CN111090098A - 测距光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测距光学系统，用于侦测探测目标的距离信息；测距光学系统包括：发射模组，包括第一激光源及可旋转的第一扫描器，第一扫描器用于接收第一激光源出射的参考光并出射；光引导模组，用于将所述参考光引导至所述探测目标，被所述探测目标反射的所述参考光为探测光，所述光引导模组还用于接收所述探测光以将所述探测光出射；接收模组，包括探测器及可旋转的第二扫描器，所述第二扫描器用于将所述探测光引导至所述探测器；以及控制器，电连接所述发射模组及所述接收模组，用于同步控制所述第一扫描器及所述第二扫描器的旋转角度，以使得所述探测光入射至所述探测器，并用于根据所述探测器接收的探测光获取所述探测目标的距离信息。

Description

测距光学系统
技术领域
本发明涉及激光探测领域，尤其涉及一种测距光学系统。
背景技术
激光雷达具有探测精度高、测量距离远、抗干扰能力强等优点，被广泛的应用于无人机、无人驾驶、自动导航、机器人等众多领域，并成为这些领域不可缺失的核心传感器。
现有技术中，激光雷达中的光学系统常采用的设计方案，一方面存在难以消除存在的近场盲区、难以提升探测视野的问题；另一方面，由于接收光路的视场角大于发射光路的视场角，便会收集被测目标物周围环境的弱光能量，造成背景噪声增大，降低了探测器获取有用信号的信噪比，因此对探测器和信号处理电路的要求更高。
发明内容
本发明一方面提供一种测距光学系统，用于侦测探测目标的距离信息；所述测距光学系统包括：
发射模组，包括第一激光源及可旋转的第一扫描器，所述第一扫描器用于接收所述第一激光源出射的参考光并出射；
光引导模组，用于将所述参考光引导至所述探测目标，被所述探测目标反射的所述参考光为探测光，所述光引导模组还用于接收所述探测光以将所述探测光出射；
接收模组，包括探测器及可旋转的第二扫描器，所述第二扫描器用于将所述探测光引导至所述探测器；以及
控制器，电连接所述发射模组及所述接收模组，用于同步控制所述第一扫描器及所述第二扫描器的旋转角度，以使得所述探测光入射至所述探测器，并用于根据所述探测器接收的探测光获取所述探测目标的距离信息。
上述测距光学系统，通过控制参考光及探测光由同一光引导模组引导，且通过控制器同步控制第一扫描器及第二扫描器的旋转角度，使得无论第一扫描器以何角度出射参考光，探测光都可被引导至探测器，且使得探测光在探测器上形成的激光光斑与参考光从光引导模组出射时的光斑几乎相同，因此相较于现有技术，上述测距光学系统，有利于提高参考光的利用率，减少参考光能量的浪费，提高探测精准度，进而有利于减小对探测器和控制器的要求。
附图说明
图1为本发明实施例一的测距光学系统的结构示意图。
图2为图1中测距光学系统的一工作状态示意图。
图3为本发明实施例二的测距光学系统的结构示意图。
图4为本发明实施例三的测距光学系统的模块结构示意图。
主要元件符号说明
测距光学系统 10、30、40
发射模组 11
第一激光源 111
第一扫描器 112
准直透镜 113
光引导模组 12
光引导元件 121
聚焦透镜 122
第一波片 123
接收模组 13
探测器 131
第二扫描器 132
聚焦镜 133
控制器 14
温度补偿模组 15
第二激光源 151
光栅 152
第二波片 153
位移控制器 16
转子 161
马达 162
参考光 L1
探测光 L2
测试光 L3
探测目标 20
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
本发明实施例提供一种测距光学系统，可应用于无人机、无人驾驶、自动导航、机器人等设备，用于侦测探测目标20的距离信息，以实现导航功能。
实施例一
请参阅图1，本实施例提供的测距光学系统10，包括发射模组11、光引导模组12、接收模组13及电连接发射模组11和接收模组13的控制器14。发射模组11在控制器14的控制下发射参考光L1至光引导模组12，光引导模组12将接收到的参考光L1出射至探测目标20，探测目标20反射参考光L1形成探测光L2，经探测目标20反射回的探测光L2被光引导模组12收集并引导至光接收模组13，光接收模组13用于根据接收到的探测光L2生成电信号，控制器14根据所述电信号进行相应的数据处理即可获取探测目标20的距离信息。
请继续参阅图1，本实施例中，光发射模组11包括与控制器14电连接的第一激光源111、位于第一激光源111的光出射路径上的第一扫描器112及位于第一激光源111与第一扫描器112之间的准直透镜113。第一激光源111包括一激光器或激光器阵列，用于出射激光束作为参考光L1；准直透镜113用于接收参考光L1，并将其准直为平行光束进而引导至第一扫描器112；第一扫描器112用于反射参考光L1至光引导模组12。由于本实施例中，参考光L1为激光，激光的方向性本身就较好，因此于其他实施例中，光发射模组11也可不包括准直透镜113。
请继续参阅图1，光引导模组12包括光引导元件121，光引导元件121位于参考光L1的出射路径上，用于引导参考光L1至探测目标20。本实施例中，光引导元件121用于透射至少部分参考光L1。
请继续参阅图1，本实施例中，光引导模组12还包括聚焦透镜122(F-θ镜)，聚焦透镜122位于参考光L1的出射路径上。参考光L1从第一扫描器112出射时，发散角为β1，从聚焦透镜122出射时，发散角为β2，其中，β2＞β1。也即，聚焦透镜122用于扩大参考光L1的发散角并出射至探测目标20，通过聚焦透镜122扩大参考光L1的发散角，有利于增大参考光L1的侦测视野，提高扫描效率。本实施例中，聚焦透镜122由多组负透镜组组成，每组负透镜组由多个正负球面透镜构成，每组负透镜组的透镜数目由校正像差的效果和角度放大程度的要求决定。
请继续参阅图1，参考光L1入射至探测目标20，经探测目标20反射，将探测目标20反射的光定义为探测光L2。聚焦透镜122用于接收并汇聚探测光L2，进而将汇聚后的探测光L2引导至光引导元件121。光引导元件121用于将探测光L2引导至接收模组13。本实施例中，光引导元件121用于反射至少部分探测光L2至接收模组13。
请继续参阅图1，本实施例中，接收模组13包括探测器131及第二扫描器132，第二扫描器132用于接收光引导元件121出射的探测光L2并将其引导至探测器131。接收模组13还包括位于探测器131及第二扫描器132之间的聚焦镜133，聚焦镜133用于将第二扫描器132出射的探测光L2进一步聚焦再入射至探测器131，有利于提高探测光L2的利用率。探测器131根据探测光L2生成电信号，控制器14可根据该电信号获取探测目标20的距离信息。
本实施例中，光引导模组12还包括设置于光引导元件121及聚焦透镜122之间的第一波片123，第一波片123为1/4波片，且光引导元件121为合束器，其用于透射第一偏振矢量的光并反射第二偏振矢量的光，其中，第一偏振矢量的光为P偏振光，第二偏振矢量的光为s偏振光。也即，光引导元件121仅用于透射参考光L1中的p偏振光，1/4波片用于将参考光L1中的所述p偏振光(p偏振光为线偏振光)转换为圆偏振光并出射至探测目标20，探测目标20反射的探测光L2也为圆偏振光，1/4波片用于将该探测光L2由圆偏振光转换为s偏振光，光引导元件121用于将该s偏振光反射至接收模组13。如上述的，通过光引导元件121对参考光L1中特定偏振矢量(P偏振光)的选择透射及第一波片123对参考光L1和探测光L2的偏振态转换，使得仅参考光L1中仅p偏振光可以从光引导元件121透射至探测目标20，而利用第一波片123可以对几乎全部的p偏振光进行偏振态的转换(忽略光在经过各光学元器件时的损耗)，使得从探测目标20反射的探测光L2可几乎全部被转换为s偏振光被光引导元件121反射至接收模组13中的探测器131。则，上述的光引导元件121(合束器)与第一波片123(1/4波片)的配合，有利于提高参考光L1的光利用率，且参考光L1的利用率越高。探测光L2入射至探测器131，经控制器14数据处理后获取的探测目标20的距离信息精度也越高，因此进而有利于提升探测精准度。
如上述的，本实施例中，光引导元件121用于透射P偏振光并反射s偏振光，但光引导元件121对光的具体引导方式设计并不限于此。例如于另一实施例中，光引导元件121也可设置为用于反射P偏振光并透射s偏振光。于又一实施例中，光引导元件121也可通过镀膜方式实现参考光L1与探测光L2的引导，例如，光引导元件121为一透射参考光L1并反射探测光L2的膜片，此时不用搭配波片进行使用，也即，光引导元件121为一镀膜的膜片时，光引导模组12不包括第一波片123。本发明不对光引导元件121对光的具体引导方式作限定。
请继续参阅图1，第一扫描器112及第二扫描器132可为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)扫描镜、楔形板或多面棱镜，其中多面棱镜又可采用反射式多面棱镜或透射式多面棱镜，其中，第一扫描器112及第二扫描器132参数配置相同，上述参数可包括但不限于第一扫描器112及第二扫描器132的尺寸、反射率等。本实施例中，第一扫描器112及第二扫描器132为MEMS扫描镜。第一扫描器112及第二扫描器132皆可在控制器14的控制下进行旋转。
请参阅图2，第一扫描器112与第二扫描器132皆具有一初始角度α。本实施例中，参考光L1入射至第一扫描器112时的入射角与探测光L2入射至第二扫描器132时的入射角相等时，第一扫描器112与第二扫描器132的角度位置定义为所述初始角度α。
第一扫描器112相对其初始角度旋转的角度定义为第一旋转角δ1，且第二扫描器132相对其初始角度旋转的角度定义为第二旋转角δ2。控制器14通过同步控制第一扫描器112及第二扫描器132向相反方向(例如一个顺时针一个逆时针)旋转，且使得每一时刻第一旋转角δ1与第二旋转角δ2保持相等。
请继续参阅图2，将参考光L1在发射模组11中的传输路径定义为第一光路，将参考光L1由第一扫描器112至聚焦透镜122之间的传输路径定义为第二光路，将探测光L2由光引导元件121传播至第二扫描器132的光路定义为第三光路，将探测光L2在接收模组13中的传播路径定义为第四光路；并且，定义第二光路及第四光路的光轴方向为X方向，定义第三光路的光轴方向为Y方向，定义垂直于XY平面的方向为Z方向，所述X方向、Y方向、Z方向相互垂直。则，控制器14用于控制第一扫描器112和第二扫描器132绕Z方向旋转，保持第一扫描器112与第二扫描器132旋转方向相反，旋转角度相同，从而使得无论第一扫描器112以何角度出射参考光L1，探测光L2都可被引导至探测器131。
本实施例提供的测距光学系统10，通过控制参考光L1及探测光L2由同一光引导模组12引导，且通过控制器14同步控制第一扫描器112及第二扫描器132的旋转角度，使得无论第一扫描器112以何角度出射参考光L1，探测光L2都可被引导至探测器131，且探测光L2在探测器131上形成的激光光斑与参考光L1从光引导模组12出射时的光斑几乎相同，因此相较于现有技术，本实施例提供的测距光学系统10，有利于提高参考光L1的利用率，减少参考光L1能量的浪费，提高探测精准度，进而有利于减小对探测器131和控制器14的要求。
实施例二
请参阅图3，本实施例提供的测距光学系统30，其与实施例一的测距光学系统10基本相同，二者区别主要在于：测距光学系统30还包括温度补偿模组15。
请继续参阅图3，温度补偿模组15与激光发射模组11及激光接收模组13分时工作，温度补偿模组15用于根据测距光学系统30所处的环境温度获取温度补偿系数，该温度补偿系数用于供控制器14对最终的距离信息进行调整。
请继续参阅图3，温度补偿模组15还包括第二激光源151。本实施例中，第二激光源151包括激光器或激光器阵列，其光学参数(例如激光器功率、激光波长等)与第一激光源111相同。第二激光源151用于出射测试光L3至探测器131，上述的温度补偿系数的获取方式为：测试光L3入射至探测器131时，会产生电信号(电压或电流)，且该电信号幅值(电压值或电流值)因测试光L3的输出功率不同而不同，但在不同温度下，相同输出功率的测试光L3产生的电信号幅值也不同，因此，通过记录参考温度下测得的电信号幅值作为信号参考值，控制器14可获取当前测距光学系统30所处环境的环境温度，当当前的环境温度与所述参考温度差值大于预设阈值时，将当前环境温度下根据探测光测得的信号幅值校正为所述信号参考值，所述温度补偿系数即为在当前环境温度下根据探测光测得的信号幅值与信号参考值之间的差值。本实施例中，所述参考温度例如可设置为25℃，所述预设阈值例如可设置为正负5℃。
请继续参阅图3，温度补偿模组15还包括设置于聚焦镜133与第二扫描器132之间的光栅152，光栅152可选择透过部分测试光L3，有效减小了入射至探测器131的激光光强，有利于降低高强度的激光照射探测器131导致其损坏的风险。
请继续参阅图3，温度补偿模组15还包括设置于光引导元件121与第二激光源151之间的第二波片153，本实施例中，第二波片153为1/2波片，用于改变测试光L3的偏振态，使得测试光L3不会被光引导元件121反射至第一激光源111中引起能量的串扰，减小了测距光学系统30内部光信号之间的影响。
综上，本实施例提供的测距光学系统30，可实现如实施例一中所述的所有有益效果；在此基础上，相较于实施例一，通过增设温度补偿模组15，还使得测距光学系统30在不同温度下，都可根据温度补偿系数对最终的距离信息进行调节，减小了环境温度对探测结果的影响程度，进一步有利于提高探测精度。
实施例三
请参阅图4，本实施例提供的测距光学系统40，与实施例一的激测距光学系统10基本相同，二者区别主要在于：测距光学系统40还包括位移控制器16，用于控制发射模组11、接收模组13及光引导模组12整体旋转，发射模组11、接收模组13及光引导模组12整体的旋转方向不同于实施例一或实施例二中所述的第一扫描器和第二扫描器的旋转方向。
请继续参阅图4，本实施例中，位移控制器16包括转子161及控制所述转子转动的马达162，转子161用于承载发射模组11、光引导模组12及光接收模组13(于另一实施例中，转子161还可用于承载控制器)。测距光学系统30处于工作状态时，马达162驱动转子161可实现360°旋转，发射模组11、光引导模组12及光接收模组13固定设置于转子161上，转子161旋转时带动发射模组11、光引导模组12及光接收模组13整体旋转(旋转过程中发射模组11、光引导模组12及光接收模组13之间的相对位置不变)；同时，控制器14控制第一扫描器及第二扫描器同步旋转。本实施例中，转子161的旋转方向与第一扫描器及第二扫描器的扫描方向不同，优选的，转子161的旋转平面与第一扫描器及第二扫描器的旋转平面相互垂直时，测距光学系统40出射的参考光L1的扫描视野最大。
于另一实施例中，转子161上还设置有如实施例二中所述的温度补偿模组。
综上，本实施例提供的测距光学系统40，可实现如实施例一或实施例二中所述的所有有益效果，在此基础上，相较于实施例一与实施例二，通过增设位移控制器16，还使得测距光学系统40可在不同于实施例一与实施例二中所述的第一扫描器与第二扫描器的扫描方向进行旋转，增大了测距光学系统40的扫描范围，有利于减小视野盲区，提升探测效果。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种测距光学系统，用于侦测探测目标的距离信息；其特征在于，所述测距光学系统包括：
发射模组，包括第一激光源及可旋转的第一扫描器，所述第一扫描器用于接收所述第一激光源出射的参考光并出射；
光引导模组，用于将所述参考光引导至所述探测目标，被所述探测目标反射的所述参考光为探测光，所述光引导模组还用于接收所述探测光以将所述探测光出射；
接收模组，包括探测器及可旋转的第二扫描器，所述第二扫描器用于将所述探测光引导至所述探测器；以及
控制器，电连接所述发射模组及所述接收模组，用于同步控制所述第一扫描器及所述第二扫描器的旋转角度，以使得所述探测光入射至所述探测器，并用于根据所述探测器接收的探测光获取所述探测目标的距离信息。
2.如权利要求1所述的测距光学系统，其特征在于，所述第一扫描器及所述第二扫描器分別具有一初始角度，定义所述第一扫描器相对于其初始角度旋转的角度为第一旋转角，并定义所述第二扫描器相对于其初始角度旋转的角度为第二旋转角；
所述控制器通过控制所述第一旋转角与所述第二旋转角大小相同方向相反以控制所述探测光入射至所述探测器。
3.如权利要求1所述的测距光学系统，其特征在于，所述光引导模组包括光引导元件，所述光引导元件用于引导所述参考光至所述探测目标并引导所述探测光至所述接收模组。
4.如权利要求3所述的测距光学系统，其特征在于，所述光引导元件为合束器，所述光引导模组还包括位于所述合束器及所述聚焦透镜之间的第一波片；
所述合束器用于透射第一偏振矢量的光并反射第二偏振矢量的光，所述第一波片用于转换所述参考光及所述探测光的偏振态。
5.如权利要求3所述的测距光学系统，其特征在于，所述光引导模组还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于接收所述光引导元件出射的参考光，并增大所述参考光的发散角后出射至所述探测目标。
6.如权利要求1所述的测距光学系统，其特征在于，所述测距光学系统还包括温度补偿模组，所述温度补偿模组用于根据当前环境温度获取温度补偿系数；
所述控制器用于根据所述温度补偿系数对所述距离信息进行调整。
7.如权利要求6所述的测距光学系统，其特征在于，所述温度补偿模组包括第二激光源，所述第二激光源用于出射测试光至所述探测器，所述控制器用于根据不同温度下所述探测器接收到的测试光所产生的电信号幅值与参考值之间的差值作为不同温度下的温度补偿系数。
8.如权利要求7所述的测距光学系统，其特征在于，所述温度补偿模组还包括设置于所述第二扫描器及所述探测器之间的光栅，所述光栅用于选择透射部分所述测试光。
9.如权利要求8所述的测距光学系统，其特征在于，所述温度补偿模组还包括设置于所述光引导模组及所述第二激光源之间的第二波片，所述第二波片用于转换所述测试光的偏振态。
10.如权利要求1所述的测距光学系统，其特征在于，所述测距光学系统还包括位移控制器，所述位移控制器用于控制所述发射模组、所述接收模组及所述光引导模组整体旋转同步旋转；
所述发射模组、所述接收模组及所述光引导模组整体的旋转方向不同于所述第一扫描器及所述第二扫描器的旋转方向。
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