CN111007478A - 激光雷达探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光雷达探测装置，包括曲面罩体、激光器、第一透镜、探测器以及第二透镜，激光器的出射光束依次经第一透镜、曲面罩体出射至被测物，形成发射光路，第一透镜的第一光轴和曲面罩体的相交点的法向和第一光轴重合，被测物反射的反射光束依次经罩体、第二透镜入射至探测器，形成接收光路，第二透镜的第二光轴和曲面罩体的相交点的法向和第二光轴重合。本申请提供的激光雷达探测装置将第一光轴和第二光轴设置得与各个光轴和曲面相交点的法向重合，发射光路和接收光路不受曲面罩体的形状影响，能够消除发射光路和接收光路的像散，提升出射光束照射到被测物的光斑质量和能量，从而提高探测器接收到的光能量和激光雷达的探测性能。

Description

激光雷达探测装置

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及激光雷达探测装置。

背景技术

激光雷达是一种常用的测距传感器，由于具有分辨率高、受环境因素干扰小等优点，其在工业领域、智能机器人、汽车等领域应用广泛。目前，激光雷达探测装置的发射光路和接收光路均会透过雷达罩体，由于雷达罩体的影响使得光线会产生像散，例如：当探测光被障碍物反射后，透过激光雷达外罩返回至探测器时，雷达罩体对光有发散的作用，使得现有的激光雷达探测装置会存在像散的问题，使像斑变大，降低激光雷达中探测器接收效率。因此，如何降低激光雷达的像散，提高探测器的接收效率成为了一个重要的课题。

发明内容

本申请实施例提出了一种激光雷达探测装置，以解决以上问题。

本申请实施例通过以下技术方案来实现上述目的。

本申请实施例提供一种激光雷达探测装置，包括曲面罩体、激光器、第一透镜、探测器和第二透镜，激光器的出射光束依次经第一透镜、曲面罩体出射至被测物，形成发射光路，其中，第一透镜具有第一光轴，第一光轴和曲面罩体的相交点的法向和第一光轴重合，被测物反射的反射光束依次经曲面罩体、第二透镜入射至所述探测器，形成接收光路，第二透镜具有第二光轴，第二光轴和曲面罩体的相交点的法向和第二光轴重合。

在一些实施方式中，出射光束具有快轴方向和慢轴方向，快轴方向与所述法向垂直，且慢轴方向与快轴方向、法向均垂直。

在一些实施方式中，曲面罩体为空心圆柱结构或球体结构。

在一些实施方式中，第一光轴和第二光轴平行。

在一些实施方式中，第一透镜的焦距小于第二透镜的焦距。

在一些实施方式中，激光器位于第一透镜的焦点，探测器位于第二透镜的焦点。

在一些实施方式中，第一透镜和第二透镜中至少有一者为单片高阶非球面透镜。

在一些实施方式中，第一透镜和所述第二透镜之间设置有光学隔离部。

在一些实施方式中，光学隔离部为粘接层，粘胶层粘接于所述第一透镜和第二透镜之间。

在一些实施方式中，激光雷达探测装置还包括信号处理系统，激光器和探测器均与所述信号处理系统信号连接。

相较于现有技术，本申请提供的激光雷达探测装置将第一光轴和第二光轴设置得与各个光轴和曲面相交点的法向重合，发射光路和接收光路不受曲面罩体的形状影响，能够消除发射光路和接收光路的像散，提升出射光束照射到被测物的光斑质量和能量，从而提高探测器接收到的光能量和激光雷达的探测性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的结构示意图。

图2是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的剖视图(剖切面是曲面罩体的横截面)。

图3是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的发射光路结构示意图。

图4是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的接收光路结构示意图。

图5是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的第一透镜和第二透镜在组装状态下的结构示意图。

图6是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的激光器的工作原理图。

图7是本申请实施例提供的激光雷达探测装置的工作原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

现有的激光雷达探测装置会存在像散的问题，使像斑变大，降低激光雷达中探测器接收效率，子午细光束像点在主光线上，弧矢细光束像点在主光线和辅轴的交点上，两者之轴向距离为像散。当视场由小变大时，子午细光束像点和弧矢细光束像点会偏离高斯像面。如果把各视场的子午细光束像点或弧矢细光束像点连起来，将会得到弯曲的像面，这就是像面弯曲；一般雷达罩体的壁面为曲面，从而使两个焦点之间所产生的影像会变得模糊，边缘像渗开，光斑变大，这些会直接导致探测器上所能接收到的能量变小。

为了解决上述问题，请参阅图1，本申请实施例提供一种激光雷达探测装置100，包括曲面罩体124、激光器111、第一透镜112、探测器114和第二透镜113。

请参阅图2至图4，激光器111的出射光束EB1依次经第一透镜112、曲面罩体124出射至被测物，形成发射光路LP1，其中，第一透镜112具有第一光轴OA1，第一光轴OA1和曲面罩体124的相交点P1的法向F1和第一光轴OA1重合；被测物反射的反射光束RB1依次经曲面罩体124、第二透镜113入射至探测器114，形成接收光路RP1，第二透镜113具有第二光轴OA2，第二光轴OA2和曲面罩体124的相交点P2的法向F2和第二光轴OA2重合。

本申请提供的激光雷达探测装置100通过将第一光轴OA1和曲面罩体124的相交点P1的法向F1和第一光轴OA1重合，以及第二光轴OA2和曲面罩体124的相交点Q2的法向F2和第二光轴OA2重合，发射光路LP1和接收光路RP1不受曲面罩体124的形状影响，能够消除发射光路LP1和接收光路RP1的像散，提升出射光束EB1照射到被测物的光斑质量和能量，从而提高探测器114接收到的光能量，以及激光雷达的探测性能。

请参阅图1和图2，在本实施例中，曲面罩体124为空心薄壁的圆柱体状结构，曲面罩体124可以由玻璃或者光学塑料制成。曲面罩体124包括周壁1241，周壁1241限定形成收容空间1213。

在一些实施方式中，曲面罩体124可以为空心椭圆柱体结构或者球体结构，例如：曲面罩体124空心薄壁半球体结构。

在本实施例中，激光器111、第一透镜112、探测器114和第二透镜113均设置于收容空间1213。

请参阅图2和图5，在本实施例中，第一透镜112和第二透镜113沿曲面罩体124的轴向并排设置，且第一透镜112的第一光轴OA1和第二透镜113的第二光轴OA2与曲面罩体124的径向一致，也即第一透镜112的第一光轴OA1和第二透镜113的第二光轴OA2平行，且两者均与曲面罩体124的径向平行。在本实施例中，第一透镜112和第二透镜113均为单片平凸镜。具体地，第一透镜112的物侧面S1为凸面，其像侧面S2为平面；第二透镜113的物侧面S3为凸面，其像侧面S4为平面，第一透镜112的物侧面S1和第二透镜113的物侧面S3均朝向曲面罩体124的周壁1241，出射光束EB1被第一透镜112准直后沿曲面罩体124的径向出射。在一些实施方式中，第一透镜112和第二透镜113可以为双凸镜，或者多组凸镜的组合。在此，对第一透镜112和第二透镜113的具体数量和具体结构不作限定，只要可以分别使得出射光束EB1经第一透镜112出射至被测物，反射光束RB1经过第二透镜113入射至探测器114即可。

在一些实施例中，第一透镜112和第二透镜113中至少有一者为单片高阶非球面透镜，作为一种示例：第一透镜112和第二透镜113均可以采用直边高阶非球面透镜，具体地，第一透镜112包括第一侧平面1121，第一侧平面1121和第一透镜112的第一光轴OA1大致平行，第一侧平面1121连接于第一透镜112的像侧面S1和其物侧面S2之间；第二透镜113包括第二侧平面1131，第二侧平面1131和第二透镜113的第二光轴OA2大致平行，且第二侧平面1131连接于第二透镜113113的像侧面S3和其物侧面S4之间。第一透镜112和第二透镜113均采用非球面镜片，可以有效地减少像差，第一透镜112将激光器111发出的出射光束EB1进行整形和准直的同时，可以消除发射光路LP1和接收光路RP1的像散。同时，采用单片的非球面透镜出射光束，以及单片的非球面透镜接收光束，可有效地降低装调难度和制造成本。

在一些实施方中，第一透镜112和第二透镜113可以采用同一种非球面透镜，可进一步减少加工制造成本。在一些实施方中，第一透镜112和第二透镜113可以为玻璃透镜，由于玻璃材质受温度的变化影响较小，可以减少温度变化对测量精度的影响。此外，在一些实施方式中，第一透镜112和第二透镜113也可以均采用塑胶透镜，或者，一者采用玻璃透镜，另一者采用塑胶透镜。

在本实施例中，第一侧平面1121和第二侧平面1131均为平面，且第一侧平面1121和第二侧平面1131平行设置，且第一侧平面1121的相对两个侧边与第二侧平面1131相对的两个侧边齐平。

在本实施例中，第一透镜112和第二透镜113之间设置有光学隔离部115，光学隔离部115可以由不透光的材料制成，通过设置光学隔离部115可以有效地防止第一透镜112和第二透镜113之间的光束发生串扰，隔离杂散信号的干扰，可极大地提高激光雷达探测装置100的信噪比，扩大测量范围，增加测量精度。其中，光学隔离部115可以是隔离粘胶层，例如：隔离粘胶层可以是不透光胶水，将不透光胶水填充于第一透镜112和第二透镜113之间的空隙以形成隔离。

隔离粘胶层粘接于第一透镜112和第二透镜113之间，具体地，隔离粘胶层粘接于的第一侧平面1121和第二透镜113的第二侧平面1131之间。这样可以尽可能地减少第一透镜112和第二透镜113之间的间距，以缩小或者消除盲区。通过设置光学隔离部115使得激光雷达探装置的测量信号的质量和测距范围均有明显的提升。

在一些实施方式中，也可以直接在第一侧平面1121和第二侧平面1131镀有不透光的膜层，例如：在第一侧平面1121和第二侧平面1131涂墨后胶合，第一侧平面1121和第二侧平面1131之间可以是无缝胶合形成胶合面，以减少第一透镜112和第二透镜113之间的间距，增加光束的发射和接收面积，缩小盲区，甚至消除盲区；或者，第一侧平面1121和第二侧平面1131也可以相互贴合设置，由于第一侧平面1121和第二侧平面1131均为平面且相互平行，将两者贴合可以实现两者之间的无缝隙配合，以使两者贴合地更加紧凑，从而使发射光路LP1与接收光路RP1尽量接近，但发射光路LP1和接收光路RP1的边缘光线接近而不相交，以避免发射光路LP1和接收光路RP1发生串扰，从而达到消除盲区的作用，同时，将第一透镜112和第二透镜113组合的更加紧凑，以减小激光雷达探测装置100的整体结构尺寸。

在一些实施方式中，光学隔离部115也可以是隔离片，其中隔离片的厚度可以根据实际需求设置，将隔离片的厚度尽可能地减薄，这样可以有效地减少第一透镜112和第二透镜113之间的间距，以缩小或者消除盲区。此外，在一些实施方式中，第一透镜112和第二透镜113之间也可以采用空气进行隔离，即只要满足发射光路LP1和接收光路RP1之间不发生串扰即可。

请参阅图6所示，在本实施例中，激光器111可以半导体激光器，激光器111的出射光束EB1两个相互垂直的方向发散角不同，发光尺寸也不同，出射光束EB1形成大致椭圆形的光斑，出射光束EB1具有快轴方向FA和慢轴方向SA，其中，快轴方向FA是指发散角较大的方向；慢轴方向SA是指发散角较小的方向，慢轴方向SA与快轴方向FA相互垂直。

请参阅图2和图5，在本实施例中，激光器111位于第一透镜112的第一光轴OA1，且激光器111的光源中心可以位于第一透镜112的焦点，由于光线中心点的光束强度最强且光束更加集中，以使出射光束EB1以平行光束射向至被测物。激光器111发出的出射光束EB1被第一透镜112准直后沿发射光路LP1经曲面罩体124出射至被测物，将出射光束EB1以平行于第一光轴OA1出射，快轴方向FA和法向F1垂直(如图2所示)，且与切向Q1平行，也即快轴方向FA和曲面罩体124的径向一致，此时，出射光束EB1的慢轴方向SA与快轴方向FA、法向F1均垂直，也即慢轴方向SA沿曲面罩体124的轴向。通过将快轴方向FA沿曲面罩体124的径向，以及慢轴方向SA沿曲面罩体124的轴向，同时，第一透镜112采用高阶非球面透镜的合理化设计，将出射光束EB1整形和准直的同时，使得发射光路LP1和接收光路RP1不受曲面罩体124的形状影响，可以消除发射光路LP1和接收光路RP1的像散，减少像斑，提升出射后照射到被测物的光斑质量和能量。

在本实施例中，探测器114位于第二透镜113的光轴，且探测器114可以位于第二透镜113的焦点，使得反射光束RB1聚集于探测器114，增加探测器114接收到反射光束RB1的光能量，进而提高激光雷达探测装置100的性能。

在一些实施方式中，为了增加探测器114接收更多的反射光束RB1，可以增加第二透镜113的接收面积，一般地，透镜的曲率半径越大，透镜的物侧面的表面也就越大。在一些实施方式中，第一透镜112的焦距可以小于第二透镜113的焦距，一方面可以使得位于第一透镜112焦点的激光器111距离第一透镜112更近，以使激光器111发出的光束更多地入射于第一透镜112，同时，将第二透镜113的焦距变大也可以适当地提高第二透镜113的接收面积。

在本实施例中，接收光路RP1和发射光路LP1相对于对称平面对称，对称平面也是曲面罩体124的一个横截面，经过第一光轴OA1和第二光轴OA2的连线的中点，使得发射光路LP1和接收光路RP1的光轴不受到曲面罩体124的影响，便于设计和仿真，有利于消除杂散信号和缩小盲区。

在一些实施方式中，激光雷达探测装置100还可以包括镜架(图未示)和补偿激光装置，镜架固设于曲面罩体124的周壁1241，镜架可用于安装第一透镜112和第二透镜113，镜架直接作为参考物，补偿激光装置发射的补偿光束射向镜架并通过镜架对补偿光束进行散射和反射，经镜架散射和反射形成的光束射入至探测器114，形成散射和反射式的回波信号作为补偿信号，通过将参考物的回波信号作为补偿信号以对激光雷达探测装置100的测量精度进行补偿，由于补偿激光装置与参考物之间的距离为固有标准距离，通过固定标准距离与实时测量距离的差值作为距离补偿值，能实现准确对激光雷达测量距离进行校准，从而提高激光雷达的测量精度；同时，使得整个激光雷达探测装置100的结构更加简单，信号更加稳定，寿命更长，由于镜架和补偿激光装置的位置相对固定，而不需要再去单独安装和调试，使得整个使用过程更加简单。

请参阅图7，在本实施例中，激光雷达探测装置100包括信号处理系统130，激光器111和探测器114均信号连接于信号处理系统130，信号处理系统130用于处理探测器114的接收信号以计算并测量与被测物之间的距离等参数。例如：信号处理系统130通过接收到被测物反射回的激光回波信号，可以通过计算发射的激光信号和接收到被测物反射回的激光回波信号这个过程中的时间，来计算激光雷达探测装置100到被测物之间的距离。

本申请提供的激光雷达探测装置100通过将第一光轴OA1和曲面罩体124的相交点P1的法向F1和第一光轴OA1重合，以及第二光轴OA2和曲面罩体124的相交点Q2的法向F2和第二光轴OA2重合，发射光路LP1和接收光路RP1不受曲面罩体124的形状影响，能够消除发射光路LP1和接收光路RP1的像散，提升出射光束EB1照射到被测物的光斑质量和能量，从而提高探测器114接收到的光能量，以及激光雷达的探测性能。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达探测装置，其特征在于，包括：

曲面罩体，所述曲面罩体限定收容空间；

激光器、第一透镜，所述激光器和所述第一透镜位于所述收容空间内，所述激光器的出射光束依次经所述第一透镜、所述曲面罩体出射至被测物，形成发射光路，其中，所述第一透镜具有第一光轴，所述第一光轴和所述曲面罩体的相交点的法向和所述第一光轴重合；以及

探测器、第二透镜，所述探测器和所述第二透镜位于所述收容空间内，所述被测物反射的反射光束依次经所述曲面罩体、所述第二透镜入射至所述探测器，形成接收光路，所述第二透镜具有第二光轴，所述第二光轴和所述曲面罩体的相交点的法向和所述第二光轴重合。

2.根据权利要求1所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述出射光束具有快轴方向和慢轴方向，所述快轴方向与所述法向垂直，且所述慢轴方向与所述快轴方向、所述法向均垂直。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述曲面罩体为空心圆柱结构或球体结构。

4.根据权利要求1所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述第一光轴和所述第二光轴平行。

5.根据权利要求1所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述第一透镜的焦距小于所述第二透镜的焦距。

6.根据权利要求1所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述激光器位于所述第一透镜的焦点，所述探测器位于所述第二透镜的焦点。

7.根据权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜中至少有一者为单片高阶非球面透镜。

8.根据权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜之间设置有光学隔离部。

9.根据权利要求8所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述光学隔离部为粘接层，所述粘胶层粘接于所述第一透镜和所述第二透镜之间。

10.根据权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测装置，其特征在于，所述激光雷达探测装置还包括信号处理系统，所述激光器和所述探测器均与所述信号处理系统信号连接。

Images