、二激光发射装置的的出射激光的出射角度不同，使得所有激光发射装置的出射激光依次错开。实现类似于图7的扫描线阵列。利用该第三发射电路板13可以增加某部分扫描线的密度，增加预定区域的扫描强度。该第三发射电路板13的位置可以根据需要设置，使得预定区域的位置可以调整。

如图9所示，在另一实施例中，可将多个该第三发射电路板13在该发射电路板组的第一侧相互错开设置，以扩大该预定区域。

如图10所示，在另一实施例中，还可将多个该第三发射电路板13层叠设置在该发射电路板组的第一侧，以进一步增加该预定区域的扫描强度。

如图11所示，该激光发射阵列10可以包括至少一第三发射电路板13以及至少一第四发射电路板14，该第三发射电路板13以及该第四发射电路板14分别设置于如图2所示的该发射电路板组两侧，多个第三激光发射装置17设置于该第三发射电路板13，多个第四激光发射装置18设置于该第四发射电路板14。利用该第三、四发射电路板13、14可以增加某部分扫描线的密度，增加预定区域的扫描强度，使得视场内不同区域的分辨率不同。所有激光发射装置的出射激光依次错开组成一扫描线阵列，亦如图7所示。

本发明的激光发射阵列还可应用于中国申请201720960371.3、201710654507.2、201720961793.2所述的“激光发射装置”中。

本发明通过不同发射电路板相对设置，不同发射电路板上的激光发射装置相互交错的方式，尽可能压缩不同发射电路板之间的间距，使得激光发射阵列结构设置的较为紧凑，进而使得激光雷达的结构紧凑，实现轻薄短小。另外，由于在激光发射阵列一侧的结构紧凑、发光区域相对集中，使得激光接收阵列的接收区域相对紧凑，信号获取稳定性高，则激光雷达的最终输出数据的准确性好。

在另一实施例中，如图12、13、14所示，该激光发射阵列10、准直装置20以及发射透镜以及接收透镜30前方设置有扫描棱镜60。该扫描棱镜包括多个扫描镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴旋转,每个该扫描镜面的法线分别与一参考面形成一空间角，所有的该空间角的角度各不相同。该激光发射阵列10朝向该扫描棱镜60发出多束激光，该多束激光沿该扫描轴延伸方向排列，该多束激光形成的扫描视场在该扫描轴延伸方向上存在不同的分辨率。该激光发射阵列10、准直装置20、发射透镜以及接收透镜30以及扫描棱镜60实质上构成激光扫描装置。

扫描棱镜可包括多个扫描镜面，所有扫描镜面围绕一扫描轴O旋转。具体来说，扫描棱镜1可包括三、四、五或六扫描镜面，以下暂以四个扫描镜面为例进行描述。该扫描棱镜1具有四个扫描镜面，每个扫描镜面均具有法线P。扫描轴O与每个扫描镜面的法线P，分别形成一空间角，共四个空间角。该四个空间角不完全相同。

图15A所示为第一扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面上端向远离扫描轴方向倾斜。

图15B所示为第二扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面与扫描轴平行。

图15C所示为第三扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面上端向略微靠近扫描轴方向倾斜。

图15D所示为第四扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面上端在图15C基础上进一步向靠近扫描轴方向倾斜。

该扫描棱镜60包括四个该扫描镜面，以该空间角排序得到第一、二、三、四镜面，该第一镜面与该第二镜面的该空间角之差为第一角度差，该第二镜面与该第三镜面的该空间角之差为第二角度差，该第三镜面与该第四镜面的该空间角之差为第三角度差，该第一角度差小于该第二角度差，该第三角度差小于该第二角度差。

该多束激光依次间隔一相同夹角，即沿直线排列的多束激光，相邻激光之间的夹角相同。

所述多束激光呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

本发明还公开了一种智能车辆，该智能车辆的车体中设置有以上所述的激光雷达。该激光雷达可设置于车头、车尾、侧面或车顶处，根据需求而选择其设置位置。本发明还公开了一种无人机，所述激光雷达可设置于该无人机的机身中。

以上仅用于描述本发明的实现过程，本领域技术人员根据本发明所做的明显变型仍属于本发明的公开范围。

Claims (16)

1.一种激光发射阵列，其特征在于，该激光发射阵列包括至少一个发射电路板组，该发射电路板组包括：

第一发射电路板，具有第一表面以及第二表面；

第二发射电路板，具有第三表面以及第四表面，该第二表面与该第三表面相对；

多个第一激光发射装置，设置于该第二表面；

多个第二激光发射装置，设置于该第三表面；

其中该第一激光发射装置与该第二激光发射装置相互交错设置，以减小该第一发射电路板与该第二发射电路板之间的间距。

2.如权利要求1所述的激光发射阵列，其特征在于，该第一激光发射装置以及该第二激光发射装置设置在发射透镜的焦平面上。

3.如权利要求1所述的激光发射阵列，其特征在于，每个该第一激光发射装置发射的激光通过第一快准光学器件进行准直后出射，每个该第二激光发射装置发射的激光通过第二快准光学器件进行准直后出射。

4.如权利要求2所述的激光发射阵列，其特征在于，该多个第一激光发射装置以及该多个第二激光发射装置位于同一条直线上或大体上位于同一条直线。

5.如权利要求2或3或4所述的激光发射阵列，其特征在于，至少一对相邻第一激光发射装置之间的间距足以容置至少一该第二激光发射装置。

6.如权利要求2或3或4所述的激光发射阵列，其特征在于，该多个第一激光发射装置分为至少两个第一激光发射组，该多个第二激光发射装置分为至少两个第二激光发射组，至少一对相邻第一激光发射组之间的间距足以容置该第二激光发射组。

7.如权利要求6所述的激光发射阵列，其特征在于，该第一激光发射组包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个激光发射装置；

该第二激光发射组包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个激光发射装置。

8.如权利要求2或3或4所述的激光发射阵列，其特征在于，所有该第一激光发射装置作为第一激光发射组，所有该第二激光发射装置作为第二激光发射组，该第一激光发射组与该第二激光发射组首尾相接并位于同一条直线或大体上位于同一直线。

9.如权利要求1所述的激光发射阵列，其特征在于，该激光发射装置是光纤激光器或激光二极管，该激光发射装置是激光点光源或者激光面光源。

10.如权利要求1所述的激光发射阵列，其特征在于，该激光发射阵列包括多个该发射电路板组，所有激光发射装置的出射激光依次错开组成一扫描线阵列。

11.如权利要求1或10所述的激光发射阵列，其特征在于，还包括至少一第三发射电路板，设置于该发射电路板组的第一侧，多个第三激光发射装置设置于该第三发射电路板，所有激光发射装置的出射激光依次错开。

12.如权利要求1或10所述的激光发射阵列，其特征在于，还包括至少一第三发射电路板以及至少一第四发射电路板，该第三发射电路板以及该第四发射电路板分别设置于该发射电路板组两侧，多个第三激光发射装置设置于该第三发射电路板，多个第四激光发射装置设置于该第四发射电路板，所有激光发射装置的出射激光依次错开。

13.如权利要求11所述的激光发射阵列，其特征在于，多个该第三发射电路板在该发射电路板组的第一侧层叠设置，或者，多个该第三发射电路板在该发射电路板组的第一侧相互错开设置。

14.一种包括如权利要求1-13中任一所述的激光发射阵列的激光扫描装置，其特征在于，该装置包括：

扫描棱镜，该扫描棱镜包括多个扫描镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴旋转,每个该扫描镜面的法线分别与一参考面形成一空间角，所有的该空间角的角度各不相同；

激光发射阵列，该激光发射阵列朝向该扫描棱镜发出多束激光，该多束激光沿该扫描轴延伸方向排列，该多束激光形成的扫描视场在该扫描轴延伸方向上存在不同的分辨率。

15.一种包括如权利要求1-13中任一所述的激光发射阵列的激光雷达，其特征在于，该激光雷达包括：

如权利要求1-13中任一所述的激光发射阵列，用于产生激光信号；

激光接收阵列，用于接收所述激光信号的回波信号；

发射透镜以及接收透镜，用于对该激光信号以及该回波信号进行光学调整；

数据处理装置，用于根据该回波信号产生目标物的位置信息。

16.一种包括如权利要求15所述的激光雷达的智能车辆或无人机，其特征在于，该智能车辆的车体中设置有如权利要求15所述的激光雷达，或者，该无人机中设置有如权利要求15所述的激光雷达。

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